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太空机械人,太空机械冒险,人是太空人的后代:讲

文章来源:admin    时间:2022-09-23
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太空机械人,太空机械冒险,人是太空人的后代出品 | 网易新闻

作者 | 启元启方,博士 清华大学机械工程系在读生

提到太空机器人,可能首先想到的就是出现在各种科幻电影中的人形机器人,比如下面这些:

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但事实上,对于机器人来说,鼻子、眼睛和耳朵这些略显花哨的东西太空机械人,已经被研究人员忽略了。目前大部分的太空机器人只有一个机械臂:

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太空机械人,太空机械冒险,人是太空人的后代对他们来说,现在只有一个关键词:可用。

太空机器人其实是一个非常大的领域。中国在这一领域已经取得了许多世界领先的成就。例如,月球车“玉兔”就是一种行星探测机器人。另一个例子是中国即将在2022年运行的载人空间站,由一个核心舱、两个实验舱和一艘货运飞船组成,将使用由大臂组成的遥控空间机器人操纵系统进入飞行轨道(10 米)和一个小臂(5 米)组件。

不吹不黑,今天就来说说太空机器人。

太空机械人,太空机械冒险,人是太空人的后代(一)根据应用场景,太空机器人可分为三类

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太空机器人是在太空中使用的机器人。根据具体应用场景,可分为航天器舱内外服务机器人、可在太空中自主飞行的自由飞行航天机器人、航天器使用机器人三大类。用于探索月球和火星的行星探索机器人。

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服务机器人分为机舱内和机舱外两种,均附在飞机上。

舱内服务机器人通常体积小、重量轻、活动范围小。它们具有很高的灵活性和机动性,可以协助宇航员完成舱内工作,例如舱内组装;更大更强大,可以完成更大的任务,包括小型卫星的获取和维护、目标处理、在轨组装等任务。

由于太空环境恶劣,舱外服务机器人还可以替代或协助航天员完成部分舱外活动任务。

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宇航员在舱外机械臂的帮助下完成舱外活动

与第一类相比,自由飞行空间机器人具有自主飞行能力的明显特点。通常,它们由作为机器人本体的卫星和安装在其上的机械臂组成。它们可用于在卫星上执行在轨服务,例如在轨维护、组装等。

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自由飞行的太空机器人

行星探测机器人是指适合在月球或行星表面执行探测任务的一类机器人。通常,它带有轮子。机器人外形与车身相似。它用于样本采集、科学仪器的放置和着陆点的检测。我们开篇提到的“玉兔”就属于这一类。

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月球巡逻

(二)太空机器人的第一个挑战:工作环境难以模拟

工作环境是太空机器人面临的一大挑战。毕竟,他们真正的工作环境是微重力、高真空、超低温、强辐射、光线差的太空,这些条件在地面上是很难模拟的。

例如,可以通过飞机的抛物线飞行方法来模拟微重力条件。这种失重就是真正的失重——人体内的每一个细胞、每一个原子都处于失重状态。

但这种方法所创造的微重力环境持续时间短且价格昂贵,最常用于航天员的训练,一般不用于机械设备的模拟实验。

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霍金在抛物线飞行中体验失重

除上述方法外,气浮法、水浮法和吊线重法也是常用的方法。

气浮法是利用气脚(又称气浮轴承)将空间机械手支撑在光滑的气浮台上,利用气脚射流的反作用力抵消机械手的重力;大型中性水池采用水浮法。模拟微重力环境,增加配重太空机械人,平衡空间机械手在水中的浮力与重力;吊线配重法是利用配重的重力通过滑轮组来补偿空间机械手的重力,即用吊线垂直向上拉来平衡空间机械手的重力。

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模拟失重环境的水浮选

与飞机的抛物线飞行方法不同,这些方法实际上并不是失重,而是可以使空间机器人上的力的合力为零,并且不能保证每个原子都是失重的——幸好这是它没有的'对机器无关紧要。

(三)太空机器人挑战之二:如何“稳稳准确”地抓握目标

说白了,太空机器人的工作就是抓取东西,送到指定的地方。这个问题并不简单。

一些空间目标是受控的,例如机舱内的部件、人造地球卫星;有些是失控的,比如小行星,形状各异。要抓住它们,太空机器人的手必须能够像人的手一样适应各种情况。

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NASA开发的仿人太空机器人手

此外,空间目标可能同时处于多种运动模式,如三轴稳定、自由浮动或翻滚等。太空机器人需要依靠在宇宙中非常昏暗的光照条件下看到的图像来判断太空目标的运动。计算速度有限,其给出的测量信息往往与目标当前状态不一致,存在时间延迟。因此,需要相应的算法来实时预测目标的运动状态。

此外,太空机器人必须确保其在抓取时“不摇晃”。这是非常可以理解的。为了让机械臂自由移动,它的许多关节都可以移动。越软,如果一个环节出现细微的误差,就很难精确控制机械臂;另外,为了增加运动空间,减轻重量太空机械人太空机械人,机械臂容易做细长,也容易晃动。可靠性要求。

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在小行星重定向任务中使用灵活的机械臂抓取太空目标

春节有句俗话,“自从知道太空每公斤要多花10万元,我就开始控制自己的体重。” 要知道,火箭每次发射的重量都是非常有限的。正确使用机械臂并非易事。

(四)太空机器人的第三个挑战:如何保证恶劣环境下的可靠性

上述问题让太空机器人的研发更加困难,但真正考验太空机器人的是其在恶劣环境下的可靠性,也就是我们常说的航天品质。

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以空间机器人的热设计为例,空间机械臂的轨道姿态较为复杂。在从阳光照射的表面到阴影区域的过渡过程中,在很短的时间内,机构表面和内部之间会产生数百摄氏度的温差。中间运动部件的工作构成威胁,轻则降低机构性能,重则导致机构卡死,使整个机械臂无法正常工作。

一些摄像头照明设备耗电大,无法在真空中依靠空气对流有效散热,无法将热量传导至机械结构。设计要求。

目前,国内多所航空航天专业较强的高校都设立了专门的可靠性工程系;中国航天员创造的“问题归零”系统已成为国际标准。一旦发现问题,必须重复所有链接。彻底搞清故障原因,解决复发后再继续往下走,确保绝对可靠性……这些都表明航天对可靠性的重视。

结语

在我国航天领域太空机械人,以人造卫星、空间机器人为代表的火箭和航天装备正在逐步向民用开放。在全球范围内,SpaceX上个月发射的猎鹰重型大推力火箭的技术发展将大大降低发射成本,刺激航空航天市场的快速扩张。空间机器人的重量限制将进一步解除,巨大的应用前景也将引领行业快速发展。

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太空机械人,太空机械冒险,人是太空人的后代编辑 | 曹雪、史文辉

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