科普｜中國空間站的航天員還沒去？太空機器人先行一步
2021年4月29日11時23分，中國“長征”5B運載火箭搭載中國首個空間站核心艙“天和”號發射成功，邁出了中國空間站在軌組裝建造第一步。
現場發射圖
“天和”核心艙是中國空間站發射入軌的首個艙段，明年纔會擇機發射“問天”實驗艙和“夢天”實驗艙，完成空間站三艙組合體在軌組裝建造。
雖然在建成之前就會有航天員搭乘“神舟”飛船進駐核心艙，但在航天員暫時還沒有去空間站的這段時間，我國自主研發的太空機器人已經先行一步抵達太空執行任務。
中國空間站構想圖
上海航天技術研究院高級技術顧問、上海交通大學機械動力工程學院教授孟光等人在我國最硬核的航空航天學術期刊《航空學報》2021年第1期“空間機器人”專刊上發表了一篇綜述《空間機器人研究進展及技術挑戰》。
文章詳細介紹了國際空間站機器人、中國空間站機器人等幾類軌道空間機器人工程應用現狀，探討了空間機器人在機構構型、關節驅動、末端操作、感知認知、行走移動、動力學與控制等方面的關鍵技術難點。最後展望了空間機器人在空間目標抓捕與移除、高價值飛行器在軌服務與維修、空間大型構件在軌組裝及星球科學探測等方面的應用前景。
以下，小編從這篇論文中摘錄出國際空間站艙內外的空間機器人和中國空間站中的空間機器人主要類型及特徵，與各位航天愛好者和從業者分享。
01
什麼是空間機器人？
空間機器人，作爲一種典型的智能操作系統，其應用正逐漸改變航天運輸、在軌建造、在軌維護、星球探測的傳統模式，是未來無人、載人航天任務的重要使能手段之一。在載人航天探索活動中，空間機器人擔任了載人前的探路者、載人活動中的助手、載人活動後的維護者的角色；在無人航天科學探索活動中，機器人可以有效擴展了人類的活動和操控範圍。
NASA研發的R5仿真機器人（來源：NASA）
02
國際空間站中的空間機器人
國際空間站是目前空間機器人系統應用較多、較成功的領域，艙外配備了加拿大機械臂、日本實驗艙機械臂、靈巧機械手等，艙內開展了機器人宇航員等機器人驗證，形成了大中小多規格、艙內外全範圍、工程應用與技術驗證並重的立體化配置格局。
國際空間站（來源：Wikipedia）
航天飛機遙操作機械臂（Shuttle Remote ManipulatorSystem, SRMS）是世界上第一個實用的空間機械臂，由加拿大MDA公司研製，因此也被稱爲加拿大機械臂Ｉ（Canadarm）。
加拿大機械臂Ｉ（來源：Wikipedia）
SRMS在1981年STS-2任務中首次被使用，1990-2002年間實現了哈勃望遠鏡的多次在軌維修，1998年實現了在國際空間站美國“團結號”節點艙與俄羅斯“曙光號”首次組裝任務。SRMS主要用於物資搬運、輔助航天員出艙活動和航天飛機在軌檢測等任務。
航天飛機遙操作機械臂及其首次空間站在軌組裝任務圖
國際空間站移動服務系統（Mobile Servicing System,MSS）是國際空間站上最複雜的機器人系統，由移動基座系統（MBS）、空間站遙控機械臂（SSRMS）、末端靈巧機械手（SPDM）及移動傳輸器（MT）４個部分組成）。MSS的主要任務是輔助空間站在軌組裝、大型負載搬運、ORU更換、航天員艙外活動輔助、空間站輔助維修等。
MMS 組成示意圖
SSRMS機械臂（也被稱作Canadarm2）於2001年由宇航員在軌安裝，7個自由度，在太空可以實現類似人類手臂的運動能力，3-1-3構型形式，展開長17.6 m，末端定位精度65mm，負載116000 kg。SSRMS配置了4臺相機，分別安裝於肘部臂杆兩端及末端兩端。機械臂兩端均安裝鎖合末端效應器，具備“尺蠖”式的跨步移動能力，可覆蓋較大的工作範圍。
宇航員在Canadarm2的末端（來源：Wikipedia）
靈巧機械手SPDM於2008年發射進入國際空間站，包含一個軀幹和兩個機械臂，機械臂7自由度，展開長度約3 m，末端定位精度可達到13 mm；末端安裝載荷更換工具，可配備多種不同類型的操作工具，具備開展一些精細操作的能力。
SPDM（來源：Wikipedia）
