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航天器应用的机器人

随着科学技术的飞速发展和科学家们坚持不懈的努力,人类邀游宇宙的梦想正在逐步得以实现。发射卫星,漫步月球,建立空间站等,宇宙将成为人类另一个生存的空间已不是幻想。但是,如何更安全、更有效和更简便地实施太空作业,是宇航科学家们所面临的重大研究课题。

航天器应用的机器人

利用航天飞机维修和回收轨道上的人造卫星已经成为太空作业的主要工作之一,在太空极限环境下,修理人造卫星故障,需要宇航员进行舱外作业,而舱外作业必须穿着太空服,系上安全缆绳,即使这样,也会时刻发生危险。因此,需要研宄航天器应用的机器人,代替人实施舱外无人自动化操作,代替宇航员进行人造卫星的维修、更换机器、辅助试验、组装空间站等作业。接近出现故障的人造卫星,进行对接操作是极其困难的,在这种情况下,非常适合用机器人手臂去捕捉卫星,即使没有对接装置,通过机械手臂也可以很容易地捕捉到浮游的卫星。此外,宇航员若在太空失重环境中长期滞留,会对人体产生不利的影响。因此,为了在太空中能够长期进行材料试验和生物化学试验,也必须采用机器人进行自动化操作。特别是同时进行多项试验时,用机器人分时地进行试验,可大大提高效率。

目前,各航天航空国家正在紧锣密鼓地研究开发、改进完善各种航天器机器人,使它们更好地为人类开发空间贡献力量。

日本的Micr05

Micr05是由日本宇航中心、梅基大学和绰大学联合研制开发的种体积小、重量轻、低能耗的星球探测机器人。该机器人采用五点接触悬吊结构,带有两个立体相机用于前方的地形观测。在机器人的周围还装有六个COMS相机用于导航和科学观测。此外,还装有俯仰和翻滚倾斜仪用于车的姿态检测,装有编码器进行航位推算。计算机在线处理这些传感器的信息,进行环境识别、路径规划和导航控制。Micr05具有与地面之间的通信系统,可以将漫游车所观测到的图像、收集到的数据及自身的动力学数据传给地面系统,操作者可以在地面利用遥控操作技术对Micr05进行控制。

日本的Micr05

日本宇宙科学研究所(ISAS)也埘月球漫游午进行了一系列的研究。其中较为典型的是具有子母结构的月球漫游车。该系统包括母车和子午两部分。母车由四轮独立驱动,其最快行驶速度为1km,可跨越0.15m高的障碍,可攀登倾角为30度的斜坡。子午有六条腿,每条腿有三个关节。这种腿不仅用于移动,而且还可用作采样时使用的机械臂。另外,为了实现自主导航和对门凸不平等地形进行探测,子车的每条腿上还配备了CCD相机,这种子母漫游车的设计是充分考虑星球探测时可能遇到的复杂地形。母车可以在较平坦的地域行驶,当需要时,子车可从母车上下来对凹凸不平的地形和悬崖附近等地进行探测。因此,这种漫游车具有较强的环境适应能力。

FIDO火星探测机器人

美国喷气推进实验室(JPL)正在研制的种高度自主控制的火星探测机器人。

它利用车上的计算机视觉和自主控制技术进行导航,并能够将桅杆上的相机观测到的图像和机械臂的动作很好地结台起来。

机械结构采用六轮悬吊式,带有一个可折叠的具有四个自由度的桅杆,桅杆上装有一台多视野的立体全息相机,一台集成科学仪器,一台分光仪。

FIDO火星探测机器人

车上带有一个四自由度的机械臂,在机械臂上安装有一个微型相机和一个莫氏分光计。

在车体的前下部还装有一个小型的样本挖掘器,用于挖掘、传送和储存样本。

车体的前后部各有一台视角为120度的立体相机,用于避障,还备有一台基于太阳姿态敏感器的惯性导航系统,一台微分GPS用于地面实时跟踪。

在FIDO的顶部安装有具10度视野的多光谱高分辨率立体像机组,一对用于远距离导航的黑白立体相机,腹部还装有一台用于观察的相机。

 

