硬核科普中国空间站的航天员还没去？太空机器人先行一步

　　2021年4月29日11时23分，中国＂长征＂5B运载火箭搭载中国首个空间站核心舱＂天和＂号发射成功，迈出了中国空间站在轨组装建造第一步。
　　现场发射图
　　＂天和＂核心舱是中国空间站发射入轨的首个舱段，明年才会择机发射＂问天＂实验舱和＂梦天＂实验舱，完成空间站三舱组合体在轨组装建造。
　　虽然在建成之前就会有航天员搭乘＂神舟＂飞船进驻核心舱，但在 航天员暂时还没有去空间站的这段时间，我国自主研发的太空机器人已经先行一步抵达太空执行任务 。
　　中国空间站构想图
　　上海航天技术研究院高级技术顾问、上海交通大学机械动力工程学院教授孟光等人在我国最硬核的航空航天学术期刊《航空学报》2021年第1期＂空间机器人＂专刊上发表了一篇综述《空间机器人研究进展及技术挑战》。
　　文章详细介绍了国际空间站机器人、中国空间站机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状，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的关键技术难点。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。
　　以下，小编从这篇论文中摘录出国际空间站舱内外的空间机器人和中国空间站中的空间机器人主要类型及特征，与各位航天爱好者和从业者分享。
　　01
　　什么是空间机器人？
　　空间机器人，作为一种典型的智能操作系统，其应用正逐渐改变航天运输、在轨建造、在轨维护、星球探测的传统模式，是未来无人、载人航天任务的重要使能手段之一。在载人航天探索活动中，空间机器人担任了载人前的探路者、载人活动中的助手、载人活动后的维护者的角色；在无人航天科学探索活动中，机器人可以有效扩展了人类的活动和操控范围。
　　NASA研发的R5仿真机器人（来源：NASA）
　　02
　　国际空间站中的空间机器人
　　国际空间站是目前空间机器人系统应用较多、较成功的领域，舱外配备了加拿大机械臂、日本实验舱机械臂、灵巧机械手等，舱内开展了机器人宇航员等机器人验证，形成了大中小多规格、舱内外全范围、工程应用与技术验证并重的立体化配置格局。
　　国际空间站（来源：Wikipedia）
　　航天飞机遥操作机械臂（Shuttle Remote ManipulatorSystem, SRMS）是世界上第一个实用的空间机械臂，由加拿大MDA公司研制，因此也被称为加拿大机械臂Ｉ（Canadarm）。
　　加拿大机械臂Ｉ（来源：Wikipedia）
　　SRMS在1981年STS-2任务中首次被使用，1990-2002年间实现了哈勃望远镜的多次在轨维修，1998年实现了在国际空间站美国＂团结号＂节点舱与俄罗斯＂曙光号＂首次组装任务。SRMS主要用于物资搬运、辅助航天员出舱活动和航天飞机在轨检测等任务。
　　航天飞机遥操作机械臂及其首次空间站在轨组装任务图
　　国际空间站移动服务系统（Mobile Servicing System,MSS）是国际空间站上最复杂的机器人系统，由移动基座系统（MBS）、空间站遥控机械臂（SSRMS）、末端灵巧机械手（SPDM）及移动传输器（MT）４个部分组成）。MSS的主要任务是辅助空间站在轨组装、大型负载搬运、ORU更换、航天员舱外活动辅助、空间站辅助维修等。
　　MMS 组成示意图
　　SSRMS机械臂（也被称作Canadarm2）于2001年由宇航员在轨安装，7个自由度，在太空可以实现类似人类手臂的运动能力，3-1-3构型形式，展开长17.6 m，末端定位精度65mm，负载116000 kg。SSRMS配置了4台相机，分别安装于肘部臂杆两端及末端两端。机械臂两端均安装锁合末端效应器，具备＂尺蠖＂式的跨步移动能力，可覆盖较大的工作范围。
　　宇航员在Canadarm2的末端（来源：Wikipedia）
　　灵巧机械手SPDM于2008年发射进入国际空间站，包含一个躯干和两个机械臂，机械臂7自由度，展开长度约3 m，末端定位精度可达到13 mm；末端安装载荷更换工具，可配备多种不同类型的操作工具，具备开展一些精细操作的能力。
