空间机器人为何长得奇形怪状一点不像人

目前的空间机器人大多数只剩下一个机械臂：

对于它们而言，眼下的关键词只有一个：能用。

空间机器人其实是一个很大的领域，中国在这个领域已经有不少达到世界领先水准的成果，例如月球车“玉兔”，它就是一种星球探测机器人，再比如中国即将于2022年投入运营的载人空间站，它由一个核心模块、两个实验舱和一个货运飞船组成，这些模块将通过使用由大臂（10米）和小臂（5米）组成的遥控空间机器人操纵系统在飞行轨道上装配。

不吹不黑，今天我们就来给大家讲讲空间机器人的内容。

（一）按应用场景，空间机器人可以分成三大类

空间机器人就是在太空空间中应用的机器人，按照应用的具体场景，它可以分为三大类：用于太空飞行器上的舱内外服务机器人、可以独立在宇宙空间自由飞行的自由飞行空间机器人和用于月球、火星等探索的星球探测机器人。

服务机器人分为舱内和舱外两种，都是附着在飞行器上的。

舱内服务机器人通常体积小、质量轻、活动范围较小，拥有很高的灵活性和机动性，可以辅助航天员完成舱内工作，例如舱内装配等；舱外服务机器人与之相比体格更大也更有劲，可完成较大型的任务，包括小型卫星的捕获及维护、目标搬运、在轨装配等任务。

因为太空环境恶劣，舱外服务机器人还可代替或者辅助航天员完成部分出舱活动的任务，宇航员可以被固定在机械臂的末端进行太空行走、完成空间站的维修等工作。

（宇航员在舱外机械臂的辅助下完成舱外活动）

自由飞行空间机器人相较于第一类，明显的特点是具有自主飞行的能力，一般由作为机器人本体的卫星和搭载其上的机械臂组成，可以用来对卫星进行在轨服务，例如进行在轨的维修、装配等。

（自由飞行空间机器人）

而星球探测机器人则是指适用于月球或行星表面执行探测任务的一类机器人，一般附有轮子，机器人形体类似于车体，用来进行样品收集、科学仪器的安置以及着陆地点的探测等。开头我们提到的 “玉兔号”就属于这一类。

（月面巡视）

（二）空间机器人的第一个挑战：工作环境难以模拟

工作环境是空间机器人面临的重大挑战，毕竟，它们的真正工作环境是微重力、高真空、超低温、强辐射、照明差的太空，而这些条件在地面是难以模拟的。

比如微重力这种条件，飞机抛物线飞行法可以进行模拟，其原理类似于我们人在电梯下落中体验到的短暂失重。这种失重是真正的失重——人全身上下每一个细胞、每一个原子都处于失重状态。

但是，这种方法创造的微重力环境持续时间短、价格昂贵，最常用于航天员的训练，机械设备的模拟实验一般不会用到。

（霍金体验抛物线飞行中的失重状态）

除了上面这个方法，气浮法、水浮法和吊丝配重法等也是经常采用的方法。

气浮法是采用气足（又称空气轴承），将空间机械臂支撑在光滑的气浮台上，利用气足喷气的反作用力抵消机械臂的重力；水浮法是在大型中性水池中模拟微重力环境，通过添加配重使得空间机械臂在水中的浮力与重力相平衡；吊丝配重法是通过滑轮组利用配重物的重力来补偿空间机械臂的重力，即采用吊丝竖直向上的拉力来平衡空间机械臂的重力。

（水浮法模拟失重环境）

和飞机抛物线飞行方法不同的是，这几种方法实际上并不是真正的失重，只是能做到让空间机器人受到的力的合力为零，而不能保证其每个原子都失重——不过幸好这对于机器来说并不重要。

（三）空间机器人的第二个挑战：怎样“稳准狠”地抓取目标

空间机器人的工作说白了就是抓东西并将其送到指定地点，这个问题并不简单。

空间目标有的是受控的，比如舱内的元件、人造地球卫星；有的是失控的，比如小行星，它有各种形状，要想抓牢，空间机器人的手必须跟人手一样能适应各种情况。

（NASA研制的仿人手空间机器人手）

另外，空间目标可能同时处于各种运动模式，如三轴稳定、自由漂浮或者翻滚，空间机器人需要依靠在宇宙空间中十分昏暗的光照条件下看到的图像对空间目标的运动进行判断，而由于计算速度受到限制，其给出的测量信息往往与目标当前的状态并不一致，存在时间延迟，因而需要有相应的算法，对目标的运动状态进行实时预测。

再者，空间机器人在抓取的时候还要保证自己“不手抖”，这很好理解，为了让机械臂自由活动，它的很多关节是可以动的，这些关节越多、机械臂看起来就越软，稍微有个环节出差错，机械臂就非常难精确控制了；另外为了大活动空间和减轻重量，机械臂容易造的又细又长，这样也容易抖，这都对机械臂的可靠性提出了要求。

（小行星重定向任务中利用柔性机械臂抓取空间目标）

春节有一个段子，“自从我知道上太空每重一公斤就要多花十万块钱，我就开始控制自己的体重”，要知道，火箭每次发射携带的重量十分有限，在这样的限制下把机械臂做好并非易事。

（四）空间机器人的第三大挑战：恶劣环境下如何保证可靠性

上面说的几个问题已经让空间机器人的研发难上加难了，可是真正考验空间机器人的，是其在恶劣环境下的可靠性，也就是我们经常说的航天品质。

以空间机器人的热设计为例，空间机械臂在轨姿态复杂，在由阳照面和阴影区转换过程中，机构表面和内部在短时间内会产生上百摄氏度的温差，这一温差会给机构中活动部件的工作带来威胁，轻则降低机构的性能，重则导致机构卡死，从而使整个机械臂无法正常工作。

而一些相机用的照明设备功耗很大，在真空中无法依靠空气对流高效散热，又不能将热传导到机械结构上，因此稍有不慎就会将自身烧毁，这些都对空间机器人的可靠性设计提出了要求。

目前，中国几所航天航空专业较强的高校均设立了专门的可靠性工程院系；中国航天人创立的“问题归零”制度成为国际标准，一旦发现一点问题，所有环节都要重来一遍，把故障的原因彻底弄清楚、复现解决后才继续往下走，以保证绝对可靠…这些都说明了航天对可靠性的极端重视。