我國(guó)科學(xué)家對(duì)太空機(jī)器人技術(shù)及其在軌組裝技術(shù)進(jìn)行研究

科技日?qǐng)?bào)記者 李禾

以大型空間站、大型空間太陽(yáng)能發(fā)電站、大型空間望遠(yuǎn)鏡等為代表的空間大型結(jié)構(gòu)，是未來(lái)空間任務(wù)的主要發(fā)展方向之一。但由于尺度大，空間大型結(jié)構(gòu)不能被火箭或航天器直接帶入太空，因此，需要將其分解成多個(gè)模塊化單元，由運(yùn)載火箭送入太空，之后再進(jìn)行在軌組裝。在軌組裝是在軌服務(wù)（OOS）的一個(gè)重要分支，旨在充分利用空間機(jī)器人完成空間結(jié)構(gòu)自主組裝。在《空間科學(xué)與技術(shù)》（Space：Science&Technology）新發(fā)表的論文《面向在軌組裝的空間機(jī)器人技術(shù)綜述》中，同濟(jì)大學(xué)湯奇榮教授研究團(tuán)隊(duì)、中國(guó)空間技術(shù)研究院李德倫等專家和工程師總結(jié)了近幾十年來(lái)太空機(jī)器人技術(shù)及其在軌組裝技術(shù)方面的研究進(jìn)展，研討了在軌組裝的規(guī)劃、控制方法、地面實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。


該論文發(fā)表在期刊《空間科學(xué)與技術(shù)》的《空間機(jī)器人》（Space Robot）特刊中。


論文介紹了空間機(jī)器人在軌組裝的總體研究情況，回顧了幾十年來(lái)國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)在軌服務(wù)技術(shù)的研究和實(shí)踐。目前，空間在軌組裝技術(shù)已從人工操作階段逐漸向自主工作階段發(fā)展，工作方式從簡(jiǎn)單的輔助航天員操作向自主組裝和維護(hù)轉(zhuǎn)變，任務(wù)場(chǎng)景從單一的小型物體變成了復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)。但空間在軌組裝技術(shù)還不夠成熟，更沒(méi)有達(dá)到廣泛應(yīng)用的程度。特別是隨著組裝過(guò)程中物體尺寸變大、柔性振動(dòng)變強(qiáng)、組裝精度變高等特點(diǎn)愈發(fā)顯著，多機(jī)器人協(xié)同完成高精度操作的研究亟待深入。

論文綜述了空間在軌組裝涉及的四種關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況。

針對(duì)在軌組裝的序列規(guī)劃，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了如何放置不同零件的一種思路，通過(guò)人們與組裝過(guò)程的虛擬交互，能夠更有效地規(guī)劃組裝順序。事實(shí)也證明了智能方法的確能提高組裝序列規(guī)劃的效率和可靠性。

針對(duì)在軌組裝的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，其本質(zhì)是將航天器從狀態(tài)空間中的一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)，即航天器在笛卡爾坐標(biāo)系中的平移和旋轉(zhuǎn)，論文重點(diǎn)討論了傳統(tǒng)算法，以遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等為代表的仿生優(yōu)化算法，以及基于深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的規(guī)劃算法發(fā)展。

針對(duì)空間機(jī)器人組裝任務(wù)，論文總結(jié)了傳統(tǒng)智能算法、機(jī)器視覺(jué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等在組裝空間桁架結(jié)構(gòu)、空間機(jī)器人多任務(wù)場(chǎng)景中的應(yīng)用，并指出空間多機(jī)器人協(xié)同組裝方法正朝著智能化、分布式、強(qiáng)適應(yīng)性的方向發(fā)展。

針對(duì)在軌組裝的振動(dòng)抑制和柔順控制，太空中的微重力是引起大型結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要因素。在組裝過(guò)程中存在直接接觸，會(huì)產(chǎn)生一定的力（力矩），因此也需要進(jìn)行柔順控制。目前，柔順控制方式可主要分為主動(dòng)、被動(dòng)柔順控制兩大類。其中，主動(dòng)柔順控制是指通過(guò)傳感器獲取接觸力信息，將該信息作為反饋輸入給控制器，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行反饋控制，以減小接觸力，達(dá)到柔順效果。

據(jù)悉，該論文作者、北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部高級(jí)工程師李德倫主要從事空間機(jī)器人、空間機(jī)構(gòu)、人因工程等方面的研究工作。論文作者湯奇榮為同濟(jì)大學(xué)長(zhǎng)聘教授、中德學(xué)院副院長(zhǎng)，也是同濟(jì)大學(xué)校務(wù)委員會(huì)委員，機(jī)器人技術(shù)與多體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，國(guó)家高層次人才計(jì)劃獲得者。論文作者展文豪為中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室助理研究員。

（文中圖片均由《空間科學(xué)與技術(shù)》期刊編輯部提供）