昨天是2025年的第一天，神舟十九號航天員乘組從空間站中發(fā)回了節(jié)日祝福。網(wǎng)友們紛紛表示中國空間站科幻化了，被航天員王浩澤的新伙伴——空間中智慧助手小航吸引了注意力。本篇，一起了解在國際空間站上工作的機器人吧！

國際空間站的投入使用，給國際空間站操作機器人的研制提供了廣闊的空間。各種機械臂、自動拍攝機器人、自動衛(wèi)星測試平臺應(yīng)運而生。

△國際空間站是迄今最大的空間設(shè)施

ROTEX項目

1993年德國航天局的ROTEX項目是德國太空自動化和機器人技術(shù)的起點。其實ROTEX在1988年就發(fā)起了，1993年作為“太空實驗室D2”任務(wù)的一部分，隨哥倫比亞號航天飛機升空。

項目核心是一個小型六軸機械臂，安裝了復(fù)雜的多傳感器夾持器，主要試驗?zāi)繕?biāo)是盡量實現(xiàn)基于傳感器的自主操作，但是也充分考慮地面遠程遙控技術(shù)。具體傳感器包括兩套六軸扭矩傳感器（基于應(yīng)變計和光學(xué)傳感器）、用于抓握力控制的觸覺陣列。由9個激光測距儀組成的陣列。此外，有一對微型立體攝像頭從夾持器內(nèi)向外拍攝立體圖像，用一對固定的攝像頭拍攝機器人工作區(qū)域的立體圖像。

△ROTEX 項目的機械臂

具體任務(wù)有3項：組裝機械網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、使用夾持器連接/斷開軌道可更換單元（ORU）、抓住漂浮的物體。飛行驗證表明，ROTEX項目的機械臂可以根據(jù)地面預(yù)編程來自動運行，也可以由航天飛機乘員遙控操作，或者地面遙控操作，還可以在地面重新編程后上傳刷新。

羅克維斯（ROKVISS）

羅克維斯是德國研制的國際空間站外兩自由度操縱硬件測試臺。這是一種結(jié)構(gòu)奇怪的有趣機器人，它并不是用來執(zhí)行機械臂任務(wù)的，而是用來測試一些關(guān)鍵技術(shù)和器件，未來執(zhí)行更加緊密復(fù)雜的太空活動。ROKVISS的意思是國際空間站上的機器人科學(xué)組件驗證，用于測試遠程呈現(xiàn)控制概念及其關(guān)節(jié)電子設(shè)備的可靠性。其目的是在未來制造可以在空間站甚至更遠的軌道上工作的機器人。

羅克維斯于2005年1月26日安裝，航天員們在6個小時的艙外活動期間，先把一個通用平臺連接到俄羅斯星辰號服務(wù)艙的外壁上，然后把它裝在上面。

羅克維斯的主要部分是一個兩關(guān)節(jié)的機械臂，手臂尖端由一根金屬“手指”、一個立體攝像機和一個單聲道攝像機組成。通用平臺裝有用于配電和圖像處理的電子設(shè)備盒，還有一個外觀奇異的金屬構(gòu)件，上面切開了幾個孔洞，里面還有一根彈簧，掛著一個鉤子。這是用于動態(tài)機器人運動實驗和確定關(guān)節(jié)參數(shù)的特殊器材。機器人關(guān)節(jié)和相機由國際空間站內(nèi)的中央實驗計算機控制。

機械臂可以在兩種不同的模式下運行。自動模式用于地面和航天員都不干預(yù)的場景。實驗由國際空間站上的實驗計算機控制，數(shù)據(jù)保存下來，日后評估。還有一個遙控操作模式，在設(shè)想的衛(wèi)星維護和維修工作中，還是需要人類操作員直接參與到控制回路的，因為此類任務(wù)具有不可預(yù)見性，很難在地面上預(yù)先設(shè)定程序?？紤]到國際空間站距離地面比較近，而且測控覆蓋比較充分，因此地面操作員可以全天時操作。當(dāng)然，德國操作員更傾向于在空間站飛越德國南部魏爾海姆的時候，用德國航天局自己的天線直接控制，沒有明顯時間延遲。這樣，在地球上操作機械臂的科學(xué)家?guī)缀蹩梢詫崟r接收到有關(guān)機械臂動作的視覺和感官反饋。

