太空機(jī)器人，是一種在航天器或空間站上作業(yè)的具有智能的通用機(jī)械系統(tǒng)。太空機(jī)器人具有機(jī)械臂和電腦，能實(shí)現(xiàn)感知、推理和決策等功能，可以象人一樣在事先未知的空間環(huán)境下完成各種任務(wù)。只有操作功能不具備智能的簡(jiǎn)單機(jī)器人一般稱為機(jī)械手。

研制背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)地球軌道衛(wèi)星的需求越來(lái)越多，如何保證地球軌道衛(wèi)星的壽命是各國(guó)航天技術(shù)人員必須面對(duì)的一大挑戰(zhàn)。特別是現(xiàn)在航空技術(shù)的發(fā)展還沒(méi)有達(dá)到能夠隨時(shí)安全的將航天員送入太空的地步。使用太空機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星維修已經(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)的研究對(duì)象。

首先，應(yīng)該建造可以獨(dú)立導(dǎo)航，對(duì)意外事件迅速做出反應(yīng)、甚至在關(guān)鍵零部件失靈仍能繼續(xù)工作的機(jī)器人。

其次，訓(xùn)練行星機(jī)器人去發(fā)現(xiàn)巖石中的骨骼化石，而像將活細(xì)胞同土塊區(qū)別開(kāi)來(lái)這樣的任務(wù)更是小菜一碟。美宇航局“機(jī)遇”號(hào)和“勇氣”號(hào)是最接近具有大腦的太空機(jī)器人目標(biāo)的兩部火星車，盡管如此，它們的能力仍相當(dāng)有限。

自2004年1月著陸火星以來(lái)，它們不得不處理六項(xiàng)重大技術(shù)故障，比如存儲(chǔ)模塊發(fā)生故障，車輪陷進(jìn)沙土等。“機(jī)遇”號(hào)和“勇氣”號(hào)目前仍在火星上工作，將重要的地質(zhì)數(shù)據(jù)傳給地面任務(wù)控制中心的工程師，后者可以遙控對(duì)它們進(jìn)行維修。

早期航天器上使用的機(jī)器人均是無(wú)智能的遙控機(jī)械手。美國(guó)、日本、蘇聯(lián)、西歐各國(guó)正在研制用于空間站初級(jí)階段的遙控機(jī)器人。隨著航天活動(dòng)的發(fā)展，對(duì)未來(lái)空間站高級(jí)階段提出了全自主的要求;此外在外層空間及星際考察中，由地面遙控航天器已不現(xiàn)實(shí)，也要求航天器自主控制，因此自主機(jī)器人是未來(lái)空間應(yīng)用機(jī)器人的必然發(fā)展趨勢(shì)。

分類

太空機(jī)器人按其復(fù)雜程度分為以下三種：

遙控機(jī)械手

最簡(jiǎn)單的太空機(jī)器人，一種由人操縱的多關(guān)節(jié)機(jī)械裝置。它僅起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用，需要由人不斷操縱。操作者是控制回路的直接組成部分。由于遠(yuǎn)程操作帶來(lái)信號(hào)傳輸和處理的延時(shí)，控制系統(tǒng)可能失穩(wěn)。早期航天器上的機(jī)器人均屬此種類型。

1967年美國(guó)“觀察者”-Ⅲ航天器上安裝的機(jī)械手，在地面操作者控制下，用手爪在月面上完成了挖溝操作并進(jìn)行了土壤實(shí)驗(yàn)。

1976年，美國(guó)“海盜”號(hào)火星登陸器上安裝的機(jī)器人接收地面遙控指令后，啟動(dòng)一個(gè)預(yù)先編好的程序，便在指定的表面上著陸，取回火星表層的土樣，并完成挖溝操作。

美國(guó)航天飛機(jī)上安裝的遙控機(jī)械手在航天員的遙控操縱下多次成功地釋放衛(wèi)星入軌，并在軌道上回收了出故障的通信衛(wèi)星。1986年2月蘇聯(lián)發(fā)射的“和平”號(hào)空間站上安裝了遙控機(jī)械手，它可將對(duì)接在軸向?qū)涌谏系暮教炱鬓D(zhuǎn)移到側(cè)向?qū)涌谏?，騰出軸向?qū)涌诠┫麓螌?duì)接時(shí)使用。