2011年，NASA和加拿大航天局利用SPDM合作開展了機器人燃料加註演示任務，實驗中靈巧機械臂SPDM利用特製的工具，演示了全套的衛星維修和燃料加註任務。
機器人在軌加註任務
日本實驗艙機械臂JEMRMS是安裝於國際空間站日本實驗艙的機器人系統，於2009年隨JEM在軌組裝完成。JEMRMS由主臂、小型靈巧臂和控制站組成。
日本實驗艙機械臂的主臂及小型靈巧臂
主臂展開長度10m，6自由度，臂杆採用碳纖維加強材料，肘部及腕部配置視覺相機，末端效應器可抓取國際空間站通用抓取接口PDGF，末端定位精度50mm，其末端工具上配置了力／力矩傳感器可用於柔順操作，主要功能爲物資搬運和ORU更換。小型靈巧臂展開長度2m，6自由度，末端定位精度10mm，相對與主臂可執行更靈巧的操作，主要功能爲艙外暴露載荷照料。小臂工作時由主臂抓取接收能源和數據，並形成串聯宏微機械臂協同工作。
以上介紹的均爲艙外工作機器人，國際空間站艙內工作機器人目前包括Robonaut2、KIROBO、Skybot F-850等。
2011年NASA與通用公司GM聯合研製的第二代機器人宇航員R2（Robonaut2）進入國際空間站，主要開展了任務面板上操作驗證。
機器人宇航員R2在國際空間站
R2在形體上具有頭部、頸部、軀幹、雙臂、多指靈巧手等人類特徵，全身共42個自由度，其中包括3自由度頸部、2個7自由度的手臂、2個12自由度的五指靈巧手以及1自由度腰部，可達到類人的工作能力；集成了視覺相機、紅外相機、六維腕力傳感器、接觸力傳感器、角度及位移傳感器等約300多個傳感器，是典型多傳感器集成的複雜系統。R2在2014年配置了雙腿，腿的末端配置扶手抓取工具，使之具備出艙服務移動能力。
升級爬行雙腿的機器人宇航員R2
2013年8月，日本“鸛”號貨運飛船搭載發射了小型機器人宇航員“KIROBO”，其身高約34cm，重約1kg，可以與人進行交流並且具有肢體語言，其主要任務爲與國際空間站日本宇航員對話，消除宇航員在軌寂寞感。
小型機器人宇航員“KIROBO”
2019年8月，俄羅斯聯盟號飛船搭載發射人形機器人Skybot F-850至國際空間站，它是FEDOR研究計劃的成果。Skybot F-850是具備四肢即雙臂雙腿的空間仿人機器人，具備模仿航天員作業的能力。在國際空間站約半月的測試中，F-850測試了開啓艙門、傳遞工具、模擬艙外活動等試驗。
Skybot F-850在國際空間站
03
我國空間站中的空間機器人
中國非常重視空間機器人系統的研製，在載人航天空間站規劃了大型、中型兩套空間機械臂系統，也利用載人飛行器開展了空間機器人相關技術的在軌驗證。
2016年，天宮二號機械臂系統隨“天宮二號”空間實驗室發射入軌，天宮二號機械臂系統包括６自由度輕型機械臂和五指仿人靈巧手組成的仿人型機械臂本體、在軌遙操作人機接口、全局立體視覺模塊等。
航天員控制天宮二號機械臂
在軌測試中，航天員與機械臂系統協同開展了動力學參數辨識、抓漂浮物體、與航天員握手、在軌維修等試驗。在軌維修驗證試驗包括拆卸電連接器、撕開多層防護、旋擰電連接器、使用電動工具擰鬆螺釘以及在軌遙操作等。
而中國載人航天空間站在建造階段將配備核心艙、實驗艙機械臂兩套機器人系統。
中國空間站機械臂系統
核心艙機械臂主要用來完成空間站艙段轉位與輔助對接、懸停飛行器捕獲與輔助對接、支持航天員EVA等；實驗艙機械臂主要用以暴露載荷照料、光學平臺照料、載荷搬運、支持航天員 EVA等活動。
中國空間站機械臂系統
核心艙機械臂和實驗艙機械臂展開長度分別約爲10m和5m，最大在軌載荷分別爲25000kg和3000kg，均具有7個自由度，轉動關節的配置採用“肩3＋肘1＋腕3”方案。肩部和腕部設置兩個末端執行器，可實現“爬行”功能。兩個機械臂可獨立工作，也可以協同工作，也可串聯組成組合臂共同完成空間站的維修維護任務。
“祝融號”火星車
除了空間站的機器人，還有一類太空機器人——星表機器人，也就是在外星球表面工作的機器人，且看下期分享！
原標題：《硬核科普 | 中國空間站的航天員還沒去？太空機器人先行一步！》
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