可重用空間碎片抓捕機器人*

王柄權 ，張長龍 ，索劭軒 ，秦劉通 ，王鵬飛， ，劉金鑫

（1.西安交通大學未來技術學院，西安 710049；2.西安交通大學機械工程學院，西安 710049；3.西安交通大學空間智能制造研究中心，西安 710049；4.中國航天科技創新研究院，北京 100048）

1 引言

空間碎片，又稱太空垃圾，是指人類在大氣外層空間進行航天活動時產生或遺棄的物體，包括碎裂碎片、失效航天器等［1］。

隨著幾十年來各國航天事業的蓬勃發展，空間在軌物體的數量急劇增加，空間軌道資源日趨緊張，空間碎片問題日益凸顯，給空間可持續性發展及利用帶來了極大的挑戰。據美國宇航監測網2013 年統計，已探知的空間碎片數量就多達16906 個，而無法統計的空間碎片甚至多達數千噸［2］。歐空局（ESA）的研究表明，如果空間碎片得不到有效的處理，到2030年左右，航天器碰撞的概率將會達到3.7%。因此，為了更加充分地利用具有較大價值的近地或高低軌道，同時降低衛星為防御太空垃圾增加的設計難度與成本，亟待解決軌道垃圾轉移以及清理等難題。

本文首先從空間碎片危害、空間碎片清理任務推動捕獲技術發展等角度闡述了空間碎片清除技術的國內外發展現狀。其次從捕獲方式實現維度對飛網、 魚叉、機械臂等方式的關鍵技術進行分析和總結。最后針對現有捕獲技術在空間碎片清除方面應用所存在的問題從技術途徑角度概括了該技術的未來發展趨勢并提出了一種可重用空間碎片抓捕機構。

2 國內外現狀和發展趨勢

2.1 國內外研究現狀

目前，國內外空間碎片捕獲方式主要利用主動移除技術，通過服務衛星接近空間碎片，利用末端捕獲機構對碎片進行捕獲并離軌。常用的捕獲技術包括：（1）剛性捕獲方法，以美國空軍的FREND 機械臂為代表［3，4］；（2）柔性捕獲方法，以ESA的ROGER飛網為代表［5，6］。此外，近些年的研究還提出了吸附捕獲、類飛網捕獲、新型智能捕獲等一系列新概念［4］。剛性捕獲方案中多采用機械臂抓捕，它是現階段空間碎片在軌捕獲技術中研究最深入的技術，表1和表2匯總了國內外針對空間碎片進行在軌捕獲項目中剛性、柔性捕獲方案的研究現狀。從表1 中可以看出，剛性捕獲方案多用于衛星捕獲，通過利用衛星自帶的發動機噴管和對接環，使得機械臂可以在搭載適合某一特定類型衛星的手爪的前提下，順利完成對衛星的捕獲。但缺點也在于此，它只適合于捕獲衛星，甚至只能捕獲同一類型的衛星，更不可能對其他的不規則的沒有輔助抓手的空間碎片進行捕獲。

表1 剛性捕獲方案Table 1 Rigid capture schemes

表2 柔性捕獲方案Table 2 Flexible capture schemes

柔性捕獲方案中以飛網、飛爪為主，近些年來也涌現出類飛網/飛爪、吸附捕獲和智能捕獲等新型捕獲方式，它是現階段空間碎片在軌捕獲技術中研究最有前景的技術，可以實現對不同規則形狀的空間碎片進行捕獲，克服了剛性捕獲方案只能針對特定衛星進行捕獲的缺點，極大地擴展了捕獲衛星的應用范圍，而且還可以增加捕獲機器人的重復利用率，大大降低成本。

2.2 未來發展趨勢

當前捕獲技術在實際捕獲合作或非合作目標時都或多或少的存在一定缺陷：

（1）抓捕機構普適性差

不同碎片尺寸、形狀、運動狀態差異大，但現行抓捕設備結構單一，僅適用于特定的合作目標。例如SUMO/FREND機械臂依靠機械臂的末端執行機構抓捕目標航天器的對接環、螺栓孔等位置，對飛行器和機械臂的位姿精度要求較高；而新型捕獲方法僅針對特定的非合作目標，捕獲對象的可適應性差、可靠性差。

（2）只執行單次抓捕離軌操作、可重用度低

目前軌道碎片清除技術以主動移除技術為主，僅可執行單次捕獲離軌操作，無法重復作業。例如ROGER 飛網只適合單次抓捕整個衛星（或空間碎片），并執行空間碎片或非合作目標離軌任務；而化學粘附捕獲與目標物粘接后無法分離。以上兩種捕獲方法皆不適用于重復使用的作業場合。

