空间机器人发展现状与技术展望

刘子宁

【摘要】    本文从空间机器人的定义和分类出发，通过回顾空间机器人的发展历程，对当前空间机器人的发展现状进行了综述和总结，得出空间机器人的智能化、类人化、微型化和无形化的发展趋势，进而得出人工智能将是空间机器人的重点，并相应对人工智能空间机器人的未来发展进行展望。

【关键词】    空间机器人    机械臂    人工智能

一、空间机器人分类

1、 按用途进行分类。空间机器人按用途主要分为星球探测机器人和空间站应用机器人。星球探测机器人是为了了解外星球的气象、地质及生命活动情况，派出的空间机器人。其功能需匹配所派往星球及探测计划，通常星球探测机器人由轨道器及着陆器构成。空间站应用机器人可以在空间站或其他航天器内与宇航员并肩工作，主要工作任务在于执行空间站中危险及重复的太空作业，以节省人力和时间，使得空间站的人类宇航员可以从事其他太空研究工作。

2、按功能进行分类。空间机器人按功能进行划分，主要分为空间机械臂机器人与类人机器人两大类。空间机械臂机器人具有广泛丰富的用途和强大灵活的功能，是最早应用的一类空间机机器人，是空间站建设、维护和使用的关键设备，也可以完成对接、搬运等任务。类人机器人更加灵活且具有更高智能性，可以与人类宇航员协作或代替人完成特殊复杂、灵活多变的任务。可直接搭乘载人航天器和使用人类航天装备，与人类进行直接的交流合作，是现今空间机器人发展的主要领域。

二、空间机器人发展历程

20世纪80年代起，德国开始研制轻型机械臂，其共有3代产品，为适应航天的减重需要，从第1代的14.5kg逐步减重至8kg。与此同时，其自由度也逐步提高，发展到第三代，具备了7个自由度，有对称式和非对称式布置两种关节构成方式，较前代产品更加灵活。20世纪90年代初，日本为国际空间站上的日本实验舱开发了机械臂JEMRMS。其由主臂和小巧手组成两部分均具有6个方向的自由度。其具有两个主要功能模块，视觉功能模块和抓取功能模块。空间机械臂中最典型的是装载到国际空间站上的加拿大臂SSRMS，其于2002年添加到空间站移动运输装置之上，其主要具有三个功能模块：工具的储存模块、固定模块和视觉模块，用以帮助航天员开展舱外的维修工作。

21世纪初，随着对月球、火星的探测工作逐步深入，好奇号应运而生，其为NASA研制的一台火星车，主要任务用于火星探测。好奇号为世界上第一辆采用核动力驱动的火星车。2013年，中国第一台机械臂投入使用，其主要完成了大量的操作性试验。2016年，中国自主研制的太空碎片清除机器人投入使用，其主要功能为进行探测、抓取等太空碎片的清除工作。首位类人空间机器人“Robonaut-2”于2011年2月24日，搭乘美国发现号航天飞机，进入“国际空间站”。“Robonaut-2，其相较Robonaut-1更为紧凑、快捷、灵活、先进。使其能够更加有效地与人合作开展工作。2013年8月，首个会说话的机器人进入太空，其由日本研制，名叫 “基博”，它的体型比进入太空的绝大多数机器人小，其主要功能为协助航空接收来自地球的信息，并用日语与航天员进行沟通。

三、空间机器人的发展趋势

1、智能化。人工智能技术在空间机器人领域的应用，令其具有更强的自主性，通过不断的自主学习和任务积累经验，使其具有更强的自主判断能力、应变能力与执行能力，能够在无人类遥控帮助和预设下自主完成更危险、特殊、复杂、灵活、重要、多变和实际情况未知的任务，能够大大保障人类宇航员的安全。2、类人化。类人化可以直接令机器人航天员搭乘、佩戴、使用为人类设计的航天器、航天装备和航天工具，节约为机器人设计专用版本的成本。此外通過配合智能化，可与人类宇航员直接进行交流，简化了交流方式，方便任务的执行与宇航员的工作生活，还可缓解人类宇航员在太空中的孤单。3、微型化。微型化主要针对执行人类或人形无法完成的特殊任务的特种机器人，在完成特定任务的要求下尽可能减小体积，减少发射成本和能源消耗，增加复杂环境的适应性。4、无形化。随着空间机器人朝着人工智能方向发展，其外在物理形态已不再重要，它可能是内存中的某个程序，通过交互、传感和反馈，控制着某些系统的组合。其发展越来越聚焦无形的智能化功能，并辅助或代替人类做出决策。

结论及展望：空间机器人未来的发展，重点在于人工智能方面的发展，即真正实现智能机器人的智能自主学习、智能分析决策、精密操作、柔性操作、多机器人智能集群协同工作、智能识别等。随着科学技术的发展，空间智能机器人将在航天领域发挥更为重要的作用。未来它将应用于远距离外星体独立探测与基地建造等复杂空间任务，成为人类最得力、最忠实的助手，协助人类探索浩瀚无垠的宇宙。

参  考  文  献

[1]王燕波，李晓琪. 智能机器人——未来航天探索的得力助手[J]. 宇航总体技术. 2018（5）

[2]庞之浩. 飞向太空的机器人[J]. 自然与科技. 2014（3）

[3]之浩. 太空机器人是航天员的好帮手——从首个会说话的太空机器人登天谈起[J]. 国际太空. 2013（11）

[4]李海阳，张波，黄海兵. 航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究[J]. 载人航天. 2014（7）