第13章 空间机器人
2020-03-01 137浏览
- 1.机器人引论 第13章 空间机器人
- 2.第13章 空间机器人 o o o o 13.1 空间机器人的定义和发展历程 13.2 空间机器人的特点和分类 13.3 空间机器人通信技术 13.4 空间机器人的应用
- 3.13.1 空间机器人的定义和发展历程 13.1.1 空间机器人的定义 o 从广义上讲，一切航天器都可以成为空间机器人，如宇宙飞 船、航天飞机、人造卫星、空间站等。航天界对空间机器人 的定义一般是指用于开发太空资源、空间建设和维修、协助 空间生产和科学实验、星际探索等方面的带有一定智能的各 种机械手、探测小车等应用设备。 o 空间机器人所从事的工作主要包括： n n n n 空间站的建设 航天器的维护和修理 空间生产和科学实验 星球探测
- 4.世界上第一颗人造地球卫星 空间机器人正在维修人造卫星
- 5.13.2.1 空间机器人的发展历程 o 空间机器人的发展历程在不同国家是不同的。 1 空间机器人在美国的发展 o 1962年美国使用专用机器人采集了金星大气数据。1967年，“海 盗”火星着陆器对火星土壤进行了分析，以寻找生命迹象。 o 20世纪70年代初，美国提出在空间飞行中应用机器人系统的概念， 并且在航天飞机上予以实施。 o 目前，美国进行的最大的空间机器人计划为飞行遥控机器人服务 系统（FTS）。Goddard空间飞行中心负责研制的飞行遥控机器人 是FTS系统的核心，它具有多个视觉传感器，可以完成远距离的舱 外作业，并具有较高的自主性。
- 6.o NASA的约翰逊空间中心正在研制自主空间机器人，用于完成空间 站内的检查、维修、装配等工作，也可以回收和维修卫星。NASA 的JPL实验室多年来一直从事空间机器人系统和智能手抓捕研究， 并执行NASA的遥控机器人技术计划。JPL实验室研制的闻名世界的 “索杰纳”火星车。 JPL实验室研制的闻名世界的“索杰纳”火星车
- 7.o 美国一些重点高等院校也正在开发空间机器人。如MIT、Stanford University、Michigan University、California University等都承担了 NASA的空间机器人研究课题，并在许多方面都已做出了成绩。 2 空间机器人在加拿大的发展 加拿大航天局在空间 机器人项目中为美国 航天飞机设计遥控机 械臂（RMS）。加拿 大同时开展的项目还 有针对空间站研制的 MSC，即具有双臂灵 巧操作手的可移动作 业中心。 加拿大研制的具有双臂灵巧操作手的可移动作业中心
- 8.3 空间机器人在日本的发展 o 日本国家空间发展局（NASDA）目前组织力量研究空间机器人系统。 东芝公司和电子综合技术研究所共同研制了多功能机械手。主要 用于完成外舱、补给舱的组装、支持加压舱内宇航员完成各种实 验任务、更换实验仪器、维修实验设备、更换和处理实验材料等。 o 日本的JEM-RMS，即 技术试验卫星VI型 （EIS-VI）计划，是 一个实验性的在轨操 作空间机器人作业器。 主要以开发空间机器 人技术、空间会合对 接技术以及在空间轨 道上进行实验为目的。 日本东芝公司研制的火星探测机器人
- 9.4 空间机器人在俄罗斯的发展 o 20世纪60年代，美苏两国在空间机器人的研究方面各显其能，不 相上下。但是到了20世纪70年代，美国放慢了空间机器人的研究 步伐，而前苏联则一如既往，对空间机器人的研究有增无减。前 苏联利用空间机器人协助宇航员完成了飞行器的对接任务和燃料 加注任务，令美国的空间科学家羡慕不已。但是近二十年来由于 其经济发生了困难，对空间机器人的研究有所放慢。 5 空间机器人在欧洲的发展 o 欧空局各国相继成立空间机器人研究机构，如荷兰的FOKKERSPACE 8L SYSTEM公司、德国的DFVLR公司、法国的MATRA ESPACE公司、 意大利的TECNO SPAZIO公司等。 o 德国于1993年4月有“哥伦比亚号”航天飞机携带发射升空的 ROTEX空间机器人是世界上第一个远距离遥控空间机器人。
