“绳网飞行器+绳系机械爪”捕获近地小行星的新概念方案

王彗木，刘 伟，高 扬

(1.中国科学院空间应用工程与技术中心,北京100094；2.法国里昂国立应用科学学院,里昂,法国；3.中科院太空应用重点实验室,北京100094；4.中国科学院大学,北京100049)

1 引言

美国航天局曾经推动的“小行星重定向任务”(Asteroid Redirect Mission,ARM)决定用无人航天器捕获一颗近地小行星(后又被更改为从一颗小行星表面采集一块巨石),然后将其带回至月球附近轨道,再发射载人飞船前往探索与利用［1］。ARM任务是美国航天局在载人航天重返月球的“星座计划”取消之后提出的,一方面希望超越上世纪60年代的阿波罗登月计划,另一方面要为载人登陆火星计划验证若干关键技术。除此之外,ARM任务也是小行星矿产开采与运输、小行星轨道偏转以防护地球等未来深空任务的一种展示。

在ARM任务中,无人航天器在接近目标小行星后捕获目标、改变运动姿态并实施拖曳的过程,在本文中被统称为“小行星捕获”,是任务实施过程的关键步骤。从技术手段的基本原理来看,以小行星为目标的捕获可以归结为空间非合作目标捕获的一种特殊形式。然而,相比于传统的空间非合作目标(如空间碎片、故障人造卫星等),有关小行星的如旋转状态、表面情况、质量与惯量等信息更加缺乏。除此之外,目标小行星的质量可达几百吨级,直径可达数米至数十米,均远远大于一般的空间目标。

目前,对空间非合作目标的捕获方法可分为两大类。第一类是刚性捕获,通过机械臂对目标进行捕获,如德国航天局与俄罗斯联合开展的空间系统演示与验证技术卫星(TECSAS)项目［2］、美国国防预先研究计划局发起的全能轨道操纵飞行器(SUMO)/前端机器人使能近期演示验证(FREND)项目［3］。第二类是柔性捕获,使用绳索/绳网进行辅助对目标进行捕获,如TUI(Tether Unlimited Inc.)提出的 GRASP 系统［4］,利用绳索在刚性杆件的支撑下形成一个网状结构,在交会过程中可靠地抓捕载荷；欧洲空间局的ROGER项目通过使用绳索连接机械爪捕获终端、网型捕获终端、机械臂等对目标进行捕获［5］。

对于ARM任务的捕获目标(直径数米的小行星、质量可达几百吨),目前主要方案是采用机械臂或者大型口袋进行捕获,分属于刚性捕获和柔性捕获。本文在分析采用机械臂或大型口袋捕获小行星的优缺点的基础上,提出一种利用“绳网飞行器”与“绳系机械爪”相结合的小行星捕获新概念方案,并对绳网收口机构的储能方式、收口机构以及机械爪抓取方式进行了针对性的改进设计,以在改变拖曳方向时减少能源消耗。

2 捕获小行星方案

2.1 机械臂或大型口袋捕获方案

ARM任务采用机械臂或大型口袋捕获小行星目标的概念原理如图1所示,两种方案都需要包络整颗小行星［1］。对于直径数米(后文中以十米为参考值)的目标,所需机械臂或口袋的规模相比已有同类技术均需大幅提升。ARM后续方案将捕获整块小行星改为采用机械臂捕获小行星表面巨石,如图2所示,很大程度上也是考虑到捕获整颗小行星的技术挑战不易在短期内解决［1］。

对于直径数米、质量可达几百吨的小行星(或更小的小行星表面巨石),如果使用机械臂或大型口袋进行捕获,具有相当大的技术难度,根本原因在于对小行星基本信息的缺失。潜在的技术困难列举如下：

1)小行星的形状、结构、质量和惯量等特性,只有在探测飞行器接近后才有可能开展精细探测,任务开展之前难以确定或准确度有限,机械臂或大型口袋的技术方案在设计初期就面临挑战。

2)小行星大多数是处于姿态旋转状态,且旋转状态事先不易精确确定。一方面机械臂或大型口袋稳定包络目标具有技术难度；另一方面机械臂与探测飞行器之间以刚性连接为主,有着非常强的动力学耦合特性,抓捕目标过程的稳定控制问题非常复杂。

