机器人技术课件：机器人的空间应用

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机器人的空间应用§10-1空间机器人应用概述§10-2在轨装配机器人§10-3星表探测机器人2§100-1空间机器人应用概述空间机器人应用概述:空间机器人最初被用于协助航天员在轨完成一些复杂的舱外操作。通过空间机器人代替宇航员出舱活动可以大幅降低风险和成本。图2苏联的月球16号图1人类第一个空间机械臂3§100-1空间机器人应用概述空间机器人的主要分类:在轨服务机器人在轨服务机器人主要承担燃料补给、轨道碎片清理、系统维修、空间态势感知等任务，可分为空间站舱内/外作业机器人和自由飞行机器人。空间站舱内/外作业机器人：一般是指安装并工作于空间站中，协助航天员完成各种任务的机器人系统，最典型的是安装在国际空间站上的大型机械臂。自由飞行机器人：一般是指机械臂安装在小卫星上的空间机器人系统。星表探测机器人星表探测机器人主要是指在行星表面、小天体或空间环境中开展探测活动的机器人，包括但不限于：无人/载人巡视探测机器人、行星勘探机器人、星表建造机器人等。4第10章机器人的空间应用§10-1空间机器人应用概述§10-2在轨装配机器人§10-3星表探测机器人5§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人:在轨装配是指在太空中将部件组装起来并构建成复杂空间结构的过程。目前在轨装配大体可分为“有人在轨装配”和“无人在轨装配”两种技术手段。在轨装配机器人发展过程6§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人:有人在轨装配人工操作方式通常只适用于轨道环境安全且工作强度较小的组装任务，不具有普适性。EMM机械臂支持神州-14宇航员进行在轨操作7§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人:无人在轨装配无人在轨装配则是通过空间机器人进行在轨装配，从而形成整个航天器或大型载荷结构。多种无人装配机器人8§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人分类:在轨装配机械臂随着空间机器人技术的不断发展与完善，机器人自主装配方式逐渐成为空间在轨组装的主要途径。1957年，美国成功完成“双子星座”的交会对接在轨验证，迈出了在轨装配技术的第一步。1992年，美国奋进号航天飞机给已偏离轨道的

IntelsatVI卫星在轨更换推进器。1993年，奋进号航天飞机首次对哈勃望远镜进行了在轨维修。2021年5月，中国空间站“天和”核心舱成功发射并实现在轨运行，位于舱体外的空间机械臂可以自主或协助宇航员完成太空舱外的在轨装配或系统维护工作。IntelsatVI卫星维修

哈勃望远镜维护天和机械臂9§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人分类:10§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人分类:仿生类在轨装配机器人2015年，美国劳拉公司在DARPA的资助下开展大型反射器在轨组装项目——“蜻蜓项目”的研究，期望在GEO轨道利用机器人实现大型射频天线反射器的安装与重构。如图1美国宇航局喷气推进实验室研发了LemurⅡ六足机器人，其腿部由6个4自由度的机械臂构成，利用该机械臂可以实现机器人的移动和装配操作，如图2西安电子科技大学李团结等人设计了一种腿臂融合型在轨装配机器人机器人的腿部由6个7自由度冗余机械臂组成。如图3NASA于2020年5月宣布，在轨服务、装配和制造任务OSAM-1已成功通过技术部门评估，将进入全面的硬件生产和测试阶段，并计划于2023年发射入轨。如图4图1图2图3图411§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:结构设计在轨装配机器人的构型直接影响其工作性能，合理的构型设计可以减少发射阶段的空间占用资源，降低系统复杂度，从而提高在轨作业的可靠性。明确在轨装配机器人的功能和性能需求，以便为其构型设计提供方向。为满足结构刚度和强度要求，需要选用具备高强度、高弹性模量、高韧性、低密度、低膨胀系数、低热导率和高电磁率等特点的特种材料。为了确保在轨装配机器人的各个核心部件能够满足极端苛刻的温度条件，还需要对其进行热防护。设计经验12§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配序列规划装配序列规划是确定机器人执行在轨装配任务时应遵循的零部件装配顺序和操作步骤的过程，装配序列规划是实现在轨装配自动化的关键，也是影响机器人装配效率的重要因素之一。装配序列规划的一般步骤零部件依赖关系约束条件优化策略将整个装配任务分解为更小的子任务。任务分解分析零部件之间的依赖关系和装配限制。空间约束和零部件之间的物理约束。采用优化算法或启发式方法确定最佳的装配序列。13§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配协同规划装配协同规划方法一般需考虑机器人之间的物理约束、动力学特性以及装配任务的优化目标，如最小时间、最小能耗等。目前的装配协同规划方法可以分为层次化协调和分布式协调这两大类。