太空非合作目標(biāo)抓捕機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

方葆智

（北京市第五十七中，北京，100053）

1 宇宙垃圾概述

■1.1 宇宙垃圾的現(xiàn)狀

目前地球被無數(shù)的宇宙垃圾圍繞著，由于這些垃圾的存在可能會導(dǎo)致我們?nèi)祟悓砗茈y再進(jìn)入宇宙空間[1]。對于宇宙垃圾所帶來的威脅，人類正在采取對策，而且目前也出現(xiàn)了較為行之有效的“宇宙垃圾處理法”。2018年4月份歐洲發(fā)射了實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“removeDEBRIS”[2]，但是宇宙垃圾的清除目前還存在許多亟待解決的問題。自1957年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星上天以來，人類一共發(fā)射了大約8000顆衛(wèi)星，其中有一些老舊的衛(wèi)星落入到大氣層，也有一些衛(wèi)星像宇宙飛船一樣得到回收。目前，包含廢舊衛(wèi)星在內(nèi)共有近5000顆人造衛(wèi)星圍繞地球運(yùn)行著。圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的物體不僅有這些衛(wèi)星，還有發(fā)射人造衛(wèi)星時，火箭的機(jī)體殘骸和搭載物等一些物體。另外，衛(wèi)星本身發(fā)生爆炸、分解以及衛(wèi)星和衛(wèi)星相撞，對衛(wèi)星所進(jìn)行的一些破壞性實(shí)驗(yàn)也會產(chǎn)生出許多的碎片。目前，美國軍方（18 SPCS）通過設(shè)置在全世界各地的雷達(dá)和望遠(yuǎn)鏡追蹤這些在軌道上運(yùn)行的宇宙物體，據(jù)所能追蹤到的宇宙物體有大約1萬8922個之多，但是這還是美國所能追蹤到的低軌道10厘米以上和靜止軌道約1米以上的物體，還有許多無法追蹤的小物體存在。據(jù)美國宇航局（NASA）推測，1厘米以上的物體有大約50-70萬個，1毫米以上的物體有1億個以上。

■1.2 宇宙垃圾的危害

這些細(xì)小的宇宙垃圾以每秒數(shù)公里的速度運(yùn)行，如果與人造衛(wèi)星相撞，不僅會破壞衛(wèi)星使其停止工作，而且還會產(chǎn)生出新的碎片。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，比起落入大氣層消失的宇宙垃圾，新產(chǎn)生的宇宙垃圾的數(shù)量更加龐大，今后這些新產(chǎn)生的宇宙垃圾的數(shù)量還會不斷增加。另外研究表明，宇宙垃圾之間的相互碰撞產(chǎn)生新的垃圾，因此宇宙垃圾或許會不斷如此反復(fù)地自我繁殖下去，形成碎片自我演化。如果出現(xiàn)這種情況，未來地球?qū)⒈挥钪胬采w，從而導(dǎo)致人類和人造衛(wèi)星無法輕易進(jìn)入太空。

■1.3 宇宙垃圾的清理策略

目前為了清除這些大型宇宙垃圾，人類開始發(fā)射專門清除這些大型宇宙垃圾的衛(wèi)星。然而回收和清除大型宇宙垃圾是極其困難的。因?yàn)樾l(wèi)星是以軌道速度接近以軌道速度飛行的宇宙垃圾，如果無法實(shí)現(xiàn)安全接近宇宙垃圾從而發(fā)生碰撞，不僅無法回收垃圾，還會產(chǎn)生新的宇宙垃圾。另外，目前軌道上的大型宇宙垃圾火箭殘骸和廢棄的人造衛(wèi)星數(shù)量各占一半左右。人造衛(wèi)星大多有很長的槳翼，而且運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)雜，所以安全捕獲這些大型宇宙垃圾是非常困難的。

目前，宇宙垃圾的抓捕手段主要有：機(jī)械臂捕捉法、撒網(wǎng)捕捉法、魚叉捕捉法、風(fēng)帆捕捉法等。從目前技術(shù)手段來看，由于不能控制宇宙垃圾的狀態(tài)，在捕獲時盡量在它有可能處于緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，避免使用要求相對位置精度高和可控制狀態(tài)的捕捉方法。以捕獲火箭殘骸宇宙垃圾為例，目前機(jī)械臂捕捉法是抓捕此類宇宙垃圾的主要手段。因此，本文主要研究抓捕機(jī)器人采用柔性機(jī)械臂捕捉的方法。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

