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不久前，中國航天科技集團公司五院有消息稱，該院組織完成了空間站大型機械臂初樣結(jié)構(gòu)臂力學環(huán)境試驗，標志著我國空間站大型機械臂初樣階段研制工作取得了又一重大突破。據(jù)了解，這是我國空間智能機器人系統(tǒng)進入工程研制階段后的首次大型試驗項目。
自《中國制造2025》發(fā)布以來，航天裝備制造和機器人領(lǐng)域政策利好的消息一直見諸報端。但是兩者結(jié)合起來——空間機器人，這一特種機器人中尤其“高大上”的裝備，現(xiàn)狀究竟如何卻鮮見報道。
“涉及航天的事情，總是比較敏感?！蹦澈教煅b備從業(yè)人士向《中國科學報》記者指出。哈爾濱工業(yè)大學機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室主任劉宏也在2015國家機器人論壇上表示，外國緊盯“中國衛(wèi)星太空異常”，中國衛(wèi)星上“長出”機械伸縮臂，還會被質(zhì)疑威脅他國衛(wèi)星安全。
不過，在“敏感”環(huán)境中，空間機器人的發(fā)展卻依然值得關(guān)注。
“汽車可以到4S店保養(yǎng)，飛機可以在地面進行維修，航天器一旦發(fā)生問題誰來修？”劉宏這樣論述發(fā)展空間機器人的必要性。
聚焦空間機器人
據(jù)了解，空間機器人是在太空中執(zhí)行空間站建造與運營支持、衛(wèi)星組裝與服務(wù)、科學實驗、行星探索等任務(wù)的特種機器人。世界上第一個成功應(yīng)用于飛行器的空間機器人系統(tǒng)，為加拿大MD Robotic公司于1981年研制的SRMS系統(tǒng)。2000年后，空間機器人呈爆發(fā)式發(fā)展，2010年后各國空間機器人規(guī)劃逐漸增加。
今年3月份，俄羅斯《觀點報》曾報道，俄羅斯加加林宇航員訓練中心負責人尤里·隆恰科夫稱，俄羅斯科學家近期將向國際空間站發(fā)送機器人以完成更多復雜任務(wù)。
據(jù)劉宏介紹，2017年，德國將在空間機器人上繼續(xù)發(fā)力，推出軌道服務(wù)器。美國則推出“鳳凰計劃”，預(yù)計在2016年運用空間機器人對退役衛(wèi)星中可以發(fā)揮功能的部件進行回收，并以低廉的成本將它們集成到新的太空系統(tǒng)中，支撐美國國防部的新使命。
我國空間機器人技術(shù)研究約始于上世紀90年代，多年來，中國科學院、哈爾濱工業(yè)大學、北京郵電大學、北京理工大學、北京航空航天大學、航天五院等單位針對空間機器人開展了大量研究，并取得了豐碩成果。面向我國空間站建造與運營、月球探測、活性探測等工程任務(wù)要求，我國自行研制了多套空間機器人系統(tǒng)，部分產(chǎn)品已實現(xiàn)了空間應(yīng)用。
記者還注意到，由于涉及國防安全，中國在空間機器人領(lǐng)域的研發(fā)一直由“國字號”科研單位或者國企牽頭。中國機械工業(yè)聯(lián)合會執(zhí)行副會長、中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長兼秘書長宋曉剛向《中國科學報》記者證實，在機器人領(lǐng)域，“自主研發(fā)”將成為關(guān)鍵詞，尤其是這種“上天入地”的機器人，更加會注重自主創(chuàng)新。
同時，宋曉剛指出，雖然《中國制造2025》和未來將出臺的機器人“十三五”規(guī)劃可能不會細分到對空間機器人進行戰(zhàn)略部署，但肯定的是，與空間機器人有關(guān)的部分，如零部件、新的智能技術(shù)等都將受到政策的積極推動。
機械臂獲進展
中科院自動化研究所復雜系統(tǒng)與控制國家重點實驗室主任王飛躍曾指出，20世紀80年代研究智能空間機器人時，最大問題是機械臂。
機械臂是空間機器人的核心構(gòu)造之一，其技術(shù)進步史幾乎就是空間機器人的發(fā)展史。