- 10.13.2 空间机器人的特点和分类 13.2.1 空间机器人的特点 1 高真空对空间机器人设计的要求 o 在高真空环境下只有特殊挑选的材料才可用，需特殊的润滑方 式，如干润滑等；更适宜无刷直流电动机进行电交换；一些特 定的传感原理失效，如超声波探测等。 2 微重力或无重力对空间机器人的设计要求 o 微重力的环境要求所有的物体都需固定，动力学效应改变，加 速度平滑，运动速度极低，启动平滑，机器人关机脆弱，传动 率要求极高。 3 极强辐射对空间机器人的要求 o 在空间站内的辐射总剂量为10000Gy/a，并存在质子和重粒子。 强辐射使得材料寿命缩短，电子器件需要保护及特殊的硬化技 术。
- 11.4 距离遥远对空间机器人的设计要求 o 空间机器人离地面控制站的距离遥远，传输控制指令的通信将 发生延迟（称为时延）。时延对空间机器人最大的影响是使连 续操作闭环反馈控制系统变得不稳定。同时在存在时延的情况 下，即使操作者完成简单工作也需要比无时延情况下长得多的 时间，只是由于操作者为避免系统不稳定，必须采取“运动— 等待”的阶段工作方式。 5 真空温差大对空间机器人设计的要求 o 在真空环境下，不能利用对流散热，在空间站内部的温差为120～60℃，在月球环境中的温差为-230～130℃，在火星环境 中的温差为-130～20℃。在这样的温差环境中工作的空间机器 人应该需要多层隔热、带热管的散热器、分布式电加热器、放 射性同位素加热单元等技术。
- 12.o 除了以上空间环境对空间机器人设计所提出的要求外， 空间机器人还具有如下特点： n 可靠性和安全性要求高 n 机载质量有限且成本昂贵 n 机载电源和能量有限
- 13.13.1.2 空间机器人的分类 o 根据空间机器人所处的位置来划分： n n n n 低轨道空间机器人 离地面300～500km高的地球旋转轨道。 静止轨道空间机器人 离地面约36000km的静止卫星用轨道。 月球空间机器人 在月球表面进行勘探工作。 行星空间机器人 主要指对火星、金星、木星等行星进行 探测。 o 根据航天飞机舱内外来划分： n 舱内活动机器人 n 舱外活动机器人
- 14.o 根据人的操作位置来划分： n 地上操纵机器人 从地面站控制操作。 n 舱内操纵机器人 从航天飞机内部通过直视或操作台进行 控制操作。 n 舱外操纵机器人 舱外控制操作。 o 根据功能和形式来划分： n n n n n 自由飞行空间机器人 机器人卫星 空间实验用机器人 火星勘探机器人 行星勘探机器人
- 15.o 根据空间机器人的应用来划分： n 在卫星服务中的应用 n 在空间站中的应用 包括在空间站、移动服务中心（MSC） 和遥控机械手系统（RMS）中的应用等。 n 实验性空间机器人 空间站上的机器人是以遥控为主， 局限在空间站桁架间移动，主要用作舱外作业支援工具。 随着空间机器人的发展，出现了遥控与自主相结合的想像 卫星那样边自由飞行边自主完成某个简单作业的卫星机器 人。比较有代表性的机器人卫星为日本的ETS-VII型和美国 的RANGER型机器人卫星、其中，ETS-VII进行了协调控制机 械手遥控操作、轨道服务、功能协调和智能控制4种实验； 而RANGER则完成了机械臂控制、智能行为、基本作业、扩 充作业和轨道会合对接等实验。 n 行星表面探测空间机器人