3)处于姿态旋转状态的小行星即使能够成功被机械臂或大型口袋包络,在此之后实施定向拖曳也是技术挑战。探测飞行器需要巨大的阻尼力矩来改变小行星的姿态运动,阻尼力矩的实现是一项技术难题。

4)机械臂在包络小行星之后,需要设法固定于小行星；但是,小行星表面的地质结构事先并不清楚,有可能是由碎石松散的堆积起来,孔隙极多,机械臂末端不易实现锚定。若难以实现锚定,探测飞行器、机械臂、小行星之间的动力学耦合进一步复杂化,不利于后续的稳定拖曳。

基于以上分析,使用机械臂或大型口袋捕获小行星目标的方式技术挑战大、风险高,因此本文提出一种新的捕获方案,用于克服(或避免)上述的技术难题。

2.2 “绳网飞行器+绳系机械爪”捕获方案

参照空间绳网系统捕获非合作目标的方式,提出一种绳网飞行器的概念。如图3所示,正方形绳网的顶点质量块是能够独立飞行的微纳卫星平台,具备轨道与姿态机动能力,该类型绳网在本文中被称为“绳网飞行器”。根据被捕获目标的形状与结构,绳网的形状与顶点可以采用不同的设计。绳网飞行器相当于一种柔性飞行器,可以进行独立飞行,其最大构形取决于绳网完全展开的形状。一般而言,绳网材料需要强度高、质量轻、耐高温、柔性好等基本特性,碳纤维类材料是较为合适的选择。绳网飞行器由探测飞行器释放,释放前处于收拢状态,在探测飞行器附近自主地或接受指令开展空间操作,空间操作过程中与探测飞行器没有接触。

空间绳系系统与绳网飞行器相似,已有较多研究成果,如欧洲在1997年和2007年设计的YES和 YES2系统［6］,美国在 2003年设计的ProSEDS系统［7］,以及 2007 年设计的 MAST 系统［8］。与空间绳系系统相比,绳网飞行器的不同之处在于可以通过质量块协同控制轨道和姿态。首先,绳网飞行器实现与小行星目标的运动状态同步；然后,绳网飞行器接触小行星实现包络；最后,绳网飞行器通过质量块“交会对接”并拉紧绳网实现对小行星的捕获,即小行星被绳网完全包裹。这是一个非合作目标“合作化”的过程。探测飞行器没有接触式的参与,全程处于安全状态,并可以操控绳网飞行器的捕获过程。此外,探测飞行器可以携带多颗绳网飞行器作为冗余备份。

在绳网飞行器捕获目标后,探测飞行器释放绳系机械爪,绳系机械爪本身也具有机动能力。机械爪寻找合适的绳网结点(见图4)并实现抓取,从而实现探测飞行器与小行星的实质接触。

显然,此类接触是一种柔性连接方式,使得探测飞行器与目标小行星之间有足够的安全距离。即使机械爪抓取过程发生意外,也可以及时切断绳索或机械爪张开脱离与小行星的接触。相对机械臂的刚性连接而言,探测飞行器的安全性得到了极大的提升,捕获失败对探测飞行器的影响也大大降低。

基于以上分析,对ARM任务拟采取绳网捕获的柔性捕获方式,任务大体上分成三个阶段：第一阶段是靠近并调整,探测器通过轨道机动靠近捕获目标,进行相应的姿态调整以瞄准目标；第二阶段是发射及收口,探测器发射绳网,绳网在捕获目标后由收口机构进行收口；第三阶段是抓取及拖拽,在绳网捕获目标后,由探测器发射机械爪抓取绳网,消旋后进行拖拽。捕获过程如图5所示。

3 “绳网飞行器+绳系机械爪”方案的优势与难点分析

3.1 与机械臂或大型口袋相比的优势

基于空间绳系系统的可行性,设想一个以绳系系统为基础的空间捕获计划。空间绳系系统的捕获终端,在ARM任务中提到了机械臂或大型口袋。但是由于小行星表面地质结构不明,机械臂可能无法进行很好地捕获；而大型口袋对于十米或更大尺度的巨石目标需求体积过于庞大,且不好携带。相对于机械臂或大型口袋,“绳网飞行器+绳系机械爪”的方案具有以下优点：