測試中，地面操作員通過力反饋，可以直觀感受到機器人在太空環(huán)境中的特殊受力情況。工程師們還測試了它在運動過程中吸收能量的情況，以及軸承和齒輪在太空中長時間運行時的摩擦表現(xiàn)。攝像機記錄了測試過程，并將視頻實時傳輸?shù)娇刂剖?，讓科學(xué)家對實驗的狀態(tài)和功能有一個真實的印象。

△德國羅克維斯機器人地面實驗中

太空輻射對羅克維斯是一個重大挑戰(zhàn)，因為頻繁的離子轟擊可能會損壞電子元件。為了防止電子設(shè)備被破壞，控制模塊中集成了一項功能，一旦發(fā)生短路，就自動關(guān)閉電源并消除存儲的能量。由于極端的溫度波動，機器人關(guān)節(jié)必須承受零下20攝氏度到零上60攝氏度之間的考驗。

△德國羅克維斯機器人在軌試驗情況

這項試驗的主要目的，是開發(fā)未來的輕型機器人，能夠?qū)嵤└訌?fù)雜的維修或者組裝工作，而且可以由操作員在地面上直接操作。

ROKVISS實驗的費用為1150萬歐元，其中包括350萬歐元用于國際空間站的發(fā)射、組裝和運行。

SPHERES

SPHERES是國際空間站上的內(nèi)部微衛(wèi)星測試臺。它的全名是“同步位置保持、接合和重新定向?qū)嶒炐l(wèi)星”，也是“太空蜜蜂”的前身。它是由麻省理工學(xué)院空間系統(tǒng)實驗室為美國宇航局和美國軍方開發(fā)的，用作開發(fā)計量、編隊飛行、交會、對接和自主算法的低風(fēng)險、可擴展測試平臺。

△SPHERES 在空間站內(nèi)部實驗中

SPHERES的最初開發(fā)始于1999年。大衛(wèi)·米勒教授向?qū)W生提出挑戰(zhàn)，要求他們開發(fā)一種類似于電影《星球大戰(zhàn)：新希望》和《星球大戰(zhàn)：克隆人的進攻》中的戰(zhàn)斗訓(xùn)練遙控器，提出了艙內(nèi)衛(wèi)星的概念。

在最初的開發(fā)之后，SPHERES計劃由麻省理工學(xué)院的空間系統(tǒng)實驗室接管，建造了6顆飛行準(zhǔn)備衛(wèi)星，其中3顆被放入國際空間站。它們可以在國際空間站和地面實驗室中使用，但沒有在真正太空中飛行的能力。

每顆SPHERES衛(wèi)星都類似于一個18邊形的多面體。衛(wèi)星的鋁結(jié)構(gòu)被封閉在一個半透明的塑料外殼中。外殼呈紅色、藍色、橙色或黑色，有助于識別。國際空間站的3顆衛(wèi)星分別是紅色、藍色和橙色。每個單元的最大直徑為22.9厘米，包括消耗品在內(nèi)的質(zhì)量為4.16千克。衛(wèi)星可以使用916.5MHz、16kbit/s的無線電鏈路相互通信，與控制站（筆記本電腦）的通信使用868.35MHz、16kbit/s無線電鏈路完成。

△SPHERES 衛(wèi)星在艙內(nèi)

SPHERES衛(wèi)星通過使用23個超聲波接收器（MurataMA40S4R）和5個外部超聲波參考信標(biāo)來確定其位置和姿態(tài)，輔以加速度計（3x霍尼韋爾QA-750單軸加速度計）和陀螺儀（3xSystronDonnerQRS14單軸速率陀螺儀）的數(shù)據(jù)。