遙控機(jī)器人

一種人機(jī)混合的遙控系統(tǒng)。它將遙控和一定級(jí)別的自主技術(shù)相結(jié)合。系統(tǒng)有兩個(gè)控制回路：本地回路和遠(yuǎn)地回路，兩回路之間由遠(yuǎn)程通信聯(lián)系。工作在低智能和高響應(yīng)率的遠(yuǎn)地回路的太空機(jī)器人接到本地回路控制人員的遙控操作指令后，根據(jù)自身的敏感器信息和智能，在遠(yuǎn)地計(jì)算機(jī)控制下完成指定操作。

操作者則工作在高智能和低響應(yīng)率的本地回路內(nèi)，他根據(jù)機(jī)器人發(fā)來(lái)的各種信息監(jiān)控機(jī)器人在遠(yuǎn)地控制回路內(nèi)的工作，不時(shí)向它發(fā)出指令，遠(yuǎn)地計(jì)算機(jī)根據(jù)指令控制機(jī)器人的操作。操作人員無(wú)須直接介入機(jī)器人回路，就仿佛身臨現(xiàn)場(chǎng)一樣遙控操作，從而消除了操作者的疲勞感，大大提高工作效率。初期空間站開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的主要就是這種機(jī)器人。

自主機(jī)器人

不需要人操縱的智能機(jī)器人。它具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官功能。機(jī)器人接到航天員的命令后（或根據(jù)空間站上專家系統(tǒng)的指令），自行規(guī)劃、編程、診斷、決策，自主完成裝配、修理或?qū)嶒?yàn)任務(wù)。它也可乘坐噴氣背包到遠(yuǎn)離空間站的軌道現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行任務(wù)。

特點(diǎn)

太空機(jī)器人

太空機(jī)器人工作在微重力、高真空、超低溫、強(qiáng)輻射、照明條件差的空間環(huán)境下，它與地面上用的工業(yè)機(jī)器人有很大差別。在失重條件下物體處于漂浮狀態(tài)，給太空機(jī)器人操作帶來(lái)種種困難?？臻g視覺(jué)識(shí)別以及視覺(jué)與手爪的配合較地面更困難。太空機(jī)器人需要采用三維彩色視覺(jué)系統(tǒng)，以便同時(shí)確定物體的位置和方向，還要有便于更換的靈巧末端操縱器，利用其接近覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)傳感器配合視覺(jué)系統(tǒng)完成各種操作任務(wù)。

功能

太空機(jī)器人可代替人在空間從事下列三項(xiàng)主要工作。

①空間建筑與裝配：安裝空間站大型結(jié)構(gòu)，天線，太陽(yáng)陣;裝配大型桁架和模塊艙。

②維修航天器：回收失靈的衛(wèi)星，帶回到空間站進(jìn)行修理，修好后再用軌道轉(zhuǎn)移飛行器 - OMV釋放到預(yù)定工作軌道;對(duì)故障衛(wèi)星進(jìn)行在軌修理；為航天器定期補(bǔ)給消耗品或燃料。

③空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)：美國(guó)空間站上將利用機(jī)器人生產(chǎn)超純半導(dǎo)體材料和生化藥品；西德將利用機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置 - rotex在歐洲航天局的有人照料自由飛行平臺(tái) - MTFF上進(jìn)行各種空間自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

研究進(jìn)展

美國(guó)宇航局 - NASA2017年1月4日宣布2項(xiàng)新的計(jì)劃，將向小行星發(fā)射無(wú)人飛行器，對(duì)早期太陽(yáng)系進(jìn)行詳盡分析，這兩個(gè)計(jì)劃分別命名為“露西” - Lucy和“普賽克” - Psyche。

美國(guó)宇航局計(jì)劃2021年10月發(fā)射太空機(jī)器人“露西”?！奥段鳌钡哪繕?biāo)是研究特洛依群小行星，這是位于木星軌道的一大片小行星，被認(rèn)為是太陽(yáng)系早期歷史的遺跡。

“普賽克”則可能于2023年啟動(dòng)，將探索一個(gè)巨大的、獨(dú)一無(wú)二的金屬小行星——16Psyche。大多數(shù)小行星是巖石或者冰層覆蓋，但科學(xué)家認(rèn)為這個(gè)小行星主要由鐵和鎳構(gòu)成。

NASA稱，科學(xué)家正在考慮一種可能性，即16Psyche是一個(gè)早期行星的核心，但由于數(shù)十億年前的暴力沖擊，它的巖石外殼脫落了。