（3）易產生破壞性接觸

剛性捕獲方法對服務衛星的位姿控制精度要求高，控制不當時存在一定的碰撞風險；柔性捕獲方法在捕獲成功后無法將空間碎片總體上定位定姿，具有不確定性；而微納米吸附方式在拖拽目標衛星時導致衛星鍍層脫落，會對目標星造成物理損壞。

（4）遙操作控制的滯后性

遙操作控制作為目前空間機器人控制的重要技術之一，已替代宇航員實現太空艙外檢測、捕獲、裝配等非臨場作業。然而，傳統遙操作控制技術在天地大時延背景下，地面操作員與空間被控端通信的延時也會造成如主從端位姿軌跡誤差，難以補償空間機構末端軌跡偏移等諸多問題。

針對現有的問題，未來捕獲技術將向以下方向發展：

（1）可重復使用

未來的在軌服務系統一般采用可重復使用的小型化、智能化的空間機器人，這樣可以盡量減少對運載火箭能力的需求，同時能夠減少系統費用和提高經濟性。

（2）捕獲機構柔性化

目前對非合作空間目標捕獲技術的研究，多集中于機械臂剛性抓捕和飛爪、飛網類抓捕，但由于捕獲空間旋轉非合作目標如采用純剛性機械臂對機械臂性能及強度要求過高，同時需要目標物有對接環、螺栓孔等位置。而飛網類捕獲雖無需特殊抓手，但不能重復使用，成本過高。瑞士空間中心借助介電彈性材料作為驅動器，設計了空間觸手抓捕系統，它具有簡單可靠、智能操控、柔性抓捕、可重復使用等特點，但不適合抓捕大目標。它為非合作空間目標捕獲技術提供了新的空間抓捕思路，后期對于旋轉的非合作目標捕獲采用半剛性或柔性抓捕系統更為可取，可以借鑒瑞士空間觸手抓捕機構的設計思想，設計出更適合實際任務需求的空間非合作目標捕獲機構。

（3）捕獲行動自主化、智能化

對于地球靜止軌道上的非合作目標，不能采用航天員出艙協助捕獲的方式，無人捕獲因為受到通信的延遲、間斷以及天地鏈路帶寬等限制，也很難進行穩定可靠的操作。因此，具備自主捕獲目標能力的服務航天器將成為未來在軌服務的發展方向。另外，由于目前在軌航天器的設計復雜多樣，并且沒有通用統一的捕獲接口，如電推平臺就沒有軌道轉移發動機噴管，可伸縮抓捕機構就不再適用。這就要求捕獲機構自身具備智能性，可根據計算機視覺和認知推理，改變捕獲機構形狀抓捕目標。

3 可重用空間碎片抓捕機器人

目前國內外空間碎片捕獲方式的可靠性與普適性仍存在部分盲點。傳統的空間碎片捕獲機構具有無法平衡捕獲的可靠性、對不同形狀和尺寸的空間非合作目標的適應性、對服務衛星沖擊較小等特性。因此，亟需一種新型的可重復使用的空間碎片柔性抓捕機器人，以滿足自旋、章動、逃逸、外形、尺寸不規則等特點的空間碎片收集的需求，進而提升空間復雜碎片的治理能力。

3.1 總體設計思路

針對以上多樣化空間碎片清除的技術需求，本文設計了一種可重復使用的空間碎片柔性抓捕清除機構，配置以適用于自旋、章動、逃逸、外形不規則等特點的空間碎片收集需求的包絡、消旋柔性機械臂及收納機構，提升了空間復雜碎片治理能力，突破了柔性結構展收、碎片可靠收儲等關鍵技術；并基于以上設計建立了空間碎片柔性抓捕機構的運動學模型，分別從目標碎片位姿視覺測量和空間碎片抓捕機器人協同柔順控制規劃兩個方面展開技術研究，以實現各種復雜空間碎片的低沖擊、低能耗、高效率收集，總體思路如圖1所示。

3.2 空間碎片抓捕平臺與收納結構設計

3.2.1 空間碎片抓捕平臺

由于空間碎片大多為自旋、章動、逃逸、外形不規則的非合作目標、為了滿足空間碎片抓捕的復雜、靈巧操作需求，并具有一定的冗余性與容錯能力，基于仿生柔性捕獲結構對空間碎片進行低沖擊、低能耗收集治理，提升空間復雜碎片治理能力。本文設計的抓捕機構型如圖2 所示，主要包括圓柱形基座平臺、4個模塊化線驅動長柔順機械臂（臂長1000 mm）和四個模塊化線驅動短柔順臂組成（臂長300 mm）以及收納機構等模塊。圓柱形基座平臺用以安裝機械臂及其驅動模塊，并帶有類光圈開合機構（最大開口直徑500 mm），8 個模塊化線驅動機械臂實現對空間目標的協同抓捕。