SPHERES衛(wèi)星使用兩個不可充電的12v電池組供電，虧電需要更換。這在后續(xù)型號中得到了改進。SPHERES衛(wèi)星使用12個二氧化碳冷氣推進器實施機動和姿態(tài)控制。液態(tài)二氧化碳儲存在一個小型容器中。衛(wèi)星的最大線加速度為0.17m/s2，精度為0.5厘米。最大角加速度為3.5rad/s2，精度為2.5度。但是在艙內(nèi)噴射二氧化碳并不理想，“太空蜜蜂”等后續(xù)型號也做了改進。

“太空蜜蜂”

“太空蜜蜂”系統(tǒng)由3個立方體形狀的機器人、軟件和一個用于充電的擴展塢組成，機器人的形狀是12.5英寸（31.75厘米）邊長的立方體，可以自主返回為電池充電?！疤彰鄯洹比〈薙PHERES，擔(dān)當(dāng)空間站的機器人測試設(shè)施。機器人使用電風(fēng)扇作為推進系統(tǒng)，不再排放二氧化碳，使它們能夠在空間站的微重力環(huán)境中自由飛行。攝像頭和傳感器幫助它們“看到”和導(dǎo)航周圍環(huán)境?！疤彰鄯洹边€攜帶有一個棲息臂，使它們能夠抓住扶手靜止不動，以節(jié)省能源或抓取和握住物品。

任務(wù)科學(xué)家可以使用“太空蜜蜂”進行研究，這將有助于為未來的任務(wù)開發(fā)硬件和軟件技術(shù)。由于機器人是模塊化的，可以升級，該系統(tǒng)為研究人員和科學(xué)家提供了在空間站內(nèi)進行各種實驗的能力。這樣的機器人還有可能成為未來航天器的“看護人”，在航天員離開時監(jiān)控和保持系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

2018年11月17日，“太空蜜蜂”的支持設(shè)施搭乘CRS-10商業(yè)補給任務(wù)進入國際空間站，并于2019年2月15日安裝在空間站的日本實驗艙中。

△試驗中的“太空蜜蜂”

2019年4月17日，“太空蜜蜂”的前兩個機器人“笨拙”（Bumble）和“蜜”（Honey）搭乘CRS-11任務(wù)上天。

2019年7月25日，第三個自由飛行機器人“蜂后”（Queen）和3個棲息臂搭乘太空探索技術(shù)公司的第18次商業(yè)補給服務(wù)任務(wù)（CRS-18）進入國際空間站。

“太空蜜蜂”的主要工作之一，是在艙內(nèi)攝影。但除此之外，它還有另一項科研任務(wù)，這項任務(wù)對艙外的技術(shù)發(fā)展有很重要的意義。

美國宇航局曾經(jīng)實施過一項名為自主機動相對操作（ROAM）的實驗，主要是演示了機器人衛(wèi)星與太空碎片交會的過程。多數(shù)空間碎片是“死衛(wèi)星”，有些可以修復(fù)，有些需要送入大氣層銷毀。但是這些衛(wèi)星多數(shù)在翻滾當(dāng)中，機器人衛(wèi)星靠近它們實施捕捉，有很大的風(fēng)險。所以，美國宇航局試圖通過ROAM實驗，讓“太空蜜蜂”在艙內(nèi)模擬失控衛(wèi)星的翻滾，并且進行觀察和認知，規(guī)劃交會和捕捉的算法。

ROAM計劃的主旨是先用一顆捕捉衛(wèi)星接近翻滾衛(wèi)星，建立坐標(biāo)系，然后用三維（3D）飛行時間相機，采用視覺估計算法，對目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)慣性參數(shù)和伴隨的協(xié)方差進行遠程估計。利用對潛在目標(biāo)翻滾類型的離線模擬，生成使用估計數(shù)據(jù)在軌解析的查找表。這種基于非線性規(guī)劃的算法考慮了已知的目標(biāo)幾何形狀和重要的實際約束，如視野要求，在目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)框架中生成運動計劃。同時，利用不確定度表征方法傳遞目標(biāo)翻滾中的不確定度，這樣，就能在慣性系中為參考軌跡提供擾動邊界。最后，將該不確定性邊界提供給魯棒管模型預(yù)測控制器，為系統(tǒng)平移跟蹤參考軌跡的能力提供保證。