據(jù)公開報道顯示，美國國防部先進研究項目局（DARPA）曾在報告中指出，“鳳凰計劃”正在研發(fā)特殊的“機械工具”，以確?？蓪U棄衛(wèi)星中的可用零部件取出。該機械工具一度被外界認為是機械臂，且這種機械臂將由地面指揮中心控制。
據(jù)悉，新一代的空間機器人可以配備高靈巧機械臂，注入了仿生理念。多個模塊化功能單元的有機組合及模塊化的多關(guān)節(jié)則使重構(gòu)機械臂成為現(xiàn)實。
劉宏指出，從功能角度看，機械臂經(jīng)歷了從監(jiān)測搬運到自主抓取，再到精細操作的發(fā)展歷程；在構(gòu)型上，空間機器人也從單個機械臂走向多個機械臂、人形機械臂；從機械臂本身來說，機械臂的關(guān)節(jié)從6個關(guān)節(jié)發(fā)展到7個關(guān)節(jié)，以后會成為多關(guān)節(jié)連續(xù)體；而機械臂的末端作用器，從夾持工具變成了可更換工具，再發(fā)展到多指“靈巧手”；從操作看，以前是宇航員在天上“遙操作”，演變成地面“主從遙操作”，再到地面臨場遙感操作；操作的目標則從固定物體轉(zhuǎn)變成非合作目標。
我國在空間機器人機械臂研發(fā)上也在不斷前進。
2013年7月，空間機械手安裝在試驗七號衛(wèi)星的外側(cè)，由長征四號丙運載火箭發(fā)射入軌，主要實現(xiàn)了小衛(wèi)星的分離、捕獲、靠近，以及模擬部件裝配和遙操作。
據(jù)了解，在國內(nèi)多所科研院校的合作下，我國已經(jīng)完成了空間機器人原理樣機的工作，在機械臂關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)了突破。
劉宏透露，我國還掌握了空間機械手的設(shè)計、制造、控制、測試與試驗技術(shù)，成為世界上第二個完成合作目標的自主跟蹤捕獲的國家，實現(xiàn)了空間機械手主從遙操作、航天器在軌檢測，以及軌道更換單元的在軌模擬裝配等空間維護。
“明年要做的實驗是天宮二號艙內(nèi)機械手系統(tǒng)及與宇航員協(xié)同作業(yè)。”劉宏說。
未來方向
雖然前景喜人，但中國空間技術(shù)研究院總體部空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用重點實驗室主任王耀兵也指出，空間機器人的技術(shù)發(fā)展尚存挑戰(zhàn)。
比如，空間機器人對空間環(huán)境適應(yīng)性要求高，如苛刻的溫度條件、微重力或弱重力環(huán)境、超真空、超輻照、原子氧、復雜光照等；多任務(wù)適應(yīng)能力要求高，如捕獲、搬運、固定、更換、加注、重構(gòu)、移動等不同任務(wù)要求各異，需集多功能于一體；操作工況更加復雜，發(fā)射段、在軌段、著陸段、月面工作段工況各異，系統(tǒng)設(shè)計約束大幅增加；地面驗證難度大，多自由度加大了空間機器人在軌環(huán)境模擬難度。
屏蔽此推廣內(nèi)容王耀兵還對空間機器人的未來發(fā)展進行了預(yù)測。
他指出，隨著在軌操作任務(wù)日益多樣化，空間機器人功能日趨復雜，機器人操作工具將逐步實現(xiàn)系列化、標準化，操作要求從低精度、粗放式向精細化、柔順化發(fā)展，空間機器人探測將向多機器人協(xié)同探測方向發(fā)展。
“空間機器人工程應(yīng)用需求將面向在軌應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，面向多任務(wù)和多功能系統(tǒng)設(shè)計，考慮航天器上有限資源的系統(tǒng)優(yōu)化，提升機器人在空間特殊環(huán)境中長壽命和高可靠性能。此外，還會注重輕量化、高精度機電產(chǎn)品技術(shù)，機電部件的輕量化設(shè)計，對高比剛度、高比強度材料的設(shè)計及應(yīng)用等。”王耀兵說。
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