国际空间站上的机器人

航空知识

2025-01-03 21:09发布于北京《航空知识》杂志官方账号

2025年的第一天，神舟十九号航天员乘组从空间站中发回了节日祝福。网友们纷纷表示中国空间站科幻化了，被航天员王浩泽的新伙伴——空间中智慧助手小航吸引了注意力。

本篇，一起了解在国际空间站上工作的机器人吧！

国际空间站的投入使用，给国际空间站操作机器人的研制提供了广阔的空间。各种机械臂、自动拍摄机器人、自动卫星测试平台应运而生。

国际空间站是迄今最大的空间设施

ROTEX项目

1993年德国航天局的ROTEX项目是德国太空自动化和机器人技术的起点。其实ROTEX在1988年就发起了，1993年作为“太空实验室D2”任务的一部分，随哥伦比亚号航天飞机升空。

项目核心是一个小型六轴机械臂，安装了复杂的多传感器夹持器，主要试验目标是尽量实现基于传感器的自主操作，但是也充分考虑地面远程遥控技术。具体传感器包括两套六轴扭矩传感器（基于应变计和光学传感器）、用于抓握力控制的触觉阵列。由9个激光测距仪组成的阵列。此外，有一对微型立体摄像头从夹持器内向外拍摄立体图像，用一对固定的摄像头拍摄机器人工作区域的立体图像。

ROTEX 项目的机械臂

具体任务有3项：组装机械网架结构、使用夹持器连接/断开轨道可更换单元（ORU）、抓住漂浮的物体。飞行验证表明，ROTEX项目的机械臂可以根据地面预编程来自动运行，也可以由航天飞机乘员遥控操作，或者地面遥控操作，还可以在地面重新编程后上传刷新。

罗克维斯（ROKVISS）

罗克维斯是德国研制的国际空间站外两自由度操纵硬件测试台。这是一种结构奇怪的有趣机器人，它并不是用来执行机械臂任务的，而是用来测试一些关键技术和器件，未来执行更加紧密复杂的太空活动。ROKVISS的意思是国际空间站上的机器人科学组件验证，用于测试远程呈现控制概念及其关节电子设备的可靠性。其目的是在未来制造可以在空间站甚至更远的轨道上工作的机器人。

罗克维斯于2005年1月26日安装，航天员们在6个小时的舱外活动期间，先把一个通用平台连接到俄罗斯星辰号服务舱的外壁上，然后把它装在上面。

罗克维斯的主要部分是一个两关节的机械臂，手臂尖端由一根金属“手指”、一个立体摄像机和一个单声道摄像机组成。通用平台装有用于配电和图像处理的电子设备盒，还有一个外观奇异的金属构件，上面切开了几个孔洞，里面还有一根弹簧，挂着一个钩子。这是用于动态机器人运动实验和确定关节参数的特殊器材。机器人关节和相机由国际空间站内的中央实验计算机控制。

机械臂可以在两种不同的模式下运行。自动模式用于地面和航天员都不干预的场景。实验由国际空间站上的实验计算机控制，数据保存下来，日后评估。还有一个遥控操作模式，在设想的卫星维护和维修工作中，还是需要人类操作员直接参与到控制回路的，因为此类任务具有不可预见性，很难在地面上预先设定程序。考虑到国际空间站距离地面比较近，而且测控覆盖比较充分，因此地面操作员可以全天时操作。当然，德国操作员更倾向于在空间站飞越德国南部魏尔海姆的时候，用德国航天局自己的天线直接控制，没有明显时间延迟。这样，在地球上操作机械臂的科学家几乎可以实时接收到有关机械臂动作的视觉和感官反馈。

测试中，地面操作员通过力反馈，可以直观感受到机器人在太空环境中的特殊受力情况。工程师们还测试了它在运动过程中吸收能量的情况，以及轴承和齿轮在太空中长时间运行时的摩擦表现。摄像机记录了测试过程，并将视频实时传输到控制室，让科学家对实验的状态和功能有一个真实的印象。

德国罗克维斯机器人地面实验中

太空辐射对罗克维斯是一个重大挑战，因为频繁的离子轰击可能会损坏电子元件。为了防止电子设备被破坏，控制模块中集成了一项功能，一旦发生短路，就自动关闭电源并消除存储的能量。由于极端的温度波动，机器人关节必须承受零下20摄氏度到零上60摄氏度之间的考验。

