第1章 绪论
1.1 空间机器人
20世纪80年代，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提出在轨服务机器人概念[1]。此后，随着空间技术的快速发展和空间活动的不断增加，人类迫切需要探索研究地球空间及地球以外的星体和星系，空间机器人应运而生[2]。空间机器人能够代替宇航员完成复杂、危险的空间操作任务，扩大空间任务的可达工作区，在提高工作效率的同时，节省大量时间和资金成本[3]。因此，空间机器人在空间在轨服务领域发挥着越来越重要的作用，如国际空间站(International Space Station，ISS)的装配与维护、航天器维修与保养、航天器升级、航天器辅助交会对接、燃料补给、载荷搬运、故障卫星捕获回收与修理、空间碎片清理、空间生产与科学实验的支持、其他星体表面探测等[3-5]。
目前，空间机器人还没有“官方”定义，很多学者及国际研发报告等都给出过相关定义，如Bekey等[6]指出空间机器人是一类(至少在一段时间内)能够在严酷的空间环境下生存的，能够进行探索、装配、建造、维护、服务或在机器人设计时可能(或可能未)被完全理解的其他任务的通用机器；林益明等[2]定义空间机器人是在太空中执行空间站建造与运营支持、卫星组装与服务、行星表面探测与实验等任务的一类特种机器人；梁斌[7]指出空间机器人是工作于宇宙空间的特种机器人。
相比地面机器人，由于发射段力学环境、空间高低温、轨道微重力或星表重力、超真空、空间辐照、原子氧、复杂光照、空间碎片等特殊应用环境，空间机器人需要具有较强的太空环境适应能力，在资源受限和缺乏维护的情况下，具备较长的使用寿命和较高的可靠性[8]，能够针对不同的空间对象和多样的空间任务，完成抓取捕获、搬运移动等特殊操作任务。根据不同的分类方式，空间机器人有不同的分类方法：按任务特点和作业环境，空间机器人可以分为在轨操作机器人和行星表面探测机器人[9]；按控制方式，空间机器人可以分为主从式遥控机械手、遥控机器人和自主式机器人[10]；按照空间机器人发展历程，空间机器人可以分为舱外活动机器人、科学有效载荷服务器和行星表面漫游车[11]。此外，空间机器人还可按照基座控制方式、作业位置、功能等进行分类。
频繁发生的卫星失效事件、不断增加的空间碎片清理问题、空间站的建设与维护需求、新型在轨服务技术的发展需求等不断推动着空间机器人技术的快速发展。经过几十年的发展，发达国家在理论研究和在轨实践方面均取得了丰硕的成果，积累了丰富的经验[12-17]。我国在空间机器人方面的研究起步较晚，重点开展了基础研究工作，成功搭建了地面实验平台并完成地面验证实验[18-26]。2016年6月，中国国家航天局(China National Space Administration，CNSA)的空间机器人发展路线图指出，要加强空间机器人领域基础理论的突破，提出更多独创性的概念，在空间在轨服务机器人、月球与深空探测机器人、空间环境治理机器人等领域开展一系列共性和专业关键技术攻关。
1.2 遥操作
1.2.1 遥操作的研究背景
20世纪以来，工业革命使社会面貌发生了翻天覆地的变化，控制理论也随之发展，从经典控制理论发展到现代控制理论，由比例-积分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制发展到先进控制(自适应控制、预测控制、智能控制)，控制系统的性能分析(稳定性、动态特性)也得到进一步完善。为了对危险、苛刻、恶劣环境下工作的机器进行控制，人们提出新的综合性技术——遥操作(teleoperation)[27]。遥操作是一种开展远程操作的新技术，一般指人基于遥现场信息反馈，通过大脑决策与自主决策实现的远程操作。遥操作的发展历经了机电伺服、远动电子学、无线传输乃至网络化等阶段。目前已成为发达国家在先进远程化装备中普遍采用的一项关键技术。随着生产活动领域的不断扩展，遥操作技术已经在空间领域、深海领域和民用领域得到诸多应用[28-29]。
