第五部分机器人应用之五---空间机器人

1、空间机器人空间机器人的定义和发展历程空间机器人的定义和发展历程空间机器人的特点和分类空间机器人的特点和分类空间机器人通信技术空间机器人通信技术空间机器人的应用空间机器人的应用空间机器人的定义和发展历程空间机器人的定义和发展历程定义定义 从广义上讲，一切航天器都可以成为空间机器人，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。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

2、有一定智能的各种机实验、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。械手、探测小车等应用设备。 空间机器人所从事的工作主要包括：空间机器人所从事的工作主要包括： 空间站的建设空间站的建设 航天器的维护和修理航天器的维护和修理 空间生产和科学实验空间生产和科学实验 星球探测星球探测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空间机器人的发展历程空间机器人的发展历程 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空间机器人在美国的发展 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。 2

3、0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。机遇号：03.7发射，04.1火星凤凰号：07.8发射，08.5火星北极着陆好奇号：好奇号：11.11发射，发射，12.8火星火星耗费：耗费：25亿美金亿美金2 空间机器人在加拿大的发展空间机器人在加拿大的发展加拿大航天局在空间加拿大航天局在空间机器人项目中为美国机器人项目中为美国航天飞机设计遥控机航天飞机设计遥控机械臂（械臂（RMS）。加拿）。加拿大同时开展的项目还大同时开展的项目还有针对空间站研制的有针对空间站研制的MSC，即具有双臂灵，即具有双臂灵巧操作手的可移动作巧操作手的可移动作业中心。业中心。加拿

4、大臂加拿大臂DextreDextre3 空间机器人在日本的发展空间机器人在日本的发展 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。日本东芝公司研制的火星探测机器人 2013年8月前往国际空间站4 空间机器人在俄罗斯的发展空间机器人在俄罗斯的发展 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

5、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。 玉兔号 2013年12月，超期7个月空间机器人的特点和分类空间机器人的特点和分类空间机器人的特点空间机器人的特点1 高真空对空间机器人设计的要求高真空对空间机器人设计的要求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微重力或无重力对空间机器人的设计要求微重力的环境要求所有的物体都需固定，动

6、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极强辐射对空间机器人的要求在空间站内的辐射强，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。4 距离遥远对空间机器人的设计要求距离遥远对空间机器人的设计要求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

7、差大对空间机器人设计的要求真空温差大对空间机器人设计的要求在真空环境下，不能利用对流散热，在空间站内部的温差为-12060，在月球环境中的温差为-230130，在火星环境中的温差为-13020。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。 除了以上空间环境对空间机器人设计所提出的要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求外，空间机器人还具有如下特点： 可靠性和安全性要求高可靠性和安全性要求高 机载质量有限且成本昂贵机载质量有限且成本昂贵 机载电源和能量有限机载电源和能量有限空间机器人的应用空间

8、机器人的应用探测空间机器人探测空间机器人 探测空间机器人主要用于对空间星体进行科学探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。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测，并且研制并实际使用了多种火星探测空间机器人。器人。 飞往火星的航天器主要包括由地球飞往火星的装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。别是着陆

9、于火星表面的航天器。火星探测空间机器人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“勇气号”火星探测空间机器人“凤凰号”火星探测空间机器人“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构火星探测空间机器人的主要结构“勇气号勇气号”火星探测空间机器人的主要结构包括：火星探测空间机器人的主要结构包括：机体机体：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控制系统：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

10、人的轮子：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：科学仪器主要包括：磁体排列微型热辐射分光计、穆斯堡尔谱分光计、射线粒子X射线分光仪、磨石工具等。机器人的摄像机：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。“勇气号”机器人上的摄像机布局机器人的机器人的“颈和头颈和头”：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。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

11、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”机器人的手臂：机器人的手臂：机器人的手臂也叫工具执行装置。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。机器人的手臂空间机器人航天器空间机器人航天器 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。 AeroAstro在第十七届AIAA/USU小卫星年度会议上

12、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。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发射入轨。该星重约100kg，具备在轨成像能力。在任务期间，XSS-11卫星计划与位于同一轨道内的67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 新一代太空机器人的自主决策能力更强，可以更为独