14§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配协同规划层次化协调方法层次化协调是通过设立一个主控制器或协调者来实现装配任务的规划和协调。主控制器负责分配任务给各个机械臂，并规划各个机械臂的无碰撞路径。15§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配协同规划分布式协调方法分散式协调是指每个机械臂本体都具有一定的智能和决策能力，机械臂之间可以通过消息传递、状态共享或协同学习等方式进行通信和协调。这种方式可以提高系统的灵活性和鲁棒性。16§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配控制1） 动力学和力控制：在装配过程中，需要对机器人的接触力和关节力矩进行控制，以确保机器人对零部件的施加力处于安全范围内。常用的力控制方法包括力反馈控制、阻抗控制和模糊控制等。17§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配控制2） 视觉引导和感知：利用视觉传感器和图像处理技术，对装配目标进行识别、跟踪和定位，以实现准确的装配操作。视觉引导和感知方法包括特征提取、目标检测和机器视觉算法等。18§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配控制3） 协同控制：在多机器人装配过程中，机器人之间需要相互通信和协作。常用的协同控制方法包括分布式协同控制、集中式协同控制等。19§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配控制4） 路径规划和轨迹生成：路径规划和轨迹生成的目的是根据装配目标和相关约束，生成满足装配要求的机器人轨迹，并将其转化为机器人执行装配作业的控制指令。20§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配控制5） 安全控制：在装配过程中，安全控制是至关重要的。机器人系统需要采取安全措施，以保护人员、零部件和设备的安全。安全控制主要包括碰撞检测、力限制和安全停止机制等。空间服务系统的虚拟机械臂和动态等效机械臂21§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人研究内容:装配控制6）位姿控制生成：位姿控制是通过传感器和执行器，实时监测和控制机器人的装配位姿，以确保装配操作的准确性。常用的位姿控制方法包括PID控制、模型预测控制和自适应鲁棒控制等。西安电子科技大学李团结等人提出了一种基于非线性模型预测控制（NMPC）的姿态控制方法，其工作原理如图所示非线性模型预测控制流程图22§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人发展趋势：多机器人协同在轨装配空间机器人正在从单一机器人系统向多机器人协同系统发展,需要机器人具备多种协作能力如人-机协作、机-机协作等此外，未来空间机器人还需具备，具备人脑控制、语音控制、眼动控制等智能交互能力。机械臂协同卫星装配23§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人发展趋势：环境感知与自主决策在轨装配机器人需要具备对太空极端环境中的物体进行多源信息感知的能力。同时，机器人在执行装配作业时，还需要具备自主决策、故障诊断、自主修复和自主学习等能力。NASA-R2人形空间机器人24§10-2在轨装配机器人在轨装配机器人发展趋势：功能多样化的在轨装配机器人大型空间结构的几何尺寸往往可以达到数百米甚至上千米，例如巨型桁架结构、高精度光学设备、空间太阳能电站等。为了实现这类空间结构的在轨构建，机器人需要具备远距离转移和移动能力，高精度作业的操作能力，自主充电和电源管理能力，以确保机器人能够满足任务的需求。25第10章机器人的空间应用§10-1空间机器人应用概述§10-2在轨装配机器人§10-3星表探测机器人26§10-3星表探测机器人星表探测机器人:除了在轨装配机器人外，还有一类空间机器人被用在行星表面进行科学研究，这类机器人被称为星表探测机器人。它们通常具有良好的机动性和适应性，能够在极端恶劣的环境中工作。轮式星表探测机器人足式星表探测机器人球形星表探测机器人张拉整体式星表探测机器人星表探测机器人分类:27§10-3星表探测机器人星表探测机器人分类:足式星表探测机器人足式星表探测机器人是用于在行星或卫星表面开展环境探测任务的一类仿生机器人，其运动和稳定性主要依赖于腿部或足部的设计。瑞士苏黎世联邦理工学院和苏黎世应用科技大学联合研发的四足机器人SpaceBok，其配备了高功率密度的力矩电机作为关节驱动单元，腿部一体化弹簧可以有效地缓解四足机器人足端着地时的冲击力和高频响应。英国的Spacebit公司研发了一款四足月球探测机器人，如图所示。Spacebit机器人重量仅有1kg，具有4条机械腿，具备多种运动模式和一定的跳跃能力。28§10-3星表探测机器人星表探测机器人分类:轮式星表探测机器人轮式星表探测机器人的运动稳定性主要依赖于轮子的设计。日本宇航科学研究所和明治大学联合研发了五轮机器人Micro5Micro5搭配了五点悬吊结构，有较强机动性，能够辅助巡逻与越障。