Rockv7火星探测机器人

Rockv7火星探测机器人是美国喷气推进实验室(JPL)为美国国家航空航天局研制的火星探测机器人系列中最新的一种。1997年“探路者”号宇宙飞船送上火星的索杰纳火星探测机器人是它的种简化型号。

Rockv7火星探测机器人

Rockv7火星探测机器人重约15kg,尺寸为48cmX 64cmX 32cm,有六个轮了,由太阳能电池板供电。在沙漠试验中,Rockv7火星探测机器人通过它的无线电以太网的上行和下行线路与拖车相连接,再通过蜂窝式无线电话系统或卫星与JPL。实验室相连,然后再与Internet网连接。Rockv7火星探测机器人的机械手长32cm,有两个自由度,装在车的前部,它可以达到地表面以下10cm处。在其手的端部装有一台反射式分光光度计,还有一个铲斗用来挖掘及携带样品。Rockv7火星探测机器人上还装有一根1m高的关节式桅杆,它有三个自由度,杆顶装有两台立体多频谱摄像机和一个汽水罐大小的圆筒。摄像机可以拍摄午辆导航及科学分析所需要的立体全景图像。圆筒中可装各种科学仪器。例如,在1996年12月的试验中装的是一台特写镜头成像仪其空间分辨率为10OOum,在1997年5月的试验中装的是一台穆斯堡尔分光计及一台点反射式分光计。操纵桅杆可使圆筒对准目标。

Rockv7火星探测机器人还装有导航摄像机,它利用航向点信息引导漫游车向特定方向运动,当漫游车在所要求的范同内运动时,它自动躲避障碍物。试验时,由拖车或JPL。实验室向它发出航向点的指令。拖午与JPL。有通讯联系,因而也与Internet网相连。

星球探测机器人

目前,人类已有能力发射航天器观测外层空间其他星球的情况,但是要真正了解这些星球的情况还必须登上这些星球进行探测。人在不了解其他星球情况或距离太远的情况下很难直接去探测,为此需要发展能代替人去探测其他星球的机器人去了解这些星球的秘密。星球探测是航天领域的一个重要的研究课题。目前,星球探测主要集中在月球探测和火星探测。为进行这些探测,人类研制出了多种类型的星球探测机器人。星球探测机器人也称为漫游车(rover)。

星球探测机器人

格林威治时间1997年7月4日17时零7分,美国国家航空航天局发射的火星“探路者”号宇宙飞船在经过七个月的飞行之后成功地在火星表面着陆。“探路者”号飞船首次携带了一名为“索杰纳”的火星探测机器人。“索杰纳”的任务是对着陆周围进行考察,探测火星的气候及地质方而的数据。

飞行机器人

 

空间机器人是指在大气层内、外从事各种作业的机器人,包括在内层空间飞行并进行观测、可完成多种作业的飞行机器人,到外层空间其他星球上进行探测作业的星球探测机器人和在各种航天器里使用的机器人。

飞行机器人

也许有人会问,飞行机器人与无人飞机的区别在哪里?其实,两者在飞行器的设计上基本是致的,所不同的,飞行机器人强调了作业能力。例如,美国佐治亚州理工学院在研制一种飞行机器人时,设计的目标是飞行机器人能够首先捡起在指定地点摆放的金属盘,接着飞越中央拦板和24m宽的场地,然后将金属盘投放到指定的位置。特别能体现无人飞机具有机器人特性的是近年来出现的微型飞行器,这种微型飞行器尺寸如同人的手掌大小,翼展长15cm左右,能像鸟一样飞行,并具有昆虫智能水平。这类飞行器常常被称为微型飞行机器人微型飞行机器人技术主要包括三个方面:一是微型飞行器平台;二是相关的部件技术;三是它的发射方式。