ROAM實驗需要一到兩名航天員監(jiān)督“太空蜜蜂”的設(shè)置，一名地面操作員控制兩個太空蜜蜂機器人。航天員先把“太空蜜蜂”設(shè)置在初始方向上，而地面控制員則進行最終定位和命令測試以開始執(zhí)行。使用機器人操作系統(tǒng)（ROS）在兩個“太空蜜蜂”上收集數(shù)據(jù)，之后手動傳回地面。此外，地面操作員和研究人員觀察實驗的實時視頻流，以衡量測試進度，并查看“太空蜜蜂”地面站提供的實時信息。

“太空蜜蜂”系統(tǒng)的目的也是把航天員的時間從簡單勞動中解放出來，讓他們更多地專注于只有人類才能做的事情?！疤彰鄯洹笨梢宰灾鞴ぷ鳎部梢杂珊教靻T、地面控制人員或地面研究人員遠程控制，可以用來盤點物資、記錄艙內(nèi)實驗、甚至可以幫助搬運貨物?！疤彰鄯洹毕到y(tǒng)還可以作為研究平臺，進行裝備和編程，在微重力下進行實驗，為后續(xù)太空機器人研制積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

日本的“內(nèi)部球”

航天員在空間站里不僅僅要做實驗、維護設(shè)施，還需要攝影攝像，把空間站的運行情況記錄下來。這些影像本身就具有很高的科學(xué)價值，并且可以作為科普素材。但是，占用一名航天員的寶貴時間去照相，似乎太浪費了，畢竟維持一個人在軌的成本是非常高的。于是，美國宇航局先后啟動了兩代艙內(nèi)機器人的研制和飛行，包括前文中說的SPHERES和正在空間站內(nèi)飛行的“太空蜜蜂”。

除了美國，日本也對艙內(nèi)機器人很感興趣。比如說，現(xiàn)在國際空間站上有一個叫做“JEM內(nèi)部球相機2”的機器人，簡稱“內(nèi)部球”，也叫做自由浮動遙控全景相機。它是日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)在2017年首次發(fā)射到空間站的。它的功能是用相機自主拍攝研究活動的視頻和照片，節(jié)省航天員的時間，今后還可以用在其他任務(wù)的測試上。

“內(nèi)部球”真的就是個球，它自由漂浮在空間站的零重力下，在地面人員或者航天員控制之下飛來飛去，拍攝內(nèi)部照片?！皟?nèi)部球”重量只有1千克，直徑只有15厘米。那么，它是如何控制自己位置和姿態(tài)的呢？其實和地球上的無人機差不多。在“內(nèi)部球”里，裝了3臺反作用飛輪和12個螺旋槳推進器。這樣就能夠在微重力環(huán)境下飛行、懸停和改變姿態(tài)了，而且比地球上的無人機更省電?！皟?nèi)部球”的主要部件和外殼都是用3D打印制造的。模擬的兩只“眼睛”安裝在球的外部。外殼上還有燈光顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，比如正在錄制，等等。它的充電方式也和各種消費電子產(chǎn)品一樣，通過USB接口進行。

△航天員與“內(nèi)部球”互動

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)還研制和發(fā)射了“內(nèi)部球”2，增加了一些擴展槽，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的功能。

根據(jù)日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)的說法，用來拍攝影像的時間占到了空間站乘組日常工作時間的10%左右，這真的不是個小數(shù)字。所以，如果能通過“內(nèi)部球”的研究和實操，由地面人員遙控接管拍攝活動，就能把航天員的時間節(jié)省出來了。這樣的技術(shù)不僅僅可以用在國際空間站上，以后還能用在月球和深空探索任務(wù)中。不過低軌道上的空間站與地面之間的通信時延比較小，遙控相對容易，到了月球、小行星或者火星，時間延遲就會大幅度上升，地面人員怎么控制攝照設(shè)備，還有更多的技術(shù)問題需要解決。

來源：中國航天科普、《太空探索》雜志

轉(zhuǎn)載時間：2025-01-03

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