大显神威的空间机器人

21 世纪太空科技工业的迅速发展，带动了空间机器人事业的发展，

并逐步担任主角，人将退居二线。据科学家估计，建造一个 500 万千瓦

的空间太阳能电站，需要 600 多人在空间工作半年时间，其中 100 多人在低轨道空间基地工作，其余的则到地球同步轨道空间基地上去工作。并且还需要建立一支空间基地及发电系统的维修保养队伍。可以想象， 未来的太空开发活动，将需要大量的人去完成。

在以往的太空开发中，航天员已经创造了许许多多的奇迹，如登陆月球、舱外捕获失灵的卫星、太空修理哈勃望远镜。但是，这些活动究竟花了多少代价却鲜为人知。开发和利用空间的前景虽十分美好，但要使人类能在太空中停留，就必须有庞大而复杂的生命保障系统、环境控制系统、物资补给系统、救生系统等，而这些系统耗资惊人。据科学家预估，永久性载人空间站，其中生命保障系统、居住系统和航天员舱外活动系统三部分的体积约占核心舱总容积的 16％，功耗占空间站总功耗的 25～38％，研制费占总经费的 20％。另据估计，为了保证航天员在太空中活动，每个航天员每天约花费 50～100 万美元。

如此看来，开发太空决不能象在地面工厂那样，将成千上万的工程技术人员和工人送往太空，去从事各种空间材料加工、空间生产、空间装配、空间修理等作业。唯一解决的办法，就是招聘大量的机器人，把他们送上太空取代人类，使之成为劳动的主力军，成为航天员的得力助手。在太空中人和机器人的作用，可用人体来形象的加以比喻，机器人好比人的四肢和躯体，由他们完成各种各样的繁重工作，而人的作用则相当于大脑，指挥和监控着所有的机械活动。要使太空科技工业具有最高的生产率，最低的运行费用，一种最为有效的途径就是在人的监控下， 将机器人和高度自动化系统结合起来，组成高可靠、高效益的人—机混合系统。

众所周知，机器人是一种通用机械系统，他象人一样，可以在事先未知的环境条件下完成各种各样的任务，具有对外界环境的感知、推理、判断和决策的功能。但是，人们也早已意识到并非所有的机器人都能到太空中去工作，因为空间环境与地面环境有着天壤之别。空间机器人工作在微重力、高真空、超低温、强辐射、照明差的环境里，因此，空间机器人与地面机器人有着很大的差别。在失重状态下，只要加速度不太大，纤纤细手也可挪动庞然大物。比如，航天飞机上的遥控机械手，是用复合材料制成的 6 自由度的机械臂，长达 15 米，自重 400 千克，在地面上软弱无力，连自身重量的物体都抬不起来，然而，一到太空却能举起几十吨重的载荷。在失重状态下，只要对物体稍加推动，它将立即飞走，这给操作带来诸多不便，特别是给视觉识别带来麻烦。例如，在地面上，放在工作台上的物体总是以固定面朝向视觉镜头，而在太空，漂浮的工件可以任何方位朝向镜头。这样空间机器人就必须具备三维视觉系统，还需配以特殊的标志码来识别物体及其方位。要求手指能灵活地选择所要抓取的方位上的物体，并带有接近觉、触觉、滑动觉、力觉等智能传感器，以便配合视觉系统来完成操作任务。在失重状态下，任何物体包括机器人本身都是处在漂浮状态，这样空间机器人必须是多臂

型。一只固定用手臂抓牢某个结构件而稳住自身，一只操作手臂稳住工件，另一只操作手臂用来完成操作任务。在高真空条件下，空间机器人的活动关节，与地面上的机器人活动关节也有本质上的差别，它需要采用固体润滑，并且要解决高真空条件下的金属冷焊问题。由于空间的微重力环境，操作手的动力方程与地面有较大差异，因此空间机器人是一种特殊形式的机器人。

被选聘到太空工作的空间机器人，除了要能适应空间环境，还必须具备体积小、重量轻、挠性大；智能高、功能全、多臂型；微功耗、长寿命、高可靠等特性。空间机器人在太空主要从事的工作是：空间建筑与装配；卫星和其它航天器的维护和修理；空间生产和科学实验。

空间建筑与装配是空间机器人的一大任务，尤其是在空间建设的初期阶段。一些大型结构件，如无线电天线和太阳能电池帆板的安装，大型桁架及各舱段的组装等舱外活动，都离不开空间机器人。空间机器人去舱外将承担大型构件的搬运，构件与构件之间的连结紧固，有毒或危险品的处理等一系列任务。据估计，空间建筑一半以上的任务，将落在能舱外活动的机器人身上。舱外活动机器人的特点是，在其末端操作器上带有高级遥现装置，可多臂协同工作，并配有工具夹和供货盘，由现场的计算机和专家系统给出工作指令，完成各种建造任务。

随着空间活动的不断深入，人类在太空中的财产越来越多，截至 1994

年底，世界各国已向太孔发射了 4500 多个航天器，其中人造地球卫星约占 90％。这些卫星一旦发生故障，丢弃它们再发射新的卫星，一是很不经济，二是增加了空间垃圾，因此必须设法加以修理。利用空间机器人将出现故障的卫星，从轨道上抓回来，带到空间站上去修理，然后再用辅助火箭或轨道机动飞行器，将修复的卫星放回太空轨道上。倘若有的航天器不能带回空间站修理，大多利用智能机器人乘坐自由飞行器去执行任务，对某些部件进行拆卸和再组装，或者对构件进行切割和焊接。有很多航天器，为了延长它的工作寿命，需要不断补给被消耗的物资， 如照相胶片、氮气、燃料、冷却剂等，这些物资中，有的是有毒物质， 有的则具有强腐蚀性，有的低温冷冻，在失重状态下很难处理。派舱外服务机器人去执行这些任务，既经济，又安全。舱外服务机器人携带全向天线，以便与空间站保持通信。还带有激光雷达和彩色立体视觉系统， 用以导航和目标识别。手指上装有触觉传感器、滑觉传感器、接近觉传感器，腕臂上装有力觉传感器，用以增加操作的灵活性和精确程度。体内可携带工作所需的工具、元器件。需要时可乘坐喷气背包飞离空间站去执行各项任务。舱内机器人主要为科学有效载荷服务，因此，应按照实验的要求来选择机器人，可供选择的品种是很多的。他们不仅要执行应急和修理任务，而且要执行象添加反应物、产品收获、中间采样分析、搜集各种样品等一类的任务。

舱内机器人的存在大大减轻了航天员的劳动强度和紧张情绪，并可

在航天员离开现场时作为替补参与工作。有一种被命名为蜘蛛王的小型舱内机器人，通过 1 组 8 根凯夫拉绳与机器人的工作环境相连接。这些凯夫拉绳从蜘蛛王身躯的边角延伸到工作空间各个触点上。通过增大或减小特定绳的拉力，机器人便可在整个工作间内移动，其位置精确度和重复率高得令人吃惊。

不言而喻，空间机器人在太空科技工业生产活动中，无论是提高安全性方面，还是提高生产效率和经济效益方面，都起着难以估量的作用。随着航天活动的不断深入，空间机器人必将得到新的发展。在不久的将来，当人类重返月球、飞向火星，飞出太阳系之际，空间机器人将以崭新的面貌大显神威！