太空非合作目標(biāo)抓捕機(jī)器人主要由中央控制系統(tǒng)，柔性機(jī)械臂，識別系統(tǒng)（紅外相機(jī)），探測系統(tǒng)（光學(xué)測距儀），動力系統(tǒng)，導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)，姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

此機(jī)器人以衛(wèi)星為載體，在正面設(shè)置一個柔性機(jī)械臂，長約5米，在衛(wèi)星的各個頂點(diǎn)上設(shè)置紅外相機(jī)，連接中央控制電腦，對外界環(huán)境進(jìn)行及時反饋，并形成圖像。若只需簡單的姿態(tài)調(diào)整就通過人工智能來完成，若是需要變軌或抓捕，就需要將信號傳回地面控制中心。動力采用太陽能板，以新式的電磁波發(fā)動機(jī)為舵機(jī)驅(qū)動能量源。探測系統(tǒng)聯(lián)系導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)、姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)，進(jìn)行隨時的調(diào)整。柔性機(jī)械臂抓到目標(biāo)后，利用機(jī)械臂上的電流棒，使其產(chǎn)生相反的力剎車，墜入大氣層，通過自轉(zhuǎn)法，保持穩(wěn)定。

中央控制系統(tǒng)：接收計算指令和指控指令，整體控制各子系統(tǒng)的高效安全協(xié)作。

識別系統(tǒng)：可采用紅外相機(jī)和人工智能技術(shù)，對空間物體自動識別宇宙垃圾。

探測系統(tǒng)：負(fù)責(zé)空間態(tài)勢感知與探測。在航天器的平臺上安裝光學(xué)測距儀，發(fā)送器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號。利用該有效信號，就可以精確確認(rèn)目標(biāo)的位置，使得柔性機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確進(jìn)行抓捕。

動力系統(tǒng)：負(fù)責(zé)提供衛(wèi)星本體的在軌姿態(tài)保持和調(diào)整，機(jī)械臂驅(qū)動等動力。

導(dǎo)航系統(tǒng)：負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺和目標(biāo)物體位置和姿態(tài)確定。

姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)：維持衛(wèi)星在軌姿態(tài)保持和抓捕過程姿態(tài)穩(wěn)定。

垃圾處理系統(tǒng)：為捕獲后的太空垃圾提供后續(xù)處理。

安全保障系統(tǒng)：提供衛(wèi)星系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的安全保障。

各部分之間的協(xié)作關(guān)系以及工作流程如下：

第一步，通過使用紅外相機(jī)向四周發(fā)射紅外射線，尋找非合作目標(biāo)；

第二步，使用光學(xué)測距儀識別和定位非合作目標(biāo)的具體位置；

第三步，通過中央控制系統(tǒng)動力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軌道機(jī)動到達(dá)目標(biāo)軌道；

第四步，通過動力系統(tǒng)加速靠近目標(biāo)；

第五步，中央控制系統(tǒng)通過比例-積分-微分（PID）控制伸出柔性機(jī)械臂進(jìn)行捕獲；

第六步，中央控制系統(tǒng)通過自旋穩(wěn)定法進(jìn)行自身姿態(tài)的控制與穩(wěn)定；

第七步，垃圾銷毀系統(tǒng)將宇宙垃圾送入大氣層燒毀。

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)的抓取任務(wù)，本文主要研究柔性機(jī)械臂、導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)、垃圾處理系統(tǒng)和姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)等幾個關(guān)鍵系統(tǒng)，以解決非合作目標(biāo)抓取中的軌道控制、捕獲手段、后續(xù)處理和系統(tǒng)穩(wěn)定等核心問題。

■3.1 柔性機(jī)械臂設(shè)計

3.1.1 控制方式

PID控制最早發(fā)展起來的控制策略之一。在PID控制中，控制律是控制偏差量的比例P、積分I和微分D的線性組合。由于PID控制的簡單、有效和實(shí)用，該控制方法在實(shí)際工程中得到了大量應(yīng)用，其有效性得到了廣泛驗(yàn)證。對于柔性機(jī)械臂的主動控制，由于其特點(diǎn)，一般是僅采用P、D環(huán)節(jié)。

