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不久前，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院有消息稱，該院組織完成了空間站大型機(jī)械臂初樣結(jié)構(gòu)臂力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，標(biāo)志著我國(guó)空間站大型機(jī)械臂初樣階段研制工作取得了又一重大突破。據(jù)了解，這是我國(guó)空間智能機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)入工程研制階段后的首次大型試驗(yàn)項(xiàng)目。
自《中國(guó)制造2025》發(fā)布以來(lái)，航天裝備制造和機(jī)器人領(lǐng)域政策利好的消息一直見(jiàn)諸報(bào)端。但是兩者結(jié)合起來(lái)——空間機(jī)器人，這一特種機(jī)器人中尤其“高大上”的裝備，現(xiàn)狀究竟如何卻鮮見(jiàn)報(bào)道。
“涉及航天的事情，總是比較敏感?！蹦澈教煅b備從業(yè)人士向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者指出。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任劉宏也在2015國(guó)家機(jī)器人論壇上表示，外國(guó)緊盯“中國(guó)衛(wèi)星太空異?！?，中國(guó)衛(wèi)星上“長(zhǎng)出”機(jī)械伸縮臂，還會(huì)被質(zhì)疑威脅他國(guó)衛(wèi)星安全。
不過(guò)，在“敏感”環(huán)境中，空間機(jī)器人的發(fā)展卻依然值得關(guān)注。
“汽車可以到4S店保養(yǎng)，飛機(jī)可以在地面進(jìn)行維修，航天器一旦發(fā)生問(wèn)題誰(shuí)來(lái)修？”劉宏這樣論述發(fā)展空間機(jī)器人的必要性。
聚焦空間機(jī)器人
據(jù)了解，空間機(jī)器人是在太空中執(zhí)行空間站建造與運(yùn)營(yíng)支持、衛(wèi)星組裝與服務(wù)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、行星探索等任務(wù)的特種機(jī)器人。世界上第一個(gè)成功應(yīng)用于飛行器的空間機(jī)器人系統(tǒng)，為加拿大MD Robotic公司于1981年研制的SRMS系統(tǒng)。2000年后，空間機(jī)器人呈爆發(fā)式發(fā)展，2010年后各國(guó)空間機(jī)器人規(guī)劃逐漸增加。
今年3月份，俄羅斯《觀點(diǎn)報(bào)》曾報(bào)道，俄羅斯加加林宇航員訓(xùn)練中心負(fù)責(zé)人尤里·隆恰科夫稱，俄羅斯科學(xué)家近期將向國(guó)際空間站發(fā)送機(jī)器人以完成更多復(fù)雜任務(wù)。
據(jù)劉宏介紹，2017年，德國(guó)將在空間機(jī)器人上繼續(xù)發(fā)力，推出軌道服務(wù)器。美國(guó)則推出“鳳凰計(jì)劃”，預(yù)計(jì)在2016年運(yùn)用空間機(jī)器人對(duì)退役衛(wèi)星中可以發(fā)揮功能的部件進(jìn)行回收，并以低廉的成本將它們集成到新的太空系統(tǒng)中，支撐美國(guó)國(guó)防部的新使命。
我國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)研究約始于上世紀(jì)90年代，多年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、航天五院等單位針對(duì)空間機(jī)器人開(kāi)展了大量研究，并取得了豐碩成果。面向我國(guó)空間站建造與運(yùn)營(yíng)、月球探測(cè)、活性探測(cè)等工程任務(wù)要求，我國(guó)自行研制了多套空間機(jī)器人系統(tǒng)，部分產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用。
記者還注意到，由于涉及國(guó)防安全，中國(guó)在空間機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)一直由“國(guó)字號(hào)”科研單位或者國(guó)企牽頭。中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)執(zhí)行副會(huì)長(zhǎng)、中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行理事長(zhǎng)兼秘書(shū)長(zhǎng)宋曉剛向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者證實(shí)，在機(jī)器人領(lǐng)域，“自主研發(fā)”將成為關(guān)鍵詞，尤其是這種“上天入地”的機(jī)器人，更加會(huì)注重自主創(chuàng)新。
同時(shí)，宋曉剛指出，雖然《中國(guó)制造2025》和未來(lái)將出臺(tái)的機(jī)器人“十三五”規(guī)劃可能不會(huì)細(xì)分到對(duì)空間機(jī)器人進(jìn)行戰(zhàn)略部署，但肯定的是，與空間機(jī)器人有關(guān)的部分，如零部件、新的智能技術(shù)等都將受到政策的積極推動(dòng)。
機(jī)械臂獲進(jìn)展
中科院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王飛躍曾指出，20世紀(jì)80年代研究智能空間機(jī)器人時(shí)，最大問(wèn)題是機(jī)械臂。