随着认识世界和改造世界能力的不断提高，人类的活动范围越来越大，操作的对象越来越多，操作所处的环境也越来越复杂，如核辐射环境、强污染环境、医学微观远程治疗环境、空间作业环境、深海作业环境等。目前机器人自主智能化水平不高，离不开人的监视和操纵，而这些苛刻、恶劣的操作环境使原有的人在现场进行操作的方法无能为力。这都促使人类对新工具和新操作方法进行探索，使人能从那些复杂、恶劣的操作环境中脱离出来，远距离地监视和控制现场机器，完成远程操作的任务，这便是遥操作思想的雏形。
机器的发展按照其智能程度可分为无智能阶段、低级智能阶段、高级智能阶段。无智能阶段指机器没有任何智能，完全依靠人的操作才能完成任务。低级智能阶段指机器具有低级智能，能够执行简单、固定的任务级命令。高级智能阶段指机器具有完全智能，能够根据环境、任务要求完全自主地完成任务。目前，计算机科学、网络技术、控制理论、人工智能(artificial intelligence，AI)等的发展推动了机器的智能化程度，但是完全智能的机器目前还无法实现，因此无法在危险、恶劣、遥远的环境中完全依靠机器自主完成任务。遥操作将人与机器相结合，不仅要依靠其自身的低级智能还要利用人的高级智能。这不是操作技术的倒退，而是从机器的低级阶段到高级阶段必要的过渡阶段。
目前，遥操作技术在各方面的应用优势越发明显，受到国际社会的高度重视。遥操作技术可以把实验人员从危险、恶劣的操作环境中解脱出来，通过信息的交互克服远距离的限制，把实验现场的数据、图像传输到安全、舒适的易于操作员操作的环境中，使操作员有身临其境的沉浸感，并依靠高智能体——人进行任务规划和决策，*终由机器完成繁杂的低智能任务。遥操作的引入提高了系统的智能水平，在保障操作员安全的前提下，可以实现远程操作，并拉动相关学科的发展。
人类的活动范围经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层，从大气层到外层空间的逐步拓展过程。人类活动领域的扩大必然要求人类感知范围和行为能力随之扩展，但空间技术和人类生理因素的限制，使宇航员在外太空直接操作实验设备进行科学实验和工程作业不再合适。另外，随着人类空间活动的频繁增加，将宇航员送入太空进行空间飞行器的组装、维修、部件替换，不但需要复杂的生命保障系统，而且费用高、效率低[5]。遥操作作为解决空间技术发展需求和人工进行空间实验操作之间矛盾的有效途径，引起了越来越广泛的重视。目前，我国要参与ISS的合作尚有一定的困难。受条件限制，我国建造的空间科学实验室只能是短期有人照料，长期无人值守的工作状态，为了提高空间实验室的使用效率，在长期无人值守期间，空间实验室必须继续进行空间实验[30-31]，这时充分利用空间机器人及遥操作技术就显得十分必要。由于遥操作的概念和理论在国际上的发展还不够成熟，加之技术壁垒等原因，我国必须充分把握国际上先进技术发展的新态势和机遇，通过不断地丰富和完善遥操作的理论及技术，提高空间操作能力，使我国从空间大国走向空间强国。
1.2.2 遥操作的概念
遥操作的概念主要源于工业机器技术的发展需求。一方面，人类在机器作业中，力求提高其自身的自动化或自主(智能)水平；另一方面，这种自主水平又受技术发展程度的制约，离不开人类的监视和操纵，并且大量机器作业的现场环境又是人类不可接近的。这时，原有的机器现场有人作业的操作模式就受到挑战，使人们对新结构机器和新作业方式进行创造性的探索。自20世纪40年代以来，随着人类对客观世界科学认识程度的不断提高，很多远距离地监视和操作机器作业的概念和技术被相继提出。第二次工业革命以后，在基于不同作业需求的基础上，许多“遥”字概念呼之欲出[32-34]。20世纪各时期提出的远程技术概念如表1.1所示。