- 16.o 根据控制方式来划分： n 主从式遥控机械手 主从式遥控机械手由主手和从手组成。从手的 动作完全由操作人员通过主手进行控制。这种遥控机械手具有严重的 缺点：操作人员的劳动强度很大；在进行操作时，由于控制信号的时 延带来不稳定性。主从式遥控机械手已经为遥控机器人所取代。这种 机械手也有优点，在宇宙飞船、空间站外部空间距离近的地方仍可以 利用其反应快、触觉真实的特点进行时间较短的操作。 n 遥控机器人 遥控机器人是将遥控机器人和一定程度的自主技术结 合起来的机器人系统，机器人远地接收操作人员发出的指令进行工作。 现阶段，遥控机器人是最重要的一种空间机器人。它可以工作在舱内， 也可以工作在舱外，还可安装在空间自由飞行器上派往远离空间站的 地方去执行任务。 n 自主机器人 自主机器人是一种高智能机器人，具有模式识别和作 业规划能力，能感知外界环境的变化和自动适应外界环境，自己拥有 知识库和专家系统，具有规划、编程和诊断功能，可在复杂的环境中 完成各种作业，如火星探测机器人就属于自主机器人。
- 17.13.3 空间机器人的通信技术 13.3.1 空间机器人的深空通信 o 空间机器人和地面控制站的数据链路是通过深空通信网DSN （Deep Space Network）来完成的。 o 在深空通信中，下行链路的符号首先被调制在一个方波副载波 上，然后已调副载波再调制到RF载波上。这样可以传送与数据 频谱不重叠的残留载波频率分量，因此两者之间的干扰最小。 o 深空通信中提高信噪比的方法一般有以下几种方法： n n n n n n 深空网天线的设计 提高射频工作频度 提高发射功率 降低接受系统噪声温度 使用先进的编译码技术 采用好的信源压缩方法（如无损压缩法）
- 18.测控跟踪站的组成框图
- 19.13.3.2 空间机器人的深空通信的接收技术—天线组阵 o 利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列，接收来自同一 深空机器人的信号，并将各个天线接收的信号进行合成，从而 获得所需的高信噪比接收信号。这种方法称为天线组阵。 o 天线组阵可以增加天线等效口径，降低天线的指向误差，系统 可用性更高、维护灵活且工作可靠，可以减少用于备件的费用， 可以通过使用更小口径的天线来降低成本，天线组阵还可以提 高系统的可操作性和计划的灵活性。
- 20.o 天线组阵技术包括： o 全频谱合成：来自每个天线的中频（IF）信号被发送至合成站进行 信号合成。为了确保相关性，信号必须在合成前进行延迟和相位 调整。通常是通过信号流相关来完成修正延迟和相位的估计。 FSC的框图
- 21.o 复符号合成：来自每个天线的中频信号送至一台接收机，在这里 使用现有最佳载波预测进行开环载波跟踪。如果这种跟踪保持在 比符号率低得多的频率误差范围内，则可以完成副载波解调和符 号同步。这些复符号（因为载波未锁定）送至合成站进行合成。 为了确保相关性，在合成前这些信号必须进行相位调整。修正相 位的估计通常通过各信号流的相关来完成。 CSC的框图
- 22.o 符合流合成：接收机使用来自各个天线的信号来跟踪载波并完成 符号同步。符号同步后，相对于另一个数据流直接延迟一个数据 流，使符号在时间上对齐就比较简单。在判决给定比特（通过数 据译码从符号得到）是“+1”还是“-1”之间，以适当的权值合成 符号，形成一个“软”符号估计，即原始遥测数据。 符号流合成的框图
- 23.o 基带合成：来自每个天线的信号都是载波锁定的。载波环的输出 在基带频率上并且包括一系列副载波的谐波分量。该基带信号被 数字化、延迟、加权，然后进行合成。延迟偏移量通常由各天线 基带信号互相关得到。用合成的信号完成副载波锁定和符号解调。 如果没有副载波，则这种技术就变成了符号流合成。 基带合成的框图
- 24.o 载波组阵：在载波组阵中，每个阵元上的各载波跟踪环是“成对 的”，以提高所接收载波的信噪比，因而减少了单个天线上载波 锁定不良造成的“无线电”损失。 载波组阵的框图