3.1.2 捕獲手段與設(shè)計理念

衛(wèi)星本體通過變軌和軌道機(jī)動，逐漸接近目標(biāo)物，與此同時伸出柔性機(jī)械臂，通過PID控制，對變量做出分析，驅(qū)動舵機(jī)，來改變機(jī)械臂的伸出長度和空間位置。對目標(biāo)物進(jìn)行捕獲，為了提高捕獲效率，在機(jī)械臂上設(shè)計多個可彈射的小網(wǎng)兜，在有多個小型目標(biāo)物與主目標(biāo)物位置靠近時可啟用，衛(wèi)星捕獲示意圖如圖1所示。衛(wèi)星為實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)抓捕需滿足以下幾個條件：

（1）機(jī)械臂的關(guān)節(jié)需有高應(yīng)對性和良好的控制性

宇宙垃圾屬于沒有抓手和視覺標(biāo)記的非合作抓捕目標(biāo)，對其的質(zhì)量特性也無法進(jìn)行正確判斷。此外，對它的相對運(yùn)動的測定以及接近控制也會存在誤差。在這種情況下進(jìn)行捕獲時，要求機(jī)械臂必須具備如下兩項(xiàng)重要的功能。第一是捕獲時對預(yù)測困難的運(yùn)動所造成的沖突有緩沖功能；第二是要求具有捕獲后的制動動作功能。因此，為了讓機(jī)械臂具備上述兩種功能，在制造上，開發(fā)具有高應(yīng)對性和良好控制性的機(jī)械臂關(guān)節(jié)就成為關(guān)鍵所在。

圖1 衛(wèi)星在軌抓捕示意圖

（2）運(yùn)用力觸覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂捕獲的高效化

以前的機(jī)械臂很難感知力的大小，因此在接觸到大撞擊時就可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生。今后在開發(fā)新型的機(jī)械臂時可以考慮使用專門的軟件或者傳感器，讓機(jī)械臂所感受到的力的觸覺傳導(dǎo)給操作臺的操作者，使之了解機(jī)械臂所接觸到的物體的形狀、硬度、重量等。從而讓機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)從前不能進(jìn)行的復(fù)雜和高難度的操作，提高機(jī)械臂捕獲的效率并降低事故發(fā)生的風(fēng)險。

（3）安全設(shè)計

防止沖突的功能：為防止沖突，容許主臂控制系統(tǒng)2次故障。機(jī)械臂前端的移動速度是在軟件控制之下的安全速度。

防止浮游物發(fā)生的功能：如果機(jī)械臂把手持的物體松開放出去的話，很有可能會造成沖撞宇宙空間站的大危險。所以對機(jī)械臂交付東西時進(jìn)行確認(rèn)的設(shè)計是非常重要的。建議設(shè)計時，要求機(jī)械臂在物體被確認(rèn)交付之后才允許松開。

（4）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

為了減輕宇航員的操作負(fù)擔(dān)，建議機(jī)械臂操作系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該積極引入世界通用的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

■3.2 軌道機(jī)動和路徑規(guī)劃

由于航天器要在不同的軌道上進(jìn)行捕獲任務(wù)，需要對軌道有準(zhǔn)確的分析，滿足最省燃料和最快時間優(yōu)化目標(biāo)，因此引入軌道機(jī)動和路徑規(guī)劃對軌道進(jìn)行精確計算和優(yōu)化。

搭載柔性臂機(jī)器人的在軌航天器通過態(tài)勢感知設(shè)備定位目標(biāo)宇宙垃圾的相對位置，采取軌道轉(zhuǎn)移，形成相對繞飛或伴飛軌道，或達(dá)到軌道交會狀態(tài)，執(zhí)行抓捕任務(wù)。

同時軌道保持和修正也是執(zhí)行任務(wù)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軌道保持和修正是為了克服某些攝動力量的影響和彌補(bǔ)運(yùn)載火箭的入軌誤差，提高軌道的運(yùn)行精度，使軌道參數(shù)限制在設(shè)計規(guī)定的范圍內(nèi)而進(jìn)行的軌道機(jī)動。發(fā)射航天器的任務(wù)要由運(yùn)載火箭來完成。運(yùn)載火箭攜帶航天器從地面起飛，到達(dá)某一飛行高度后把航天器送入到運(yùn)行軌道。這段飛行軌跡成為發(fā)射入軌。根據(jù)入軌情況不同，運(yùn)載火箭的發(fā)射彈道可分為直接入軌、滑行入軌和過渡入軌。

■3.3 垃圾處理系統(tǒng)

