13、太空应用中的连续体机器人

太空应用中的连续体机器人

1. 引言

连续体机器人是一种可连续弯曲的结构，其形状可以通过诸如肌腱、气动装置和智能材料等执行器进行主动控制。它们的设计灵感来源于象鼻、卷须和蛇，其柔性身体的长度与横截面直径之比通常较高，这使得它们特别适合在狭窄、曲折的路径中导航，并在难以到达的环境中部署仪器。虽然连续体机器人的研究通常集中在医疗应用上，但近年来也提出了一些工业应用，包括航空航天领域。

1.1 太空机器人技术

太空机器人技术涵盖行星和轨道两种场景：
- 行星机器人技术 ：旨在进行表面探索和仪器部署，通常需要具有地面移动能力的漫游车等结构。
- 轨道机器人技术 ：专注于航天器的服务活动，为卫星、航天飞机和空间站提供检查、维护和组装能力，通常需要进行太空操作。

连续体机器人特别适合在难以到达的区域进行检查和维护，因此轨道场景对它们来说自然更具吸引力。不过，也有人提出了一些用于协助漫游车的行星应用。

机器人系统在行星和轨道探索中表现出不同程度的自主性。一般来说，行星漫游车需要完全自主，而轨道系统也可以是半自主或远程操作的。在这方面，主要挑战是实现这些具有挑战性的场景所需的鲁棒性和全系统集成。无论是远程操作还是自主操作，太空机器人都需要在尽可能长的时间内无障碍运行，并尽量减少维护。

太空机器人面临的挑战主要包括：
- 鲁棒性 ：运动学和动力学模型参数的不确定性以及一般制造和装配公差会对机器人的使用寿命产生负面影响，需要冗余、容错的设计。
- 微重力 ：传统机器人是为在地球重力环境下运行而设计的，微重力会影响一些系统的正常运行，如车轮。在太空中操作还需要特殊的运动模式和碰撞避免轨迹规划，并且机器人的运动会对航天器本身产生干扰，因此需要仔细建模微重力以预测和最小化这种影响。

1.2 连续体机器人

与传统机器人不同，连续体机器人的整个身体在负载下都会发生变形，这使得它们比刚体操纵器更加灵活和适应性强。由于它们理论上具有无限的自由度，因此在非结构化或极其复杂的环境中表现更好。然而，这也带来了一些挑战，例如精确的连续体模型需要连续微分，运动学、动力学和材料力学相互交织，导致模型和控制复杂度增加，系统效率和准确性降低。

为了克服这些挑战，研究人员提出了一些简化模型，如分段恒定曲率（PCC）运动学，以及基于学习的无模型方法。此外，针对连续体机器人的不同子家族，也有一些更有效的方法，如低顺应性软机器人适用于非结构化环境，微型同心管机器人直径极小但工作范围较短。

目前，连续体机器人的应用驱动研究主要集中在医疗领域，而工业应用（包括太空）的研究则较为分散。不过，已经有许多关于工业连续体机器人的文献，包括在核设施、飞机和太空等领域的应用。

2. 技术现状

虽然之前没有专门针对太空应用的连续体机器人的综述，但有两篇关于软机器人（可视为连续体机器人的一个子家族）的研究涉及到了这个话题。其中一篇强调了连续体机器人在检查航天器难以到达的偏远区域的能力，另一篇则讨论了软机器人在太空应用中的局限性，主要是材料耐久性问题。然而，这些设计只是所有连续体机器人的一小部分，太空连续体机器人面临着一些不同的挑战。

2.1 现有设计

• NASA 卷须机器人 ：这可能是首个在太空应用中展示的连续体机器人，其横截面直径与长度之比为 1:100（10 毫米 - 1 米），带有一个用于视觉检查的相机末端执行器。该设计使用螺旋弹簧作为柔性/连续体元件，通过从机器人基部拉动对抗肌腱来驱动，总共有四个自由度。
• Clemson 大学的研究 ：Ian Walker 教授的研究小组在连续体机器人的太空应用方面进行了大量研究，主要针对航天器（特别是国际空间站）的检查。他们的研究重点是新的设计特征和建模改进，以提高性能。例如，一款 3 段式连续体机器人基于弹簧加载的同心碳纤维管，长度为 1830 毫米，横截面直径与长度之比为 1:130，并且能够将长度压缩 40%。该机器人的主要新颖设计特点是在主干上添加了钩子，用于被动抓取环境特征。后来，他们还引入了一种通过层挤压实现硬化的分段设计。

