十七、漫话空间机器人

或许电影《星球大战》中机器人的喊杀声仍不绝于耳。或许航天飞机上机械臂回收昂贵通讯卫星的电视画面仍历历在目。机器人在人们的心中泛起层层涟漪。它们有的与人类真假难辨，有的则与人类截然不同。然而，“空

间机器人”则是它们共同的名字。纵观人类文明发展史，生产力的每次革命都是以新型生产工具的出现为标志的。延伸人类体能的工具早已问世，延伸人类智能的工具也已崭露端倪，而机器人则是将超人体能与智能集于一身的“工具”。随着科学技术的发展，该“工具”是否能永远做人类的工具，众说纷纭，本文不做讨论。在当今开发和利用资源和空间商业化的新时代，空间环境的微重力、强辐射、高真空（超洁净）、大温差等特点正是不可多得的宝贵资源，但同时也是人类血肉之躯难以逾越的障碍。应运而生的空间机器人已活跃在这个领域之中，并且将发挥越来越重要的作用。

空间机器人是工作于太空的多自由度智能机器。它除了具有仿人的智能和体能之外，还具有鲜明的空间特色。比如航天飞机上的六自由度机器人，臂长为 15 米，自重 400 千克，它在地面上软弱无力，连自身都无法抬起，一旦位于太空环境，就可举起几十吨的物体。

功能和分类

在空间设施的初期建造阶段，需完成大量的舱外作业。这些任务的特点是繁重、危险、重复性大，适合于空间机器人完成。如果让宇航员去完成这些舱外作业，就会受到强烈宇宙射线的威胁，而且真空环境下的一点疏忽还会带来生命危险。专家估计，自由号空间初级阶段的多半舱外组装任务将由空间机器人完成。在人类几十年的航天活动中，已经向太空发射了近万件航天器，其中一部分因发生故障而丢弃。这一方面是巨大的经济损失，另一方面这些损坏的航天器及其大量碎片也会对新发射的航天器构成威胁。所以，利用空间机器人对航天器进行维修和回收，可以说一本万利，已经得到各国的重视。空间生产可以说是开发空间资源的最终目的，利用高真空环境可进行超洁净加工，生产出高纯度的药品和半导体材料等。但生产过程外界的干预，而人的存在势必降低环境的洁净度，所以需要机器人出场。

空间机器人在空间可进行如下内容：

空间设施建设与维修——安装无线电天线、太阳电池帆板，组装大型桁架和舱段，有毒和危险品的处理等；卫星的补给——维修和回收照相胶片、氮气、燃料、冷却剂的定期补充，对危险部件的就地修理及故障卫星的回收等；空间生产与科学实验——药品提纯、晶体生长、合金融炼、超净加工及无容器化学实验等科学实验；为宇航员服务——救生、物资补给、废物回收。

按照不同的标准，对空间机器人做如下分类：

根据在空间的位置分为 5 种：近地轨道（LEO）机器人——距地面300～500 米；静地轨道（GE O ）机器人——距地面 36000 千米；月球机器人

——月球表面；行星机器人——火星、金星、木星；深宇宙机器人——彗星及太阳系之外。

根据在空间舱的内外可划分为：舱内活动机器人（IVA）及舱外活动机器人（EVA）两种。

（ 3 ）根据控制方式分为：主从式遥控机械手（ Master/Slave Teleoperator ）、遥控机器人（ Telerobott ）和自主式机器人

（AutonomousRobbot）3 种。国外空间机器人概况

在空间机器人方面，领先的国家或组织有美国、日本、欧洲、加拿大和前苏联。

美国的空间活动与空间机器人是密不可分的。早在 1967 年，“海盗”号

火星着陆器就对火星土壤进行了分析，以寻找生命迹象。此外，还有人所共知的阿波罗登月车。1985 年 4 月，美国宇航局（NASA）在向国会提交的一份报告中指出：在空间站时代，广泛应用高级通用自动化和机器人技术至关重要。自动化和机器人技术将大大加强空间站的能力。同时空间站又将提供巨大的推动力，加速人工智能和机器人技术的发展历程。兰利（Lanley）公司正在研制一种名为 Space Telerobot 的舱外作业机器人。其特点是，末端操作器上带有高级遥控现场（TelePresece）装置，多臂协同操作，配有工具夹和供货盘，由现场的专家系统控制完成任务。一种与工业用 PUMA 机器人相似，名为“空间万能机械手”的通用空间机器人，正在研制过程中。

被称为“工业机器人王国”的日本十分重视空间机器人的开发。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，可用于舱段组装，支持舱内宇航员完成各种实验任务，更换实验仪器和实验材料等。专家估计，日本将在 1995 年研制出高精度、多功能机械手，并安装于在轨航天器中使用。

到 2010 年，日本将研制出在太空中行动自如、完全自主的智能空间机器人。欧洲的德国、意大利、荷兰等国家目前正联合研制空间机器人。德国研

制的 ROTEX 机器人，装有多传感器智能手爪，具有七个自由度，装有推进装置，以执行舱外任务。

以自由号空间站为应用目标，加拿大研制的移动式机器人服务系统

（MSS）和专用灵巧操作器（SPDM）已接近实用阶段。

前苏联曾利用空间机器人协助宇航员完成航天器的交会对接任务和燃料加注任务，令世界各国瞩目。

我国空间机器人现状与前景 1987 年，我国正式立题开始空间机器人的研究，“七五”期间进行了卓有成效的工作，研制成功碳纤维复合材料机械臂；解决了真空条件下机器人关节润滑问题等一系列科学技术重大课题。“八五”期间的工作目标是研制“空间智能机器人地面实验综合平台”，为空间机器人的实验应用打下基础。该平台具有自主和摇控功能、空间视觉系统和多传感器融合功能以及空间操作功能。以满足空间机器人及其关键技术地面模拟实验，和上天之前仿真检验的要求。

从技术角度看，我国已具备空间机器人研制条件：首先，我国已向太空发射了十几颗卫星，对太空环境有较深入的了解和研究；其次，通过长时间的航天活动，在原材料、电子部件、机械结构以至整个系统的应用方面都已积累了丰富的经验，并掌握了可靠的空间应用资料；第三，我国仍在继续发射卫星，因此具有对空间机器人的关键部件及整机进行搭载实验的条件。

我国已成功地发射了多颗返回式卫星，利用它们可以进行科学实验、加工生产各种新材料、新药品等。空间机器人则是完成各种实验和加工操作任务的最佳选择。我国置身于世界空间大国之列，为了在未来的空间活动中发挥应用的作用，获得巨大的科学、经济和社会效益，加速我国自己的空间机器人研究工作已刻不容缓。