第1章 绪论

1.1 研究空间站机器人的意义

机器人不受人类生理条件限制，利用其辅助或代替航天员在恶劣环境下进行空间利用和探测是空间站自动化技术发展的必然选择，是欧美俄等航天大国的重点发展方向，也是我国未来空间站发展的重要战略领域。我国拟在2020年前后建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室，并逐步发展成中国空间站[1～3]。国家需要基于空间站进行大量观测、探测、研究等工作，以在全球占领空间技术的有利战略位置，对整体提升综合国力将起到至关重要的作用。目前空间站运行绝大部分依赖航天员，有安全风险。50%的航天员在空间站会出现运动病症状，而且长期处于微重力环境中可能导致航天员出现多种生理、病理现象，从而严重危害航天员的身体健康。同时，空间强辐射及高速碎片等环境也会威胁航天员的生命安全。每次出舱任务都是以航天员的健康和生命安全风险为代价，并且经济、时间、人力成本巨大。用机器人辅助甚至代替航天员能够提高效率，有重大意义[4～8]。

空间站的建设与发展，需要航天员完成大量的维修与维护操作并进行科学实验：在空间站建设过程中，需要进行许多质量高达二三十吨舱体的搬运和装配工作；在空间站运营发展过程中，航天员需要进行大量的维护作业和科学实验，如舱体、太阳翼、实验平台等的观测、照料、维修和实验作业等。由于空间环境极其恶劣，如微重力、真空、强辐射、高低温、振动和冲击等，这些与地面截然不同的空间环境因素会极大地影响航天员的生理、心理健康[9～11]。生理方面，太空失重会导致航天员肌肉质量和体积明显减小，易疲劳，同时发生肌肉力量减小等功能性变化[12][13]，而太空辐射会对航天员的视网膜产生危害，导致白内障，还会对航天员的DNA造成危害，引起细胞变异，甚至发生癌变[14]。心理方面，航天员空间值守将长期处在与世隔绝的空间站中，密闭狭小的空间舱、静寂无声的太空环境、规定好的交际方式、与地面有限的联系及失重所造成的不适感等会引发航天员一系列的心理问题，如厌倦、抑郁、思念亲人和人际关系紧张等[15～17]。这一系列的生理、心理问题会极大地影响航天员的作业效率和工作能力。而机器人不受人类生理、心理条件的限制，同时有强于人类的负载能力和作业精度，空间机器人辅助甚至代替航天员在恶劣环境下进行空间利用和探测，能够极大地提高工作效率，降低风险，是未来空间站技术发展的必然选择，具有重要意义[18]。

鉴于上述原因，很多国家和地区都在积极开展空间机器人技术的研究，逐渐采用空间机器人辅助甚至代替航天员执行一些空间作业。加拿大臂Ⅱ由加拿大斯帕公司研制，从1998年开始部件入轨与安装，是目前功能最完备、体积最大、技术最先进的大型空间机械臂，在国际空间站建设、发展和运营期间，加拿大臂Ⅱ在大质量舱体捕获、对接组装和辅助航天员出舱活动等方面发挥了重要作用[19][20]，但其灵巧作业能力差，需航天员出舱进行维护作业。考虑到航天员出舱危险且代价大，研制了专用双臂机器人SPDM (Special Purpose Dexterous Manipulator)[21]，以降低航天员出舱频次。但是，在微重力环境下双臂机器人SPDM完成特定的预设任务也非常困难[22]，仍需要一定数量的航天员在空间站值守并不定期进行舱外危险作业。美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 研制的Robonaut 2是太空中第一个人形机器人，已于2011年登上国际空间站[23]，正在验证其空间智能作业技术，最终Robonaut 2机器人有望接管国际空间站人类航天员所从事的最危险、机械化或者复杂性工作[24][25]。然而，空间微重力环境下，机器人航天员作业运动模态及动力学特性与地面重力环境截然不同[26][27]，同时空间杂散光及辐射等环境对机器视觉等传感器的影响巨大[28]，导致Robonaut 2在空间站辅助航天员灵巧作业存在诸多挑战[29]。德国和俄罗斯也在集中力量研发机器人航天员Justin和SAR-401[30][31]，其目标是实现机器人航天员在空间站环境下辅助或代替航天员进行维护作业。空间机器人可以辅助航天员进行空间作业，扩展其维护作业区域，对国家空间技术的发展有着极其重要的推动作用。因此，随着我国空间站事业的发展，发展空间机器人装备技术已经有了十分紧迫的应用需求。

空间站工作环境特殊，舱内外结构环境复杂，常规的机器人构型并不是最适用于空间站移动作业的构型方式。此外，机器人在空间站微重力环境中进行移动作业，对机器人的安全性、稳定性要求较高，也对机器人移动与作业运动规划提出了更高的要求。