2.2 其他应用和架构

除了上述设计，不同的研究小组还提出了一些其他的应用和架构：
- 可部署天线 ：软生长技术被提议用于可部署天线，其尖端延伸且可能分叉的身体使其能够作为天线使用，太空探索场景被列为核心应用之一。
- 在轨卫星手术 ：有研究展示了将两个 7 自由度的刚性连杆操纵器与两个连续体“导管臂”相结合，成功对卫星模型进行操作的案例。其中，连续体臂主要起到被动作用，在末端执行器被刚性连杆操纵器带到正确位置后会变硬。

2.3 主要特点总结

参考文献	应用	驱动方式	主干结构	自由度	长度 (L)	直径 (D)	D:L 比率	特点
[44]	航天器检查	肌腱	弹簧加载的同心管	4	1.0 m	10 mm	1:100	-
[45]	航天器检查	肌腱	弹簧加载的同心管	6	1.8 m	-	1:130	钩子
[47]	航天器检查	肌腱	弹簧加载的同心管	6	1.2 m	63 mm	1:20	硬化
[54]	可部署天线	流体	软质	-	可变	可变	-	生长、自适应
[55]	卫星手术	-	被动管	-	-	-	-	硬化
[56]	卫星手术	肌腱	弹簧	6	-	-	-	-

从这些设计可以看出，连续体机器人在太空应用中的关键特征是其细长性（即直径与长度之比）。航天器和行星探索在需求上有所不同，航天器需要更高的精度，因此基于弹簧的机器人更受青睐；而软生长机器人则更能适应行星（或小行星）表面的非结构化环境。然而，目前还没有连续体机器人在太空进行测试，该技术在达到太空机器人所需的鲁棒性之前还需要进一步发展。

1.2 连续体机器人

在传统机器人中，运动仅发生在关节处，而大部分结构由刚性体组成，变形可忽略不计。相比之下，连续体机器人的整个身体在负载下都会变形，这使得它们比刚体操纵器更加灵活和适应环境。由于理论上具有无限的自由度，连续体机器人在非结构化或极其复杂的环境中表现出色。然而，这种优势也伴随着代价：精确的连续体模型需要连续微分，运动学、动力学和材料力学紧密交织，导致模型和控制复杂度增加，系统效率和准确性降低。

为了充分发挥连续体结构的优势并减少其缺点，研究人员做出了大量努力：
- 简化模型 ：提出了分段恒定曲率（PCC）运动学等简化模型，以减少系统的阶数，用有限的运动参数近似其配置。
- 学习方法 ：基于学习的无模型方法也有助于应对这一挑战。
- 特定方法 ：针对不同类型的连续体机器人，如低顺应性软机器人和微型同心管机器人，有特定的高效方法。

大多数连续体机器人的应用驱动研究集中在医疗领域，而工业应用（包括太空）的研究相对分散。尽管如此，已经有丰富的关于工业连续体机器人的文献，涵盖了核设施、飞机和太空等多个领域。

2. 技术现状

虽然之前没有专门针对太空应用的连续体机器人的综述，但有两篇关于软机器人（可视为连续体机器人的一个子家族）的研究涉及到了这个话题。它们分别从不同角度探讨了连续体机器人在太空的应用和面临的挑战。

2.1 现有设计案例

• NASA 卷须机器人 ：这是早期在太空应用中展示的连续体机器人，横截面直径与长度比为 1:100。它使用螺旋弹簧作为柔性元件，通过基部的肌腱驱动，具有四个自由度，配备相机用于视觉检查。
• Clemson 大学的研究成果 ：Ian Walker 教授的团队在航天器检查方面进行了深入研究，开发了多种连续体机器人：
  • 一款 3 段式机器人基于弹簧加载的同心碳纤维管，长 1830 毫米，直径与长度比为 1:130，可压缩长度，主干上有钩子用于抓取环境特征。
  • 后续引入了通过层挤压硬化的分段设计，虽然提高了性能，但也导致直径增加和细长比降低。