（1）機器人本體結構包括抓捕機構和收納機構兩部分，其中抓捕機構由4條長柔順機械臂和4條短柔順臂組成。長臂用以遠距離抓取空間碎片并基于其自身所特有的被動柔性實現包絡消旋，待碎片到達短臂作業范圍時，短臂接替長臂作業。

（2）抓捕平臺的開合裝置旋開，短臂將碎片壓入彈性擋板（黃色）。

（3）當碎片落入收納袋后，彈性擋板自動復位成閉合狀態，以此防止碎片再次飛出收納袋。

（4）多次捕獲后，收納結構容積占滿，在柔性臂的較小推力下，彈簧鉤會脫離分級釋放環，解除第一節限位，收納袋即會多展開一層空間。同時，彈簧鉤在彈性恢復作用下，鉤住下一個鉤環，這樣可以保證碎片既能保證處于收納袋底部的同時，還能逐級釋放空間，做到大容量收納。

3.2.2 收納機構

收納機構的設計需從輕質、可靠收納和可靠存儲三方面考慮。通過對收儲結構功能及特性分析，如圖3 所示，為滿足可靠收納和存儲功能的同時要做到結構簡單和輕質化的設計要求，提出了一種基于彈夾原理的圓柱形逐級展開式收納結構方案，即可實現大跨度碎片的順序收納，也可保證大容積的可靠存儲，主要構成如圖4 所示，收儲結構外徑約500 mm，構型為圓柱體，壓縮狀態高度約215 mm。

圖3 收儲結構設計分析Fig.3 Design and analysis of storage structure

圖4 收儲結構組成示意圖Fig.4 Schematic diagram of collection and storage structure

3.3 機械臂運動學模型

多臂空間機器人的基礎是雙臂空間機器人，首先推導了雙臂廣義相對雅可比矩陣，并進一步推廣至多臂空間機器人以及得到適用于空間機器人與地面機器人的一般形式。如圖5 所示，雙臂空間機器人系統的運動學模型主要包括衛星基座、na自由度的機械臂（Arm-a）以及nb自由度的機械臂（Arm-b）。

圖5 雙臂空間機器人系統Fig.5 Two-arm space robot system

各個機械臂的末端速度表示如下：

圖7 基于混合任務優先級的多臂運動規劃流程框圖Fig.7 Multi-arm motion planning flow diagram based on mixed task priorities

系統的運動學模型建立、協調軌跡規劃方法以及協調柔順控制方法的研究。同時為滿足空間碎片可靠收納和實現大量存儲功能，基于結構簡單、輕量化、大承載比的原則，進行非金屬柔性構型方案設計，提出了一種基于彈夾原理的圓柱形逐級展開式收納結構方案。針對空間非合作目標缺乏先驗特征知識的情況，擬依托目標本體的固有特征進行視覺識別與位姿測量?？臻g碎片抓捕時，針對自由漂浮空間機器人可能出現的自碰撞問題，擬開展基于視覺反饋的混合優先級協同任務規劃。針對多臂與目標的安全接觸以及解決阻抗控制參數選取的困難，擬研究基于學習的阻抗參數在線辨識的多臂協調柔順控制方法。最后基于虛擬試驗等半物理仿真手段對前述設計進行實驗驗證。

總體設計方案如圖8 所示，總體技術路線如圖9所示。

圖8 總體設計方案Fig.8 Overall design scheme

圖9 總體技術路線Fig.9 Overall technical route

4 結論

本文就空間碎片清除技術的發展歷程以及現有技術的成熟度進行了詳細介紹并歸納總結，分析了現有空間碎片清除技術存在的，如僅單次捕獲離軌，無法重復使用；缺乏柔性，會對目標星造成物理損壞；效率低下等諸多問題，面向自旋、章動、逃逸、外形不規則碎片的可重用抓捕清除的客觀需求，提出了一種可重用空間碎片抓捕機器人方案。完成了空間機器人抓捕機構平臺以及大空間彈夾式收納機構結構設計，并初步擬定了可重用空間碎片抓捕機器人總體設計方案與通體技術路線。目前處于原理樣機設計階段，但該設計思路與方案對于可重用、柔性捕獲、大容量收納等空間碎片清除技術的探究與實現具有重要意義。