1)绳网包络面积更大,容易收拢与张开,可以捕获直径更大的目标；

2)通过发射绳网对目标进行捕获,相对于被捕获目标的相对位置和姿态要求更低,容错率高；

3)绳网捕获装置更容易实现小型化的设计,可以携带多套绳网捕获装置,在单次捕获任务失败的情况下可以进行二次捕获,也可以对多个目标进行多次捕获［9］。

4)绳网飞行器作为一个独立飞行器,通过自身控制可以改变构形,调整相对于被捕获目标的位置和指向,空间操作灵活［10-12］。

5)绳系机械爪抓取绳网结点的操作方式便于实现。探测飞行器在小行星捕获过程中安全性高,基本不会与小行星发生碰撞。

3.2 技术难点与拟解决方案

“绳网飞行器+绳系机械爪”捕获小行星的概念,具有一定的优势,同时也引入了一些新的技术难点,总结如下：

1)绳网飞行器的轨道姿态运动是多颗微纳卫星在柔性连接下的协同控制飞行,是一种新的飞行方式,编队飞行同时避免碰撞。这是一个柔性多体系统的控制问题,需要开展深入的动力学建模与控制律设计研究。

2)绳网包络小行星后高效地、高可靠地收口是一项关键技术。在收口过程中可能出现的收口绳长度不一,锁死机构不稳定等问题都会阻碍成功收口,因而收口机构的设计就显得至关重要。

3)绳系机械爪对绳网结点的抓取是一项关键技术。一方面机械爪要准确的对绳网结点进行抓取；另一方面保证抓取后的稳固性。这就需要对抓取结构以及抓取方式进行合理设计以提高抓取成功率。

4)“绳网飞行器+绳系机械爪”方案对于在小行星表面抓取巨石具有难度,绳网飞行器难以包络小行星表面巨石。定向爆破技术有望得以应用,在巨石的接触面放置爆破装置,可将巨石推离小行星表面。失重状态下的定向爆破技术有望成为一个研究方向,在小行星探测、开采、防御领域具有潜在应用价值。

4 绳网飞行器收口机构概念设计

4.1 收口机构研究现状

目前,国外对系绳收放机构有一定的研究,如欧洲空间局在ROGER项目中提出的一种电机主动卷取式机构［5,13］。国内对系绳收放机构的相关研究有采用超声波电机的空间飞网自适应收口机构,结构上采用双向卷入,具有一定的防缠绕和翻滚的自适应机制［14］；还有弹簧储能式卷取机构,具有结构简单、成本低廉、可靠性高等特点,但只能收取,难于释放,因储能少不利于长距离卷取,也不利于重复使用［15］。目前关于绳网收口机构的主要方案如表1以及图6所示。

表1 绳网收口机构列表Table 1 List of take-up mechanisms for space net

4.2 收口机构设计及分析

收口机构的功能是在绳网飞行器包络小行星后执行收口操作。绳网系统展开后,在接近目标小行星包络面积达到最大后与小行星碰撞并开始收缩,此时不存在被小行星表面不规则岩石所勾住的情况。故我们只需考虑收口机构在绳网系统包络小行星后的收口操作。假设每一个质量块配有主动卷放机构,如图7所示,两个目标物是相邻质量快,共面不共线。由于两边系绳拉力不一定相等,或者绳网捕获的目标并不在绳网的中心时,两边的系绳长度不一样,因此收口机构必须有自适应性和差速性。单电机单绕线轮难以满足这种需求,单绕线轮对捕获目标在绳网中的位置以及两边收口绳的长度都有很高要求。在ARM任务中要做到捕获目标完全在绳网中心是相当困难的,因而单电机单绕线轮可行性不高。本文采用双卷筒与双电机,卷筒之间独立收绳,独立调控,进而保证收绳的可控性。