德国罗克维斯机器人在轨试验情况

这项试验的主要目的，是开发未来的轻型机器人，能够实施更加复杂的维修或者组装工作，而且可以由操作员在地面上直接操作。

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ROKVISS实验的费用为1150万欧元，其中包括350万欧元用于国际空间站的发射、组装和运行。

SPHERES

SPHERES是国际空间站上的内部微卫星测试台。它的全名是“同步位置保持、接合和重新定向实验卫星”，也是“太空蜜蜂”的前身。它是由麻省理工学院空间系统实验室为美国宇航局和美国军方开发的，用作开发计量、编队飞行、交会、对接和自主算法的低风险、可扩展测试平台。

SPHERES 在空间站内部实验中

SPHERES的最初开发始于1999年。大卫·米勒教授向学生提出挑战，要求他们开发一种类似于电影《星球大战：新希望》和《星球大战：克隆人的进攻》中的战斗训练遥控器，提出了舱内卫星的概念。

在最初的开发之后，SPHERES计划由麻省理工学院的空间系统实验室接管，建造了6颗飞行准备卫星，其中3颗被放入国际空间站。它们可以在国际空间站和地面实验室中使用，但没有在真正太空中飞行的能力。

每颗SPHERES卫星都类似于一个18边形的多面体。卫星的铝结构被封闭在一个半透明的塑料外壳中。外壳呈红色、蓝色、橙色或黑色，有助于识别。国际空间站的3颗卫星分别是红色、蓝色和橙色。每个单元的最大直径为22.9厘米，包括消耗品在内的质量为4.16千克。卫星可以使用916.5MHz、16kbit/s的无线电链路相互通信，与控制站（笔记本电脑）的通信使用868.35MHz、16kbit/s无线电链路完成。

SPHERES 卫星在舱内

SPHERES卫星通过使用23个超声波接收器（MurataMA40S4R）和5个外部超声波参考信标来确定其位置和姿态，辅以加速度计（3x霍尼韦尔QA-750单轴加速度计）和陀螺仪（3xSystronDonnerQRS14单轴速率陀螺仪）的数据。

SPHERES卫星使用两个不可充电的12v电池组供电，亏电需要更换。这在后续型号中得到了改进。SPHERES卫星使用12个二氧化碳冷气推进器实施机动和姿态控制。液态二氧化碳储存在一个小型容器中。卫星的最大线加速度为0.17m/s2，精度为0.5厘米。最大角加速度为3.5rad/s2，精度为2.5度。但是在舱内喷射二氧化碳并不理想，“太空蜜蜂”等后续型号也做了改进。

“太空蜜蜂”

“太空蜜蜂”系统由3个立方体形状的机器人、软件和一个用于充电的扩展坞组成，机器人的形状是12.5英寸（31.75厘米）边长的立方体，可以自主返回为电池充电。“太空蜜蜂”取代了SPHERES，担当空间站的机器人测试设施。机器人使用电风扇作为推进系统，不再排放二氧化碳，使它们能够在空间站的微重力环境中自由飞行。摄像头和传感器帮助它们“看到”和导航周围环境。“太空蜜蜂”还携带有一个栖息臂，使它们能够抓住扶手静止不动，以节省能源或抓取和握住物品。

任务科学家可以使用“太空蜜蜂”进行研究，这将有助于为未来的任务开发硬件和软件技术。由于机器人是模块化的，可以升级，该系统为研究人员和科学家提供了在空间站内进行各种实验的能力。这样的机器人还有可能成为未来航天器的“看护人”，在航天员离开时监控和保持系统平稳运行。

2018年11月17日，“太空蜜蜂”的支持设施搭乘CRS-10商业补给任务进入国际空间站，并于2019年2月15日安装在空间站的日本实验舱中。

试验中的“太空蜜蜂”

2019年4月17日，“太空蜜蜂”的前两个机器人“笨拙”（Bumble）和“蜜”（Honey）搭乘CRS-11任务上天。

2019年7月25日，第三个自由飞行机器人“蜂后”（Queen）和3个栖息臂搭乘太空探索技术公司的第18次商业补给服务任务（CRS-18）进入国际空间站。

“太空蜜蜂”的主要工作之一，是在舱内摄影。但除此之外，它还有另一项科研任务，这项任务对舱外的技术发展有很重要的意义。

美国宇航局曾经实施过一项名为自主机动相对操作（ROAM）的实验，主要是演示了机器人卫星与太空碎片交会的过程。多数空间碎片是“死卫星”，有些可以修复，有些需要送入大气层销毁。但是这些卫星多数在翻滚当中，机器人卫星靠近它们实施捕捉，有很大的风险。所以，美国宇航局试图通过ROAM实验，让“太空蜜蜂”在舱内模拟失控卫星的翻滚，并且进行观察和认知，规划交会和捕捉的算法。

