空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点,讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法,论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法,重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术;并针对未来空间装备巨型化趋势,介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。     

机器人航天员双臂操作仿真系统的研究与实现

针对机器人航天员复杂操作场景下的任务规划和仿真验证问题,基于仿真模块集成化的设计思想,集成通信模块、任务调度管理模块、路径规划模块、力控制模块、碰撞检测模块、双臂3D几何模型,通过OSG建立了实体模型及仿真场景,并建立插拔、抓握、对准、旋拧、搬运、转移等典型操作库,实现了机器人航天员双臂多种复杂操作任务的仿真。最后,通过机器人航天员搬运物体任务仿真实现双臂协调操作任务规划的仿真,验证了该系统的有效性和任务规划验证的合理性。     

机器人在轨装配无标定视觉伺服对准方法

针对在轨装配过程中机器人"手眼"关系无法进行有效标定及机器人系统和被操作物惯性参数不定的情况,在传统的无标定视觉伺服基础上设计了深度估计器,基于机器人和图像运动的测量数据在线估计目标特征的深度值,并在机器人关节控制环中设计滑模控制器实时控制机器人关节运动,根据反馈图像信息纠正系统误差完成对准跟踪,通过仿真验证了方法的有效性。所提的无标定视觉伺服对准方法使机器人在装配过程中免去了复杂的"手眼"关系的标定程序,克服了机器人系统及被操作物惯性参数不确定性给装配精度造成的影响,提高了"手眼协调"的鲁棒性,保证机器人能够在复杂的太空环境下完成在轨装配任务。     

一种大型载人航天器的情景照明系统设计

现阶段航天器照明系统主要以满足工作照明需求为目的,并未充分考虑航天员长期在轨的生理和心理因素。针对这一问题,提出了一种可以应用于空间站舱内LED情景照明系统方案。从总体方案、场景模式、光源和控制、通信及软件框架进行了方案设计及阐述,并对方案进行了试验验证。初步结果表明,该情景照明系统更加符合人体生理和心理需求,能够实现远程控制,有望提高航天员在轨舒适度,提高空间站任务效能。     

SJ-17卫星LHT-100霍尔电推进系统飞行试验工作性能评价

为了验证霍尔电推进系统的空间环境适应性、与航天器的相互兼容性、空间工作特性及空间飞行性能与地面数据的差异性,LHT-100霍尔电推进系统搭载SJ-17新技术验证卫星开展了在轨飞行试验,对霍尔电推进系统在轨飞行试验结果进行了详细评价。结果表明:在整个飞行试验期间LHT-100霍尔电推进系统各项工作性能参数符合设计指标要求,其中推力79.5m N,比冲1531s,系统功率低于1.527k W,单次长时间工作8h,在轨系统开关机次数大于24次,在轨累计点火时间超过3028min,在轨飞行试验数据与地面试验数据具有很好的一致性。     

多关节脚限位装置机构设计与仿真分析

对在空间微重力环境下,通过连接空间机械臂来固定和支撑航天员在轨维修操作的多关节脚限位器装置进行研究。多关节脚限位器装置限制航天服的靴子防止航天员脱离脚限位器,同时为航天员在轨维修操作提供多个自由度的调节范围。对多关节脚限位器装置的多关节结构进行设计与分析,针对某些特定动作进行运动学仿真,并进行试验验证。此外,还对关节运动范围进行了分析,使用Adams软件对载荷限制单元防冲击载荷与缓慢变化载荷的能力进行了仿真分析。     

面向空间站在轨服务的人机系统概念设计

针对航天员与空间机器人组成的人机系统,对航天员与机器人的定位和关系进行了分析,根据我国空间站未来舱内外平台运营维护及载荷设备照料对人机系统的任务和功能需求,提出了一种以构型及操作特点与航天员类似的四臂拟人机器人为基础的新型人机系统,并从机器人的机构构型、控制模式及人机交互手段等方面对人机系统进行了概念设计。可为我国空间站后续运营维护手段的配置提供有益参考。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

空间机械臂水下试验及其关键技术综述

为配合航天员出舱活动训练以及在中性浮力环境中验证空间机械臂的相关任务和功能,需开展空间机械臂的水下试验工作。对加拿大I臂、Ranger项目、Eurobot欧洲号机器人等国际空间机械臂水下试验情况进行了调研,提炼出水下密封技术、水下接口湿式插拔技术、中性浮力配平技术、水动力特性仿真技术、水压传动与关节设计技术等关键技术,为我国空间机械臂后续开展水下试验工作提供参考和借鉴。