此外,由于两个目标物所造成的拉力不同,以及拉力有可能不通过质心,造成收口机构的翻转从而影响收口。为保证收口机构在收口过程中不翻转,要求收口机构的质心位置在两卷筒之间；若不满足该条件,则通过增加配重来进行调整。同时,为防止特殊情况下出现的收口绳反向拉伸,设置可控的锁死机构,保证相应时间段内绳索只能卷入,不能被拉出。

卷取机构的结构设计如图8所示,主要构成为质量块外壳、卷筒一、卷筒二、电机一、电机二、机械储能结构一、机械储能结构二、锁芯一、锁芯二。为保证深空探测的续航,收口机构采用机械储能与电机驱动相结合的双驱动模式。机械储能机构与电机驱动在绳网捕获之前均处于待触发状态,相互独立。其中机械储能机构与弹簧式储能收口机构类似,以弹簧弹性势能作为动力源进行收口。

当捕获行动开始时,由收口机构的触发机构发出收口指令(由于捕获网及质量块相对于被捕获目标的质量很小,在碰撞被捕获目标时加速度及绳网拉力将显著变化,因此可以采用拉力传感器或加速度传感器对其进行判定触发；或者通过探测飞行器发射无线电信号遥控触发),先由机械储能机构与卷线筒连接,收口机构切换至收绳状态,收口绳只能收卷不能拉出,由机械储能机构负责收绳。在机械储能机构弹簧弹性势能耗尽后,机械收口机构与卷线筒断开,再将电机驱动与卷线筒连接继续进行收口。在收绳接近结束时,四个收口机构相互靠近,为了保证收口机构的相互固定,在收口机构的外壳加装了类似锁芯的机构。若遇见紧急情况或者其它情况需要打开绳网,可由探测飞行器发射信号控制冠状锁解除锁定,并由电机控制释放绳网。如图9所示。

设计的收口机构采用了双电机加机械储能收口装置,可满足深空探测续航需求,同时收放可控；并且采用双向卷入双卷筒双电机模式,电机之间相互独立,具有差速功能和防缠绕防翻滚,对捕获目标位置没有严格要求,适应性广,可靠性高。经过针对性优化设计后,可以具有以下优点：

1)双电机驱动收绳确保在一端出现问题的情况下仍然能够收线,完成收口工作；

2)双电机驱动收绳的电机之间独立调控,收绳速度可控,具有适应性与差速性,保证在两侧绳索长度不一致时协同控制收绳；

3)双电机驱动收绳降低了绳网投放精度要求,捕获目标不需要在绳网中心,降低了捕获难度；

4)机械储能加电机驱动的混合方式进行收绳,降低了对收口机构的储能需求；

5)质量外壳装配有冠状锁与锁口,在收绳完成后能保证收口机构之间的相互锁紧。

在收口机构的能源供给方式中,机械储能机构结构简单,容易实现,技术已相当成熟；同时电机驱动在国外的ROGER项目［5］以及国内一些研究机构［14,17］都有研究及实际应用。在收口机构的最后固定过程中,冠状锁的配合简单,且对定位难度要求低,可靠性强。

5 机械爪及抓取绳网结点概念设计

5.1 机械爪研究现状

国外对机械爪的研究比较早,因此有相当多的成果,如德国宇航局开发的ROTEX的两指手爪［19-20］,日本的 ETS-7 机器人两指手爪［21-22］,以及加拿大航天局的SPDM机器人OTCM手爪［23］。这些机械爪全是多传感器集成、智能化的两指手爪,如图10所示。

除了两指手爪,还有三指手爪。相对于两指手爪,三指手爪具有更好的稳定性、更容易的曲线包络和更轻松的抓捕定位。如加拿大航天局的欠驱动SARAH手爪［24］,具有2个电机3个手指10个自由度,可以进行一些灵巧操作,如图11所示。

国内在机械爪研究领域起步较晚,但也有了相应的成果,比如中国科学院合肥智能机械研究所为空间机器人研制了一种多传感器手爪［25-26］,以及哈尔滨工业大学机器人研究所研制出的两指空间机器人手爪［27］如图12所示。

