太空机器人技术：微重力环境下的卫星维修与行星探测关键探索

所谓太空机器人主要用于修复“瘫痪”的人造卫星以及探索太空中的月球或行星。太空机器人工作的微重力环境与地面上的受力效果有很大不同。因此，如何控制太空机器人，使其能够完全按照人类意愿执行太空任务，是当前科学家面临的一个重要问题。

NASA于1990年发射了哈勃太空望远镜，并在几年后对其进行了修改——宇航员通过太空舱外操作更换了其观测设备。

毫无疑问，即使对于训练有素的宇航员来说，在太空中进行舱外操作也是一项非常危险的任务。而且，宇航员的舱外训练需要相当高的成本。那么，这种工作能否被太空机器人取代呢？目前，日本东北大学吉田教授领导的研究实验室正致力于探索这一领域。

克服微重力是关键之一

吉田实验室的研究对象主要是探索太空机器人、行星探测器以及绕地球轨道上的火星和月球探测车如何在微重力环境下工作。由于轨道、月面等重力很小，机械环境与地面完全不同。只有充分了解微重力环境的力学特性，才能掌握如何控制机器人。

开发太空机器人的关键之一是克服微重力。在绕地球轨道上，当机器人通过机械臂捕获卫星进行维护操作时，处于漂浮状态，不接触地面。这时，只要机械臂稍微移动（在反作用力的作用下），机器人本体也会发生位移。如果不摆脱这个反作用力，在机械臂运动的过程中，身体就会随之移动。即使机械臂向目标卫星方向延伸，其位置也会发生偏移。乍一看，控制机器人的运动似乎非常复杂。但吉田教授认为，这是因为我们对机器人在太空环境中的运作方式还比较陌生。从力学的角度来看，这实际上是一个简单的动作，比地面的干扰要少得多。如果能够很好地掌握其机械特性，即使在漂浮状态下，机器人也能按预期完成任务。

首先，必须保证机械臂运动时，机器人本体必须坚如磐石。一旦身体发生位移，其天线的方向可能会发生变化，从而中断地面与机器人之间的通信。因此，设想在机器人本体上安装姿态控制装置来吸收反作用力，但这需要设计更复杂的结构，目前很难实现——目前的研究思路是利用机器人本体的零件机械臂本身消除反作用力。

机械臂控制技术

机械臂有多个关节。简单来说，就是当某个部位顺时针旋转时，让其他关节逆时针旋转，这样其运动时产生的反作用力就可以被消化在机械臂内部。自1995年起，吉田实验室就这个想法进行了地面实验。 1999年，“巨化七号”（技术实验卫星七型）又在太空进行了一次实验。实验进行得很顺利。在不改变硬件的情况下，仅改变控制方法就可以将机器人本体的反作用力降低到最小。

目前，安装在航天飞机或国际空间站上的机械臂在运行过程中移动缓慢。由于运动幅度较大，反作用力增大，很容易引起机械臂振动。因此，搭载在航天飞机上的机械臂在太空运行时，往往需要缓慢转动机械臂，然后暂停一会儿。待振动和晃动基本停止后，机械臂再次旋转。如果在空间中能够有效抑制机械臂的振动，其作业效率将大大提高。

很快，即将与国际空间站对接的日本“希望”实验舱也将进行这方面的测试。 “希望”号有一个专门用于实验的“暴露舱”——用机械臂代替暴露在太空中的实验装置。安装在“希望”号上的机械臂由类似于人类手腕的主臂和用于食指的副臂组成。副臂设计用于执行非常精确的操作。

“希望”号上的机械臂长约10米，这样的长度很容易产生振动。根据其设计标准，位置精度必须在正负一英寸以内。但即使副臂能够精确控制，如果基臂不能消除或吸收反作用力和晃动，那么设计也将完全没有意义。

目前，空间站上机械臂的操作基本上依靠经过长期训练的宇航员。吉田实验室正在根据“希望”的地面实验数据模拟如何在太空中控制机器人，以便即使没有经过特殊训练的人也能轻松控制太空中的机器人。

修复故障卫星

那么，机械臂控制的研究前景如何？吉田教授认为，最终目标是开发出能够在轨道上服务的太空机器人。人造卫星必须有使用寿命。当姿态控制系统耗尽燃料或出现其他故障时，人造卫星就会“瘫痪”。所谓“轨道服务”，就是利用太空机器人为此类人造卫星加油或维修，以延长其使用寿命。