機(jī)械臂是空間機(jī)器人的核心構(gòu)造之一，其技術(shù)進(jìn)步史幾乎就是空間機(jī)器人的發(fā)展史。
據(jù)公開(kāi)報(bào)道顯示，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）曾在報(bào)告中指出，“鳳凰計(jì)劃”正在研發(fā)特殊的“機(jī)械工具”，以確?？蓪U棄衛(wèi)星中的可用零部件取出。該機(jī)械工具一度被外界認(rèn)為是機(jī)械臂，且這種機(jī)械臂將由地面指揮中心控制。
據(jù)悉，新一代的空間機(jī)器人可以配備高靈巧機(jī)械臂，注入了仿生理念。多個(gè)模塊化功能單元的有機(jī)組合及模塊化的多關(guān)節(jié)則使重構(gòu)機(jī)械臂成為現(xiàn)實(shí)。
劉宏指出，從功能角度看，機(jī)械臂經(jīng)歷了從監(jiān)測(cè)搬運(yùn)到自主抓取，再到精細(xì)操作的發(fā)展歷程；在構(gòu)型上，空間機(jī)器人也從單個(gè)機(jī)械臂走向多個(gè)機(jī)械臂、人形機(jī)械臂；從機(jī)械臂本身來(lái)說(shuō)，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)從6個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)展到7個(gè)關(guān)節(jié)，以后會(huì)成為多關(guān)節(jié)連續(xù)體；而機(jī)械臂的末端作用器，從夾持工具變成了可更換工具，再發(fā)展到多指“靈巧手”；從操作看，以前是宇航員在天上“遙操作”，演變成地面“主從遙操作”，再到地面臨場(chǎng)遙感操作；操作的目標(biāo)則從固定物體轉(zhuǎn)變成非合作目標(biāo)。
我國(guó)在空間機(jī)器人機(jī)械臂研發(fā)上也在不斷前進(jìn)。
2013年7月，空間機(jī)械手安裝在試驗(yàn)七號(hào)衛(wèi)星的外側(cè)，由長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射入軌，主要實(shí)現(xiàn)了小衛(wèi)星的分離、捕獲、靠近，以及模擬部件裝配和遙操作。
據(jù)了解，在國(guó)內(nèi)多所科研院校的合作下，我國(guó)已經(jīng)完成了空間機(jī)器人原理樣機(jī)的工作，在機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了突破。
劉宏透露，我國(guó)還掌握了空間機(jī)械手的設(shè)計(jì)、制造、控制、測(cè)試與試驗(yàn)技術(shù)，成為世界上第二個(gè)完成合作目標(biāo)的自主跟蹤捕獲的國(guó)家，實(shí)現(xiàn)了空間機(jī)械手主從遙操作、航天器在軌檢測(cè)，以及軌道更換單元的在軌模擬裝配等空間維護(hù)。
“明年要做的實(shí)驗(yàn)是天宮二號(hào)艙內(nèi)機(jī)械手系統(tǒng)及與宇航員協(xié)同作業(yè)?！眲⒑暾f(shuō)。
未來(lái)方向
雖然前景喜人，但中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王耀兵也指出，空間機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展尚存挑戰(zhàn)。
比如，空間機(jī)器人對(duì)空間環(huán)境適應(yīng)性要求高，如苛刻的溫度條件、微重力或弱重力環(huán)境、超真空、超輻照、原子氧、復(fù)雜光照等；多任務(wù)適應(yīng)能力要求高，如捕獲、搬運(yùn)、固定、更換、加注、重構(gòu)、移動(dòng)等不同任務(wù)要求各異，需集多功能于一體；操作工況更加復(fù)雜，發(fā)射段、在軌段、著陸段、月面工作段工況各異，系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束大幅增加；地面驗(yàn)證難度大，多自由度加大了空間機(jī)器人在軌環(huán)境模擬難度。
屏蔽此推廣內(nèi)容王耀兵還對(duì)空間機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
他指出，隨著在軌操作任務(wù)日益多樣化，空間機(jī)器人功能日趨復(fù)雜，機(jī)器人操作工具將逐步實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，操作要求從低精度、粗放式向精細(xì)化、柔順化發(fā)展，空間機(jī)器人探測(cè)將向多機(jī)器人協(xié)同探測(cè)方向發(fā)展。
“空間機(jī)器人工程應(yīng)用需求將面向在軌應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，面向多任務(wù)和多功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，考慮航天器上有限資源的系統(tǒng)優(yōu)化，提升機(jī)器人在空間特殊環(huán)境中長(zhǎng)壽命和高可靠性能。此外，還會(huì)注重輕量化、高精度機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)，機(jī)電部件的輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)高比剛度、高比強(qiáng)度材料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用等?！蓖跻f(shuō)?！锷钲陂L(zhǎng)欣自動(dòng)化設(shè)備有限公司（廈門(mén)分公司）
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