飞行机器人

目前微型飞行器平台主要有固定翼、旋翼和扑翼三种。固定翼式微型飞行机器人相对来说最容易实现,是目前微型飞行机器人主要采用的飞行机构。美国正在进行研究的黑蜘蛛(Black Widow)微型飞行机器人采用的就是这种飞行机构。黑蜘蛛微型飞行机器人翼展15cm,重56.7g,航程1km,飞行速度69k/h,室外续航时问为20min。黑蜘蛛微型飞行机器人的机翼呈圆盘形,头部装有10.16cm的螺旋桨,重l10mg,效率达82%。螺旋桨由一台电动机驱动,电动机由两块如火柴盒大小的锂电池供电,每块电池重13g,能量密度为lOOOW.h/g。黑蜘蛛微型飞行机器人的尾部装有控制舵面。飞行控制系统包括一台计算机、无线电接收机和三台微电机驱动器,重量2g。它的速度陀螺为0.9g,所携带的电视摄像机重量只有2g,带透镜的长度不到2.54cm。

黑蜘蛛微型飞行机器人的地面站包括控制器、电视监视器、天线及气动发射装置,它们装在一个小手提箱中,箱中还装有操作人员用的眼镜,用它可以观察电视摄像机的实况图像。它的数据链路的距离为1.5km.

美国Lutronix公司和奥本大学研制的Kolibri是一种垂直起降的旋翼式微型飞行机器人。这种微型飞行机器人的直径10cm,重316g,微型柴油机重37g,加上燃料的重量132g。它的负载重量是1OOg。它可以携带GPS/加速计/陀螺仪组件和红外摄像机。Kolibri徽型飞行机器人的结构是,在一个垂直的圆柱顶端带有旋翼,摄像机装在底部。它用舵控制俯仰、横滚和偏航,利用一个50-100Hz带宽的压电石英驱动器移动舵面,动力装置是一台电动机或柴油发动机。

微型飞行机器人的翼展在15cm以上时用螺旋桨还可以产生需要的功率,但在7.62cm以下就需要采用翅膀了。对于较小的微型飞行机器人,扑翼是种可行的方法,因为它可以利用不稳定气流的空气动力学,以及利用肌肉样的驱动器代替电动机。美国加利福尼亚工学院与Aero Vlronment公司等正在研制微型蝙蝠(microhat)扑翼式微型飞行机器人,目的是要了解扑翼方式是否比小型螺旋桨更有效,像鸟一样的微型机的隐蔽性如何,它是否可以做成像蜂鸟样的垂直飞行。

微型蝙蝠的翼展为15cm,重10g,具有像蜻蜒样的MEMS(微电子机械系统)驱动的翅膀,扑翼频率为20Hz。一个电容次允电提供的能量可使它飞行20s。它可以携带一台微型摄像机、上下行链路或音响传感器。在试飞中微型蝙蝠无控制地飞行了18min、46m远,后因镍镉电池用完而坠地。

SRI国际公司正在研制种称为良师(mentor)的扑翼式微型飞行机器人,该机器人重量只有50g,采用电致伸缩聚合物制成的人造肌肉驱动器扇动其刚性翅膀。

1998年初美国加利福尼亚大学开始研制种扑翼式微型飞行机器人,称为“机器苍蝇”,研制的目的是利用仿生原理获得苍蝇的杰出的飞行性能,计划到2004年能够飞行。这种微型飞行机器人具有重要的军事用途,利用它可以进行城市环境巾的秘密监视和侦察。“机器苍蝇”的尺寸如普通苍蝇大小,样子也像苍蝇。重约43mg,直径5~1Omm。不过它有四只翅膀而不是两只,有个玻璃眼睛而不是两只球形眼睛。它的身体用像纸样薄的不锈钢制成,翅膀用聚酯树脂做成。机器苍蝇由太阳能电池驱动,一个微型压电右英驱动器以每秒180次的频率扇动它的四只翅膀。