地球周围的太空中漂浮着大量被称为“太空碎片”的垃圾，其中大部分是已经失效或发生故障的人造卫星；此外，还有卫星因发射失败而未能进入预定轨道。一旦这些“太空碎片”撞击其他卫星，后果不堪设想；从事轨道服务的太空机器人此时就可以大显身手，收集太空中的垃圾，然后将其送入大气层燃烧自己。

未来，如果人造卫星上安装的仪器预先设计有像哈勃太空望远镜那样的可更换部件，那就方便多了。只要用太空机器人更换已经过期的零件，就可以重新焕发青春。

太空机器人的另一个重要作用是捕获发射失败的卫星，将其稍微加速并送入目标轨道，从而继续完成任务。

隼鸟小行星探测器

2003年5月，日本发射了隼鸟号小行星探测器。隼鸟号的任务之一是与太空中的小行星进行即时接触（撞击）并在返回地球之前对其进行采样。目前它正在前往小行星的途中。吉田实验室也参与了隼鸟号的研制，对采样方法以及采样过程中探测器的操作进行了仔细的研究。

对“隼鸟”的研究始于八年前。最初人们认为太空机器人在轨道上的控制，即漂浮状态下的控制，与行星探索无关。后来发现事实并非如此，首先需要对隼鸟号与小行星表面接触时产生的冲击力进行适当的评估。根据撞击时的环境条件推测，探测器与小行星接触瞬间产生的撞击力可能会导致其被撞翻甚至坠毁。吉田实验室通过使用模型的基础实验和计算机模拟实验，对这个问题进行了仔细和反复的研究。

吉田教授在实验室研究太空机器人设备

“百鸟号”的目标是名为“”的小行星。事实上，人们对它的表面几乎一无所知。它的表面是被岩石覆盖还是被沙子和砾石覆盖？因此，在计算机模拟实验中假设了各种情况。

吉田教授表示：“隼鸟号接触小行星之前，小行星表面的情况是未知的。我们设想了各种可能性，并研究了一种能让探测器安全可靠的采样方法。如果隼鸟号接触小行星后能够安全返回，我们将能够揭开许多有关小行星的谜团。

空间机器人自主控制

除了重力之外，还有几个问题必须考虑。其中之一：太空机器人一旦发射，必须依靠地面遥控或根据机器人自身的判断进行自主控制。由于它是无人飞船，人类无法在现场对其进行控制。地面遥控会产生通信时延的问题。即使将命令发送到轨道高度为500至600公里的卫星，由于要经过各种网络或数据中继卫星，信号来回也需要几秒钟的时间。时间。像月球和火星这样的遥远天体需要更多的时间。因此，机器人此时必须能够做出自己的判断并调整自己的工作节奏。

从“巨化七号”的实验中我们知道，如果有一定程度的时间延迟，“预测显示”技术是非常有效的。所谓“预测显示”是指当地面上远程控制轨道上的机械臂时，利用计算机图形预测下一步的动作，并以图形方式显示在显示器上。如果远至月球，则可以完全克服时间延迟的影响。

然而“”无法实现这样的远程控制。当它到达小行星时，距离地球已经有3亿公里了。仅无线电波的往返就需要大约30分钟。如果判断失误，就会产生后果。小行星碰撞的危险。如果想通过地面的指令来控制，时间是绝对不允许的。

用于探测火星等行星的漫游车也是如此。从地面发出的指令指示它向目标岩石移动。因此，火星车需要自行做出判断，避开途中的障碍物，以确保其安全到达目的地。 。

太空机器人开发需要想象力

在“隼鸟”研究的基础上，吉田等人还开始了下一代小行星探测器的研发。他们希望下一代小行星探测器能够在小行星上停留一段时间，在拍摄小行星表面的同时，还能完成对其成分的分析。带着这个目标，吉田教授的想法是开发类似昆虫的机器人。

吉田教授认为，小行星表面的重力很小。由于昆虫的重量很轻，所以昆虫本身所受的重力也应该很小。从某种意义上说，活动几乎可以独立于重力而进行。如果我们能够模仿昆虫，制造出一种可以在微重力环境下自由移动的机器人，那么这种机器人将是未来小行星探索的“挑战者”。

吉田教授对太空机器人的开发有着浓厚的兴趣。他表达了这样的想法：宇宙和我们在地球上的日常经历是两个完全不同的世界。因此，当研究在太空工作的机器人时，在地面上获得的经验可能并不理想。我们需要充分发挥我们的各种想象力，提出具有挑战性的想法，这些想法可以通过实验或计算机模拟来验证。当你的想法得到证实的那一刻是比其他任何事情都更令人兴奋的时刻。研制出理想的机器人必然成为太空发展的动力，关系到行星探索领域更大的科学发现。