ROAM计划的主旨是先用一颗捕捉卫星接近翻滚卫星，建立坐标系，然后用三维（3D）飞行时间相机，采用视觉估计算法，对目标的旋转状态、旋转惯性参数和伴随的协方差进行远程估计。利用对潜在目标翻滚类型的离线模拟，生成使用估计数据在轨解析的查找表。这种基于非线性规划的算法考虑了已知的目标几何形状和重要的实际约束，如视野要求，在目标的旋转框架中生成运动计划。同时，利用不确定度表征方法传递目标翻滚中的不确定度，这样，就能在惯性系中为参考轨迹提供扰动边界。最后，将该不确定性边界提供给鲁棒管模型预测控制器，为系统平移跟踪参考轨迹的能力提供保证。

ROAM实验需要一到两名航天员监督“太空蜜蜂”的设置，一名地面操作员控制两个太空蜜蜂机器人。航天员先把“太空蜜蜂”设置在初始方向上，而地面控制员则进行最终定位和命令测试以开始执行。使用机器人操作系统（ROS）在两个“太空蜜蜂”上收集数据，之后手动传回地面。此外，地面操作员和研究人员观察实验的实时视频流，以衡量测试进度，并查看“太空蜜蜂”地面站提供的实时信息。

“太空蜜蜂”系统的目的也是把航天员的时间从简单劳动中解放出来，让他们更多地专注于只有人类才能做的事情。“太空蜜蜂”可以自主工作，也可以由航天员、地面控制人员或地面研究人员远程控制，可以用来盘点物资、记录舱内实验、甚至可以帮助搬运货物。“太空蜜蜂”系统还可以作为研究平台，进行装备和编程，在微重力下进行实验，为后续太空机器人研制积累经验和数据。

日本的“内部球”

航天员在空间站里不仅仅要做实验、维护设施，还需要摄影摄像，把空间站的运行情况记录下来。这些影像本身就具有很高的科学价值，并且可以作为科普素材。但是，占用一名航天员的宝贵时间去照相，似乎太浪费了，毕竟维持一个人在轨的成本是非常高的。于是，美国宇航局先后启动了两代舱内机器人的研制和飞行，包括前文中说的SPHERES和正在空间站内飞行的“太空蜜蜂”。

除了美国，日本也对舱内机器人很感兴趣。比如说，现在国际空间站上有一个叫做“JEM内部球相机2”的机器人，简称“内部球”，也叫做自由浮动遥控全景相机。它是日本宇宙航空研究开发机构在2017年首次发射到空间站的。它的功能是用相机自主拍摄研究活动的视频和照片，节省航天员的时间，今后还可以用在其他任务的测试上。

“内部球”真的就是个球，它自由漂浮在空间站的零重力下，在地面人员或者航天员控制之下飞来飞去，拍摄内部照片。“内部球”重量只有1千克，直径只有15厘米。那么，它是如何控制自己位置和姿态的呢？其实和地球上的无人机差不多。在“内部球”里，装了3台反作用飞轮和12个螺旋桨推进器。这样就能够在微重力环境下飞行、悬停和改变姿态了，而且比地球上的无人机更省电。“内部球”的主要部件和外壳都是用3D打印制造的。模拟的两只“眼睛”安装在球的外部。外壳上还有灯光显示当前工作状态，比如正在录制，等等。它的充电方式也和各种消费电子产品一样，通过USB接口进行。

航天员与“内部球”互动

日本宇宙航空研究开发机构还研制和发射了“内部球”2，增加了一些扩展槽，能够实现更复杂的功能。

根据日本宇宙航空研究开发机构的说法，用来拍摄影像的时间占到了空间站乘组日常工作时间的10%左右，这真的不是个小数字。所以，如果能通过“内部球”的研究和实操，由地面人员遥控接管拍摄活动，就能把航天员的时间节省出来了。这样的技术不仅仅可以用在国际空间站上，以后还能用在月球和深空探索任务中。不过低轨道上的空间站与地面之间的通信时延比较小，遥控相对容易，到了月球、小行星或者火星，时间延迟就会大幅度上升，地面人员怎么控制摄照设备，还有更多的技术问题需要解决。

本文原载于《太空探索》杂志2024年第8期。

文/迟惑

编辑/杨斯爽

审核/穆檀

监制/姜军