表1.1 20世纪各时期提出的远程技术概念
随着空间技术的迅猛发展和高效化空间应用需求的强力拉动，在地面通过交互式的监测与干预来完成空间(科学)应用实验或空间操作，已成为有效载荷专家的基本共识。因此，遥科学(telescience)的概念被提出。遥科学是将遥现(telepresence)技术和遥作(teleoperation)技术结合，在远离操作现场的环境下，使操作员能够交互性地控制远端工作实体，操作被控对象的一种工作模式。遥科学概念包含以下几层含义。
① 遥科学是一种工作模式。与其他工作模式相比，遥科学工作模式具有两个特点。一是操作员和现场操作环境在物理空间上分离。这是遥科学的本征属性，空间上不分离就无所谓“遥”。二是操作员和工作实体必须具有操作控制流和反馈信息流的交互。与人工智能研究的机器自主智能化的工作模式不同，遥科学系统不能完全脱离操作员的指示而独立处理所有的工作事件。工作实体的控制决策不仅取决于预先的设想，还要依据具体工作进展状况加以修正，因此在必要时操作员可以通过控制指令控制远端工作实体的下一步动作。
② 遥科学通过遥现技术、遥作技术和遥信技术实现操作员对工作实体的远程控制。遥现使操作员可以感知远端的作业环境；遥作使操作员可以控制远端的工作实体；遥信则是沟通本地环境和远端环境的纽带。
③ 延时是遥科学必须解决的一个难题。这是由遥科学的两个特点决定的。“遥”决定了操作员和工作实体空间上的分离，而遥科学的互动模式要求操作员和工作实体在时间上必须保持同步。可以说，遥科学系统是一个行为决策对象(操作员)和实施对象(工作实体)在空间上分离、时间上同步的控制系统。
如果将遥操作的概念做些延伸，人为地约定遥操作概念本身包含遥现场信息结构，并可以将人的决策功能加以体现，就可以将遥科学和遥操作两者有机地统一起来看待。遥操作发展至今，得到了丰富和发展。其操作模式众多，应用领域更加广泛。各式各样的遥操作定义层出不穷，但这些概念都具有一定的片面性和局限性，没有定义出遥操作的本质。这不利于遥操作的进一步研究与发展，但不论哪种操作模式应用于何种领域，都要保持3个基本要素。
① 遥感知。遥感知指遥操作为克服操作员与对象之间远距离跨度的约束，通过信息链路把远端的操作对象及周围环境信息传递给操作员，使其可以感知远端的变化，并具有生动的沉浸感。
② 异地高智能决策。异地高智能决策指为了避免操作者受到操作环境共生性危险的影响，将其置于安全舒适的环境中，但远端机器人的智能化水平低，离不开人的监视和操作，所以必须实现高智能的移植，由异地的人进行远程决策，辅助远端的机器人完成任务。
③ 自主执行。自主执行指远端的机器可以自治复现操作员的动作或执行操作员的命令完成任务，而无需操作者亲临现场。
因此，遥操作指以人为主要决策单元，以远端操作环境信息为基础，以远端机器为执行终端，通过信息链路实现高智能和真实环境在信息层面的交互移植，进而克服远距离的限制，使人的感知和行为能力得到延伸，完成人或机器各自单独难以完成的任务的一种技术[35]。遥操作示意图如图1.1所示。
图1.1 遥操作示意图
1.2.3 遥操作的特点
遥操作作为一种新的技术科学，是对传统控制的一种继承，更是一种发展，但也不同于传统控制。这主要体现在以下几个方面。
① 操作对象。传统控制的操作对象相对比较简单，并且一般以重复性的简单任务为主。遥操作的操作对象一般处于非结构化环境中，操作任务的复杂度高，仅依靠传统控制方法难以完成任务。
② 距离跨度。遥操作的控制距离远大于传统的控制距离。遥控一般在视线范围内，操作员可以直接获取现场信息，并实施控制命令。遥操作一般处于视野外，操作员需要通过远距离传输回来的现场信息进行决策，然后施加控制指令。
③ 大时延。由于大距离跨度，遥操作系统中存在不确定大时延问题。目前解决大延时反馈回路控制系统的理论
展开