　　SPDM（来源：Wikipedia）
　　2011年，NASA和加拿大航天局利用SPDM合作开展了机器人燃料加注演示任务，实验中灵巧机械臂SPDM利用特制的工具，演示了全套的卫星维修和燃料加注任务。
　　机器人在轨加注任务
　　日本实验舱机械臂JEMRMS是安装于国际空间站日本实验舱的机器人系统，于2009年随JEM在轨组装完成。JEMRMS由主臂、小型灵巧臂和控制站组成。
　　日本实验舱机械臂的主臂及小型灵巧臂
　　主臂展开长度10m，6自由度，臂杆采用碳纤维加强材料，肘部及腕部配置视觉相机，末端效应器可抓取国际空间站通用抓取接口PDGF，末端定位精度50mm，其末端工具上配置了力／力矩传感器可用于柔顺操作，主要功能为物资搬运和ORU更换。小型灵巧臂展开长度2m，6自由度，末端定位精度10mm，相对与主臂可执行更灵巧的操作，主要功能为舱外暴露载荷照料。小臂工作时由主臂抓取接收能源和数据，并形成串联宏微机械臂协同工作。
　　以上介绍的均为舱外工作机器人，国际空间站舱内工作机器人目前包括Robonaut2、KIROBO、Skybot F-850等。
　　2011年NASA与通用公司GM联合研制的第二代机器人宇航员R2（Robonaut2）进入国际空间站，主要开展了任务面板上操作验证。
　　机器人宇航员R2在国际空间站
　　R2在形体上具有头部、颈部、躯干、双臂、多指灵巧手等人类特征，全身共42个自由度，其中包括3自由度颈部、2个7自由度的手臂、2个12自由度的五指灵巧手以及1自由度腰部，可达到类人的工作能力；集成了视觉相机、红外相机、六维腕力传感器、接触力传感器、角度及位移传感器等约300多个传感器，是典型多传感器集成的复杂系统。R2在2014年配置了双腿，腿的末端配置扶手抓取工具，使之具备出舱服务移动能力。
　　升级爬行双腿的机器人宇航员R2
　　2013年8月，日本＂鹳＂号货运飞船搭载发射了小型机器人宇航员＂KIROBO＂，其身高约34cm，重约1kg，可以与人进行交流并且具有肢体语言，其主要任务为与国际空间站日本宇航员对话，消除宇航员在轨寂寞感。
　　小型机器人宇航员＂KIROBO＂
　　2019年8月，俄罗斯联盟号飞船搭载发射人形机器人Skybot F-850至国际空间站，它是FEDOR研究计划的成果。Skybot F-850是具备四肢即双臂双腿的空间仿人机器人，具备模仿航天员作业的能力。在国际空间站约半月的测试中，F-850测试了开启舱门、传递工具、模拟舱外活动等试验。
　　Skybot F-850在国际空间站
　　03
　　我国空间站中的空间机器人
　　中国非常重视空间机器人系统的研制，在载人航天空间站规划了大型、中型两套空间机械臂系统，也利用载人飞行器开展了空间机器人相关技术的在轨验证。
　　2016年，天宫二号机械臂系统随＂天宫二号＂空间实验室发射入轨，天宫二号机械臂系统包括６自由度轻型机械臂和五指仿人灵巧手组成的仿人型机械臂本体、在轨遥操作人机接口、全局立体视觉模块等。
　　航天员控制天宫二号机械臂
　　在轨测试中，航天员与机械臂系统协同开展了动力学参数辨识、抓漂浮物体、与航天员握手、在轨维修等试验。在轨维修验证试验包括拆卸电连接器、撕开多层防护、旋拧电连接器、使用电动工具拧松螺钉以及在轨遥操作等。
　　而中国载人航天空间站在建造阶段将配备核心舱、实验舱机械臂两套机器人系统。
　　中国空间站机械臂系统
　　核心舱机械臂主要用来完成空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员EVA等；实验舱机械臂主要用以暴露载荷照料、光学平台照料、载荷搬运、支持航天员 EVA等活动。
　　中国空间站机械臂系统
　　核心舱机械臂和实验舱机械臂展开长度分别约为10m和5m，最大在轨载荷分别为25000kg和3000kg，均具有7个自由度，转动关节的配置采用＂肩3 肘1 腕3＂方案。肩部和腕部设置两个末端执行器，可实现＂爬行＂功能。两个机械臂可独立工作，也可以协同工作，也可串联组成组合臂共同完成空间站的维修维护任务。
　　＂祝融号＂火星车
　　除了空间站的机器人，还有一类太空机器人——星表机器人，也就是在外星球表面工作的机器人，且看下期分享！