基于国内外研究情况,机械爪一般采用直流无刷电机；具有足够的感知功能,如位置、温度、力以及电流的感知功能等；与视觉系统有良好的机电接口。

5.2 机械爪设计及分析

5.2.1 需求分析

针对ARM任务,机械爪的主要任务是锁定绳网的绳结处从而对整个绳网及其所包络的物体进行拖拽,因此机械爪需要具有以下功能：

1)完善的传感器功能。为了能够适应复杂的空间环境,机械爪必须具备一定的自主性以及自我保护能力,因此配备多种传感器。

2)高精度的定位能力,以准确的对相应的绳网结点进行抓取。

3)足够强度的刚度和稳定性,保证在抓取及拖拽过程中不发生脱离。

机械爪抓捕绳网的一般策略为抓取收口机构,有一定的缺陷。一方面,抓取部位单一,只能抓取收口机构上的指定位置；另一方面,拖拽燃料消耗大,只能从收口机构那端进行拖拽,改变拖曳方向需要额外消耗燃料进行目标姿态调整,如图13所示。因此,采用机械爪抓取绳网结点的策略,首先绳网的绳结数量相当的大,选择灵活；其次,改变拖曳方向不需要调整目标姿态,只需要松开机械爪,重新寻找合适的绳结进行抓取及拖曳即可,如图14所示。

以绳网结点为捕获目标的机械爪,需要具有较强的定位能力和稳固性。两指机械爪多为回转结构,通过绕支点的转动来完成机械爪的开合动作。多指机械爪一般完成抓获比较小的物体,用手指内壁将目标物包络。为了保证更好的定位和包络空间,采用四指或五指的机械爪设计方案。同时,随着机械爪手指的关节数增加,灵活性增加,刚度、稳定性、承重能力将下降。故设计关节数尽可能少的机械爪确保抓取的强度和拖曳过程的稳定性,并在机械爪的末端增加可控的自锁机构,用于锁紧绳结。当机械爪捕获过程发生意外时,为保障探测飞行器的安全,设计了相应的解锁装置脱离探测飞行器。5.2.2 机械爪设计

基于对机械爪的需求分析,采用平面连杆机构和四指的设计方案,如图15所示。

机械爪由四指组成,每个机械手指末端装配有可操控开合的锁头。当抓取行动开始时,在手眼视觉等测量传感器引导下,机械爪从初始位置靠近目标绳结,逐步缩短与目标绳结的距离,并保持姿态同步。通过运动轨迹规划,实现机械爪到达抓取点位置并避免与目标小行星发生碰撞。机械爪四指闭合,末端锁扣相互锁紧扣合,完成抓取绳网结点。若出现意外情况,如卡死等,机械爪将启动安全恢复程序,重新对目标进行抓取。

6 行星的消旋

ARM中对行星进行消旋所采用的一种方法是在使用巨袋捕获小行星后,通过收紧巨袋内的安全气囊对小行星施加压力以固定小行星的质心并对其自旋产生限制,从而达到消旋的效果［28］。而本文所设计的捕获方案属于绳系系统,ARM中的方案无法有效实施。

TUI(Tethers Unlimited,Inc)于2015年对于绳系系统捕获方案下的消旋问题曾提出过动量交换法。即在系统捕获小行星后,由航天器释放小型卫星,将小行星的角动量转换到小型卫星上,最后再将小型卫星释放,从而实现小行星的消旋［29］。本文系统与此类似,可采用与之相似的方法进行消旋,如图16所示。在收口机构、机械爪以及绳系飞行器与机械爪的绳子连接处配备力传感器,实时监测力传感器的数值,并进行姿态控制,在绳子不断裂的情况下进行消旋。

7 结论

针对小行星重定向任务设计的一个以空间绳网系统为核心的柔性捕获新方案,通过“绳网飞行器+绳系机械爪”对目标小行星进行捕获,有效地避免了机械臂或大型口袋捕获小行星的技术难题和风险。优化设计的收口机构采用机械储能与电机驱动相结合的能源供给方式,降低了储能需求,提高了深空探测捕获任务的续航能力。机械爪抓取对象设定为绳网结点,提高了抓取灵活性,降低了改变拖曳方向的燃料消耗。“绳网飞行器+绳系机械爪”的捕获方案具有很高的可靠性、安全性,容错率高,适应性强。