- 25.13.4 空间机器人的应用 13.4.1 探测空间机器人 o 探测空间机器人主要用于对空间星体进行科学探测，发现新 现象和新物质，解释宇宙生成的奥秘。目前，人类所从事的 最成功的空间探测是火星探测，并且研制并实际使用了多种 火星探测空间机器人。 o 飞往火星的航天器主要包括由地球飞往火星的装备、着陆装 备和携带探测仪器的空间机器人，特别是着陆于火星表面的 航天器。下面介绍各个主要部分的特点。
- 26.着陆于火星表面的航天器
- 27.1 气囊 它的外壳包括的几个组件：1个降落伞、后壳电子组件和电池组、1个 惯性测量组合、3个被称为火箭助减系统的大型固体火箭发动机、3个 小型火箭称为横向冲击火箭系统等。 气囊用以确保航天 器在岩石或粗糙的 地形上着陆时得到 缓冲，并且在着陆 后能使航天器以高 速在火星表面弹跳。 更复杂的是，气囊 必须在着陆前数秒 膨胀，待安全着陆 后在瘪掉。 航天器的外壳
- 28.2 着陆器 着陆器是一个牢固且 轻的结构，由一个底 座及三片“花瓣”组 成金字塔形。着陆器 结构由复合材料制成 的梁和薄片组成。着 陆器的梁由石墨纤维 的碳基层编织成的织 物制成，这种材料比 铝轻，刚性比钢要高。 空间机器人通过螺栓 和特殊的螺母安装在 着陆器内，着陆后通 过小型爆炸使它松开。 着陆器
- 29.3 火星探测空间机器人 火星探测空间机器人是飞往火星的航天器的核心部分。目前，人类 已经在火星上使用了多种火星探测空间机器人。 “海盗号”火星探测空间机器人 “机遇号”火星探测空间机器人
- 30.“勇气号”火星探测空间机器人 “凤凰号”火星探测空间机器人
- 31.下面以“勇气号” 火星探测空间机 器人为例，介绍 火星探测空间机 器人的主要结构。 “勇气号”火星探测空间机器人的主要结构
- 32.o “勇气号”火星探测空间机器人的主要结构包括： 机体：机器人的机体 被称为热电子盒WEB （Warm Electronics Box）。机体是一层坚 硬的外壁，它能起到 保护机器人的计算机、 电子系统和电池（这 些都是机器人的心脏 和大脑）的作用。因 此，机体保护了机器 人的主要器官并实现 了温度控制。 热电子盒WEB
- 33.控制系统：机器人的计算机安装在机体内一个称为机器人电子模块 （REM）的里面。主计算机与机器人的设备和传感器通过总线来交换 数据。 机器人的轮子：机器人有6个轮子，每个轮子有自己独立的电动机。它 的2个前轮和2个后轮还有独立的转向发动机。 科学仪器：科学仪器主要包括：磁体排列\微型热辐射分光计MiniTES(Miniature Thermal Emission Spectrometer)、穆斯堡尔谱分光计、 射线粒子X射线分光仪（APXS）、磨石工具（RAT）等。
- 34.机器人的摄像机： “勇气号”机器人 有9个摄像机。包括： 避障摄像机（4个）、 导航摄像机（2个）、 科学探测全景摄像 机（2个）、显微镜 摄像机（1个）、测 定标定对象（它以 日晷的形式安装在 机器人的平台上）。 “勇气号”机器人上的摄像机布局
- 35.机器人的“颈和头”：在 “勇气号”机器人上看上去 像颈和头的装置被称为全景 摄像机桅杆头（Pancam Mast Assembly）。它有两个 作用：作为装在机器人内部 的微型热辐射分光计潜望镜、 全景摄像机和导航摄像机提 供一个适合的高度和视界。 机器人上的“颈”和“头”
- 36.机器人的手臂：机器人的手臂也叫工具执行装置（IDD）。该手臂具有 三个关节：肩、肘和腕。该手臂能够使工具操作延伸、弯曲和转动一定 精确的夹角，并能剔除岩石表层，拍摄微小图像，并分析岩石和土壤的 组成成分。装在机器人手上的4个工具是：微型摄像机、Mossbauer谱 分光计、射线粒子X射线分光仪和岩石研磨工具。 机器人的手臂
