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中国航天进展超乎想象 3年后太空机器人服役(图)

2008-09-28  龙南

科幻小说里的空间站机器人

  神七的发射,为中国建立空间站奠定了基础。而在未来的空间站,一年中的绝大多数时间都是机器人在工作,而它们的一举一动则在地球人的实时掌控之中。记者昨日获悉,东南大学机器人传感与控制技术实验室的专家们从上个世纪90年代就开始致力于太空机器人的研发,并列入国家863航天计划,攻破了一个又一个技术上的难关。据预测,三年以后,东大参与研制的太空机器人有望升空,在空间站完成它们的历史使命。

  空间站很多工作等着它

  在东大机器人传感与控制技术实验室,到处摆放着大大小小的机器人。天天和这些东西打交道,实验室主任宋爱国称之为一项“很有趣的工作”。

  宋爱国介绍说,中国航天计划分成三个阶段,神七是第二阶段发射的第一艘飞船,而这是为第二阶段的主要任务———建立空间站作好前期准备工作的。“前面发射的‘神舟号’好比一艘艘船,船是需要停靠码头的,而空间站就是那个码头。”

  但是,由于发射的成本太高,空间站只能是“长期无人值守,短期有人照料”,一年中只有个把月是航天员呆在里面工作,其他时间太空机器人就大有用武之地了。宋爱国介绍,太空机器人不仅可以做各种科学实验,还可以进行空间站维护、空间站对接、卫星修理、帮助航天员出舱工作等等,用处可大了。

 

  当然,目前人类的科技水准只能造出智能机械臂,东南大学机器人传感与控制技术实验室的专家们从上个世纪90年代就开始致力于太空机器人的研发,图为其小型智能机械臂

  一举一动受地面遥控

  遥远太空里的机器人,怎么才能根据地球人的意志来工作?宋教授道出了其中的奥妙:这些机器人学名叫“遥操作机器人”,地球人可以通过传感器等随时遥控它们的行动。

  “临场感是遥操作机器人追求的目标。”宋教授解释说,临场感包括两方面:一方面通过操作者所穿戴的数据背心、数据手套或操纵的手控器,以及头盔眼镜等装置,将操作者的身体、四肢、手部以及头部、眼球的运动信息进行检测,并作为控制指令,控制远地的机器人的本体、机械手以及头部和摄像头的运动;另一方面,又通过各种机器人传感器,将机器人的视觉、力觉、触觉以及运动觉等信息反馈给操作者,在操作者周围生成虚拟现实,使操作者感觉自己就是远在千里之外的机器人,从而产生“身临其境”的感受。

  “说白了,地球上的人手怎么动,太空机器人的手就会怎么动。”宋教授说,因为距离的缘故,中间有两秒左右的延时,不过,这可以通过控制方法来补偿。

  三年后有望上天工作

  宋爱国说,目前中国太空机器人到空间站的主要技术难关基本已攻克,不过从长远看,还有一些技术难点尚待解决。比如延时问题,以后到月球、火星,距离更远,火星上一个信号来回就是五分钟,如果这样遥控,问题就大了。“这边刚看到要靠近岩石了,等信号发过去,恐怕已经撞到岩石了。”这些难关都需要一个个攻破。“大约三年以后,我们的太空机器人就可以上天了。”宋教授说。

  这是目前较常见的工业智能机械臂,德国著名的ABB公司制造。但是从其体量可看出,它过于沉重,不可能被带到太空。

  帮助宇航员治太空病

  宋教授还透露,他们正在与航一所洽谈,准备研发太空康复机器人,主要是治疗宇航员的太空病。

  “长期在太空失重环境下生活的宇航员容易患上骨质疏松,导致骨质脆弱,丧失运动能力。一般来说,在太空生活一个月,宇航员所损失的骨质相当于患骨质疏松的老年人在地面一年内损失的骨质。这严重影响了宇航员的身体健康和工作效率,是宇航员面临的最严重的太空病。”

  宋教授介绍,目前对该病症的治疗主要是采用口服药物的方法。但最新研究表明,宇航员患该病的主要原因并非钙质摄入不足,而是由于在失重环境下,骨骼组织缺乏压电效应,使得骨形成受到抑制,但骨质丧失的过程是可逆转的。因此,解决这种问题的另外一种有效途径是借助遥操作机器人,在失重环境下,由地面航天医学专家控制遥操作机器人引导宇航员进行具有力反馈的运动训练,促进宇航员骨骼组织自动恢复骨细胞活性、增强骨质和肌肉密度,避免骨头和肌肉的萎缩。

  东大研制材料用于神七

  除了太空机器人,东大还有一些科研成果已直接应用于神七的发射中。该校材料学院研制的轻型泡沫铝材料,将用于神七的返回舱。据东大相关专家介绍,返回舱在落地时有很大的冲击力,他们研发的轻型泡沫铝材料内结构像馒头一样,既轻,强度又大,可以像弹簧一样减震,使得返回舱落地时的冲击力大大减小了。此外,东大虚拟现实技术中心研发的地面发射仿真系统,也为神七的顺利发射起到保驾护航的作用。

  太空任务需要轻盈而有力的智能机械臂,图为美国马里兰大学研制的小型智能机械臂,不过从其外观简单判断,中国东南大学研制的性能水准更好一些。

  不过在国家层面所能制造出来的机器人就不同了。今年3月,美国“奋进”号航天飞机将由加拿大航天局负责分工制造的Dextre大型机器人运送到国际太空站并组装完成。Dextre重约为1560公斤,身高为3.7米,两臂平伸的长度是2.4米,其中每只手臂上有可以自由转动的七个关节,非常灵活。Dextre是英文“灵巧”(dexterous)的缩写形式,这也是人类有史以来在太空安置的最大的机器人装置。

  Dextre在被装上“奋进”号航天飞机货舱前,在NASA车间做最后检查。这个机器人的研制花费了十几年,耗资高达2.1亿美元。

  当前在国际空间站服役的Dextre机器人。Dextre可以在国际太空站外自由爬行,将使宇航人员减少危险的出舱行走,帮助宇航员来更换空间站外部部件等。

  当然,在这之前,国际空间站的宇航员还必须完成Dextre机器人复杂而艰苦的安装作业。

  值得注意的是,美国NASA已经开始研制更加拟人的机器人,图为自由度更高,更加灵活的机械手臂

美国NASA已研制出自由度更高,更加灵活,更加拟人化的机械手臂

  相信用不了多久,这种拟人化的机器人将登上国际太空站,替代航天员完成众多任务。

  目前这一技术的地面试用已经开始,图为在美国陆军进行危险爆炸品处理的机器人

航天飞机运送空间站组件和空间站模拟图

中国未来空间站的模型

中国空间站想象图

中国空间站想象图

当前在国际空间站服役的Dextre机器人
来源:http://mil.cnwest.com/content/2008-09/27/content_1446593.htm

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