日本戴蒙公司与美国太空机器人技术公司计划在2024年研发Yaoki月球巡视机器人好奇号于2012年8月6日成果登陆火星伊奥利亚沼。到目前为止，这辆火星车已经行驶24.4公里，拍摄了约76.5万张火星表面的图像。29§10-3星表探测机器人星表探测机器人分类:轮式星表探测机器人轮式星表探测机器人的运动稳定性主要依赖于轮子的设计。30§10-3星表探测机器人星表探测机器人分类:球形星表探测机器人球形星表探测机器人是用于在行星或卫星表面进行地质勘探和岩石研究的机器人。这些机器人通常具有球形外形和灵活的驱动系统，以适应复杂多变的行星表面环境。SPHERES机器人TumbleweedRover机器人西安交通大学研发的智能全地形球形机器人西安电子科技大学研发的球形机器人31§10-3星表探测机器人星表探测机器人分类:张拉整体式星表探测机器人张拉整体式星表探测机器人是一种根据张力结构原理所设计的机器人，通过张拉和松弛部件来实现机器人的运动和变形。这种设计使机器人能够适应不同的表面和地形，并有效躲避环境障碍物。TensegrityRobot是美国喷气推进实验室开发的一款张拉整体式机器人。其由6根刚性杆、24根弹性索和12个执行器组成，是目前世界上最复杂的张拉整体机器人。SuperBallBot是一种基于张拉整体结构的星表探测机器人。其具有成本低、可靠性高的特点，可以在不规则地形中滚动行走，并通过改变形状来适应不同的环境。32§10-3星表探测机器人星表探测机器人研究内容：定位与导航技术星表探测机器人定位与导航技术（LocalizationandNavigation）是指机器人在星表探测过程中能够自主定位和导航。这些系统对于确保机器人能够在未知或危险地形中安全行驶至目标地点至关重要。33§10-3星表探测机器人星表探测机器人研究内容：自主避障与路径规划技术自主避障与路径规划技术（AutonomousObstacleAvoidanceandPathPlanning）是指机器人在行进过程中能够自主感知、分析和规划路径，以避开环境障碍物并有效地达到目标位置的技术。34§10-3星表探测机器人星表探测机器人研究内容：机械臂与末端工具操作技术机械臂与末端工具操作技术（RoboticArmandToolManipulation）是指利用星表探测机器人所搭配的机械臂和各种末端工具来实现精确操作的技术。35§10-3星表探测机器人星表探测机器人研究内容：通信与数据传输技术通信与数据传输技术（CommunicationandDataTransmission）是指在行星探测任务中，星表探测机器人与地面或其他控制中心之间进行信息交流和数据传输的技术。火星车-无人机-卫星联合通信36§10-3星表探测机器人星表探测机器人研究内容：能源管理与供应技术能源管理与供应技术（EnergyManagementandSupply）可为星表探测机器人提供持续可靠的能源，并进行有效的电源管理。有效的能源管理和供应技术可以确保机器人在任务期间稳定持续的运行。毅力号火星车动力源37§10-3星表探测机器人星表探测机器人研究内容：环境适应与保护技术环境适应与保护技术（EnvironmentalAdaptationandProtection）是指机器人在恶劣的星表环境中适应和保护自身的技术，如热防护、尘埃过滤和辐射屏蔽等。祝融号太阳能光-热转换与蓄能系统布局图38§10-3星表探测机器人星表探测机器人发展趋势：自主性和智能化未来星表探测机器人需要具备更强的自主性和更高的智能化水平，这包括环境感知、自主决策、路径规划等方面的能力，以便在与地球通信受限的情况下最大程度的完成任务，减少对地球控制中心的依赖。人工智能的发展将有助于提高机器人的自主性和智能化水平。小样本数据训练问题:如何在有限的计算资源和能源条件下提高机器人自主性成为亟待解决的问题之一。自主决策和学习问题:面临在复杂空间环境下难以自主决策和学习的问题。自适应调整和优化问题:如何实现机器人在不同任务场景下的自适应调整和优化成为提高其自主性和智能化水平的关键问题之一.目前的研究存在以下问题39§10-3星表探测机器人星表探测机器人发展趋势：机动性和适应性为了适应不同种类的星表环境，未来星表探测机器人需要具备更高的机动性和适应性。例如开发新型的行走、爬行或飞行机构，以适应不同的地形和环境。并优选合适的材料，确保机器人能够在恶劣条件下正常运行。机构设计：如何设计和制造适应多种地形和环境的行走、爬行或飞行等机构。LRU平台顶部和侧视图40§10-3星表探测机器人星表探测机器人发展趋势：机动性和适应性为了适应不同种类的星表环境，未来星表探测机器人需要具备更高的机动性和适应性。例如开发新型的行走、爬行或飞行机构，以适应不同的地形和环境。并优选合适的材料，确保机器人能够在恶劣条件下正常运行。结构设计：如何在保证机器人性能的同时，降低其重量和体积，以便发射和运输。41§10-3星表探测机器人星表探测机器人发展趋势：机动性和适应性为了适应不同种类的星表环境，未来星表探测机器人需要具备更高的机动性和适应性。例如开发新型的行走、爬行或飞行机构，以适应不同的地形和环境。并优选合适的材料，确保机器人能够在恶劣条件下正常运行。新型材料研制：如何研制合适的材料，以提高机器人在极端环境下的耐用性和可靠性。42§10-3星表探测机器人星表探测机器人发展趋势：多机器人协同通信和网络：多机器人之间需要可靠的通信来实现协同作业。在星表探测任务中，受到远距离和复杂地形的影响，机器人相互通信是一个技术挑战，需要解决通信延迟、信号干扰、高带宽需求等问