R2机器人( 中国航天).doc

世界上第一台“人形太空机器人”北京时间2011年2月25日，美国“发现”号航天飞机把世界上第一台“人形太空机器人（Robonaut 2，简称R2）”运送到国际空间站。R2是由美国宇航局和通用公司联合研制的机器人，主要用于维护空间站内实验室并完成一系列测试，为今后更为先进的太空机器人承担更为繁重的任务来铺路。R2走进国际空间站，标志着太空机器人由此进入了自主机器人的新时代。进入空间站以后，R2大部分时间处于休眠状态，人类宇航员们每次将它拿出来的唯一目的就是对其进行各项测试工作。2011年8月，它被首次激活，10月份它执行了首个动作指令。2011年12月25日即圣诞节前后再投入测试，工程人员将首先测试它于失重状态下在一个固定支架上工作的情况。2012年2月15日，地面控制人员激活了机器宇航员的内置计算机程序软件，使其能够伸展开右臂，并且能转动手指。随后国际空间站指令长伯班克将自己的手放进R2的手心里，然后R2慢慢握紧了他的手。完成任务后，2020年以后的某个预定时间，它将与国际空间站一起完成历史使命，坠落南太平洋的航天器坟场。一、关于R2的总体描述R2主要是由铝和镀镍碳纤维材料制成，躯干呈白色，头戴金色头盔。从腰部到头的高度为3.4英尺，肩宽为2.7英尺，整体重量为330磅，行动速度大于7英尺/秒，其外形组成如图1所示。为了保护自己和宇航员，它的躯干、手臂和每根手指上都有防护软垫，因此看上去不像金属构件那样生硬。R2的关节里装满了弹簧，全身遍布350多个电子传感器，其指尖甚至能感受到一根羽毛的存在。R2还有1个“双肩背包”，这是它的电源系统，上面的接口与空间站电源接口连接，就可以充电；如果它在小行星或火星上执行任务时，这个背包内将装载尽可能多的电池。图1 R2的组成二、关于R2的自由度为了达到类似于人的工作能力，R2的全身配有350个传感器、38个控制器和54个伺服电机。之所以被称为世界上第一台“人形空间机器人”，是因为它有42个自由度关节在发挥作用，其设置部位见图2所示。图2 42个自由度的分布三、R2 的灵巧手相比上世纪末问世的“机器宇航员-1（也称R1）”， 造价大约250万美元的第二代人形机器人的手指活动关节增加至4个，这使它能够完成一个宇航员需要戴着手套完成的精密任务。它集合了目前机器人科技的最前沿技术，装备有各种各样的感应器和灵活的带有五个手指的手。R2的每只手都有12个自由度。手部功能主要有两方面作用，一方面是实现牢固的抓取功能，这一功能是实现由3自由度手指和2自由度拇指相互配合来完成的动作；另一方面是正反向的灵活运动功能，这一功能是实现由1自由度的手掌配合5个手指来完成的动作。R2的手可以进行极端局部旅行，延长扩展了手指和拇指的活动范围，可以完成和人握手、拿信封等动作，如图3所示。另外，5个手指通过一种特殊的结构和机构设计，精巧地安装在手掌上，如图4所示。R2的灵巧，允许它使用和宇航员使用的相同的工具，而不需要人们为机器人再专门设计制作另一套新的工具。图3 R2可以像人一样地灵活拿笔图4 手指和手掌的连接 四、R2的颈部它的颈部有3个自由度；另外，受人体的启发，它的设计采用双关节结构，以便增强观察能力。R2的颈部类似于我们人类的脖子，不仅可以前后左右旋转运动，也可以沿着各个角度进行上下俯仰运动（见图5所示）。图5 R2进行上下俯仰的演示五、R2的头部及视觉系统R2的“思维器官”不在头部，而在腹部。事实上，它的头部是一个由5台像机所组合成的视觉装置。R2通过这个特殊视觉装置，来观察世界。R2的眼睛由4台可见光像机组成，其中两台用于立体识别，另外两台用于备份，藏于金色头盔中。它的嘴里装有一台红外像机，用于辨别物体的温度差异，如图6所示。图6 R2的视觉六、R2的臂部如图7所示，R2的臂部尺寸几乎和人类的一样，以使臂部的大小与宇航服的大小相适应，并与人的臂力和人手所能触及的范围相匹配。R2的臂部不同于宇航员的臂，具有极强的热耐受力，可以完成长达八小时的舱外活动。此外，R2还拥有良好的动作协调性、高带宽的动态响应、冗余度、安全性，并能够代替人类，去完成一系列人类所不能够完成的运动。图7 R2的臂部七、R2的应用模式目前，R2机器人仅有上半身；至于下半身，宇航员会根据任务需要予以添加，如双轮车型、四轮车型、双腿型和机器手型等，如图8所示。在空间站里，R2的组装式身体部件能够根据任务需要进行拆卸，宇航员可以不费力地按照不同任务，像搭积木一样，将不同应用模式的R2组装出来。图8 R2的组合应用场景八、 结束语未来人类利用太空的前景是无限美好，但恶劣的空间环境给人类航天活动带来了巨大的威胁。要使人类在太空中工作，需要有庞大而复杂的环控生保系统，物质补给系统，救生系统等，这些系统的耗资十分巨大。在未来的空间活动中，将有大量的空间加工、空间生产、空间装配、空间科学实验和空间维修等工作要做，这样大量的工作是不可能仅仅只靠宇航员去完成，还必须充分利用空间机器人。NASA正在计划改进R2机器人，以使它更加适应空间环境，并能有效地配合宇航员执行更多、更艰巨的太空任务。但就目前R2来看，机器宇航员仍有许多挑战性的难题需要解决。1）虽然R2已经上天，但R2的活动仍将被限制在空间站的命运实验室。不过，在未来的技术增强和改进下，有可能使R2获得出站行动的许可。2）设计R2时，还要考虑空间站内的辐射和电磁干扰的环境。3）R2的振动、真空以及辐射测试，以及程序测试仍在考核过程中。今后，美国将开发更先进的太空机器航天员，以便替代人类前往小行星、火星或更远的星球去执行探测任务，为人类最终进入