3.3.1 電流擊落法

日本宇航局開發(fā)了一種宇宙垃圾清除法，叫電流擊落法，首先被用到“HTV搭載導(dǎo)電線的實(shí)證實(shí)驗(yàn)”中。該實(shí)驗(yàn)中，“東方白鸛”6號補(bǔ)給機(jī)先從國際宇宙空間站（ISS）中分離出來，單獨(dú)飛行，然后該補(bǔ)給機(jī)伸出一個長約700米的電線，給這個電線輸入10MA的電流，通過地球磁力的作用，產(chǎn)生電磁力。這個力與“東方白鸛”的運(yùn)行方向正好相反，其作用相當(dāng)于是給它踩剎車，使它低于軌道的運(yùn)行速度從而跌入大氣層。該裝置很簡單，不需要諸如發(fā)動機(jī)之類大動力的裝置，因此制作成本很低。此前進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)需要開發(fā)專門的人工衛(wèi)星發(fā)射到太空才行，因此需要花費(fèi)很多的時間和金錢，但現(xiàn)在只需要使用“東方白鸛”補(bǔ)給機(jī)，就可以輕松地完成實(shí)驗(yàn)。

3.3.2 吸附改變軌道法

日本一家民間企業(yè)—Astroscale公司采用了吸附改變軌道法清除宇宙垃圾，該公司開發(fā)的吸附方法主要是采用特殊的類似膠帶的粘著劑來捕捉宇宙垃圾。選擇粘著劑的理由主要是因?yàn)樗闹亓俊Ｕ持鴦┑闹亓恐挥?00克左右，因此，使用粘著劑，只要粘上了就可以粘貼得很緊，降低失敗率。同時在捕獲到宇宙垃圾后，也很容易降低高度，使其落入大氣層通過摩擦進(jìn)行燃燒。此外，該公司還準(zhǔn)備發(fā)射IDEA OSG1的衛(wèi)星，主要收集存在于低軌道的大小在100μm以上的宇宙垃圾的信息。

本文研究主要采用柔性臂的太空機(jī)器人使用柔性臂抓手和網(wǎng)兜的組合方式來捕獲太空垃圾，并根據(jù)太空垃圾的尺寸靈活使用以上兩種方法來實(shí)現(xiàn)太空垃圾清理。

■3.4 姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)

對于航天器，不僅要求它具有一定的軌道，還要求它保持某一特定姿態(tài)。姿態(tài)穩(wěn)定與控制系統(tǒng)的任務(wù)是按航天任務(wù)要求保持航天器的特定姿態(tài)，保證航天器的星載天線或遙感裝置等對準(zhǔn)該區(qū)的指向誤差在規(guī)定的容限內(nèi)。目前航天器的自穩(wěn)定有以下幾種方法：自旋穩(wěn)定法、三軸穩(wěn)定法、重力梯度法。

自旋穩(wěn)定的控制目的明確，具有推力偏斜和偏心對姿態(tài)控制影響小等優(yōu)點(diǎn)，與三軸穩(wěn)定控制相比，更適合于變軌姿態(tài)控制。采用自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制的航天器，其變軌過程包括自由飛行和變軌發(fā)動機(jī)工作兩種狀態(tài)。自旋穩(wěn)定姿態(tài)控制一般可分為主動和被動兩種方式。被動控制利用章動阻尼器，通過增加航天器的自旋穩(wěn)定性來穩(wěn)定自旋軸。主動控制利用姿控噴管控制航天器縱軸的姿態(tài)，可克服被動控制的上述缺點(diǎn)，控制精度較高。由于衛(wèi)星平臺需要在任務(wù)前維持姿態(tài)穩(wěn)定，抓捕后維持質(zhì)量和力矩改變的運(yùn)動穩(wěn)定，因此需要利用自旋穩(wěn)定法和三軸穩(wěn)定法維持任務(wù)前的姿態(tài)穩(wěn)定，利用重力梯度法和控制方法維持抓捕任務(wù)過程和之后的運(yùn)動穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過對太空垃圾清理的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，設(shè)計太空非合作目標(biāo)抓捕機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計柔性機(jī)械臂加網(wǎng)兜的方式，解決衛(wèi)星剛性機(jī)械臂捕獲困難、捕獲精度難以保證的問題，考慮比較全面，功能比較完整，能適用于大多數(shù)大型宇宙垃圾的抓捕，具有推廣價值。