- 37.机器人的温度控制：火星探测空间机器人最重要的器件绝对不能超过-40 ~ 40C这个范围。通常保温的方法有以下几种：利用黄金涂料防止热量扩 散、防止热量扩散的绝热材料是“气溶胶”、通过加热器来保持温度、自动 调温器和热转换器、散热管等。 火星探测空间机器人的工作过程主要包括一下步骤： 开始通信准备 、 旋转太空船 、 开始传输音频信号 巡游舱脱离 、 “勇气号”进入火星大气层 展开减速伞 、 隔热屏脱离 、 登陆器脱离 雷达系统开始工作 、 降落成像器对火星表面拍照 开始向火星环绕检测卫星进行数据传输 、 气囊的膨胀 减速火箭推进器 、 绳索剪断和第一冲击发生 登陆器翻滚直到最终完全停止 、 通信尝试开始 关键的布置开始 、 开始向火星长期卫星传输信号 休眠
- 38.13.4.2 空间机器人航天器 o 空间机器人的主要作用是对在轨卫星进行外部监视，故障诊 断和维护，并可以保护己方卫星或攻击敌方卫星，代替宇航 员来完成一些舱外作业。 o 有关空间机器人航天器的研究和应用主要有以下实例： o AeroAstro在第十七届AIAA/USU小卫星年度会议上提出“护航 者”的概念，即在发射一颗大卫星时，同时从这颗大卫星上 释放出一个小卫星以监视大卫星的工作状况。这颗小卫星能 够自主靠近大卫星，并且能从任意角度、任意距离处对大卫 星进行拍照。
- 39.英国萨瑞(SURREY)大学的小卫星公司研制的SNAP-1纳卫星，重6.5kg， 能够为在轨卫星近距离拍照，于2000年6月28日在俄罗斯Plesestk人造 地球卫星发射基地与清华大学研制的“清华一号”卫星(50kg)和 “Nadezhda 6”卫星一起搭载Kosmos 3M火箭顺利发射入轨。SNAP-1 卫星在分离2s后首先在2.2m距离处对俄罗斯的“Nadezhda 6”进行了 拍照，接着又在9m距离处对中国的清华－1卫星进行了拍照，并把图像 传回了地面。 由美国空军主要负责的实验卫 星系统(XSS)微小卫星演示验 证项目，用于演示验证自主逼 近操作技术，如在轨检查、交 会和对接、重定位、逼近绕飞。 该项目的第一颗卫星是由波音 公司负责研制的XSS-10。 XSS-10卫星
- 40.由洛克希德.马丁公司研制的XSS-11卫星是该项目的第二颗星，也已经于 2005年4月11由minotaur-1火箭成功发射入轨。该星重约100kg，具备在轨 成像能力。截至2005年秋季，XSS-11卫星绕发射装置的扩展级飞行了75 圈。在任务期间，XSS-11卫星计划与位于同一轨道内的6～7个空间物体 进行自主交会，以验证其较高的自主飞行能力。 XSS-11卫星 XSS-11卫星在距离minotaur-1火箭0.5km处拍摄 的火箭上面级图片
- 41.由华盛顿大学的研究员和学生提出的Bandit太空飞行监视器，是25kg Akoya大学的纳星计划的一部分，一个1kg的监视器从母星上分离后，可 对母星进行监视。并且，这个监视器可以再返回到母星上进行补给以进 行下一次任务。这是SNAP1 和XSS-10所不具备的功能。 EDAS Astrium公司自1998年开始着手研制可自主飞行的多功能微小卫星 平台MICROS。它具有三轴稳定功能，质量为7公斤，直径约为230mm。 其在轨时间可达5年，在轨期间可以每月执行一次飞行任务，任务可持续 数小时。 MICROS可以在载人航天器或国际空间站附近执行绕飞监视、 辅助宇航员进行太空作业和进行环境监测等任务。MICROS具有三组成 像系统和环境探测系统，可以实现三轴稳定控制等特点
- 42.由清华大学、中国航天机电集团公司与英国萨瑞大学联合研制的“清 华一号”小卫星于2000年6月28日顺利发射入轨。该星重约50kg，具备遥 测照相功能，可对地进行光学成像观测。“清华一号”卫星的地面分辨率 为39m。 由清华大学研制的另一颗星“纳星一号” 已于2004年4月18日23时59分在西昌卫 星发射中心成功发射。该星是一颗高技 术探索实验卫星，旨在通过一些关键技 术的研究，开发纳型卫星平台并进行关 键载荷的搭载试验，完成航天高技术飞 行演示。 “清华一号”小卫星