2.2 其他应用和架构探索

不同研究小组还提出了其他应用和架构：
- 可部署天线 ：软生长技术被用于设计可部署天线，其独特的结构使其适用于太空探索。
- 在轨卫星手术 ：结合刚性连杆操纵器和连续体“导管臂”进行卫星手术的研究，连续体臂在特定位置变硬以辅助操作。

2.3 太空连续体机器人特点总结

参考文献	应用	驱动方式	主干结构	自由度	长度 (L)	直径 (D)	D:L 比率	特点
[44]	航天器检查	肌腱	弹簧加载的同心管	4	1.0 m	10 mm	1:100	-
[45]	航天器检查	肌腱	弹簧加载的同心管	6	1.8 m	-	1:130	钩子
[47]	航天器检查	肌腱	弹簧加载的同心管	6	1.2 m	63 mm	1:20	硬化
[54]	可部署天线	流体	软质	-	可变	可变	-	生长、自适应
[55]	卫星手术	-	被动管	-	-	-	-	硬化
[56]	卫星手术	肌腱	弹簧	6	-	-	-	-

从这些设计可以看出，连续体机器人在太空应用中的关键特征是细长性。航天器和行星探索对机器人的需求不同，航天器需要高精度，弹簧机器人更合适；行星表面的非结构化环境则适合软生长机器人。然而，目前连续体机器人尚未在太空进行测试，技术的鲁棒性还需要进一步提高。

3. 展望

3.1 鲁棒性

连续体机器人面临的关键挑战之一是缺乏鲁棒性。由于系统复杂性和内在的顺应性，几乎不可能准确预测其行为。此外，大多数连续体机器人仅在原型阶段进行了测试，缺乏对其长期性能和疲劳寿命的研究。

制造过程也存在问题，许多软机器人采用手工或半手工方式制造，缺乏可重复的生产流程，这对于太空应用的开发和测试至关重要。同时，还需要考虑故障管理，例如肌腱断裂或软生长机器人的压力腔被刺穿等情况，需要采用容错设计和控制系统来应对。

3.2 微重力

微重力会影响连续体机器人的某些元件，如气动和流体驱动系统。设计和控制器需要考虑压力变化对其运行的影响。然而，微重力也可能为连续体机器人带来好处，由于其低刚度，在地球上“悬挂”状态下的长度通常受重力作用下的尖端位移限制，而在太空中，微重力可以使连续体机器人更长、更精确且动态性能更好。

3.3 环境危害

太空机器人面临两种地球上很少遇到的危害，即辐射和温度，这对其电子设备影响尤其大：
- 辐射 ：低轨道和外层空间的电离辐射会降解电气和电子元件，导致关键故障。因此，需要使用辐射硬化组件来确保机器人在太空中的正常运行。连续体机器人（特别是肌腱驱动和气动驱动的机器人）可以将控制硬件集中在基部的外部驱动包中，只需对驱动包进行辐射硬化，从而降低成本并简化检查和维护。
- 温度 ：低轨道的环境温度范围在 210 至 400 K 之间，硬件需要设计成能在这个极端范围内工作。温度不仅会影响电子设备，还会对机械部件产生关键影响。例如，许多航空航天用连续体机器人使用镍钛合金作为主干材料，这种合金在负载和温度变化时会发生马氏体到奥氏体的转变，因此设计师需要考虑温度对材料性能的影响。

3.4 面向任务的设计

当前文献的一个主要差距是缺乏专门为太空操作设计的连续体机器人。现有的机器人大多是将传统连续体设计应用于太空场景，没有充分考虑航天器或行星探索带来的挑战。未来的研究应该更深入地分析这些挑战，以及它们如何影响连续体设计，并探讨潜在的解决方案。

综上所述，连续体机器人在太空应用中具有巨大的潜力，但要实现这一目标，还需要克服鲁棒性、微重力、环境危害等诸多挑战，并开展面向任务的设计研究。

3. 展望（续）

3.1 鲁棒性

连续体机器人在鲁棒性方面的不足是亟待解决的关键问题。具体来看，其面临的情况如下：
- 行为预测困难 ：系统的高度复杂性以及自身的顺应特性，使得精确预测连续体机器人的行为几乎成为不可能。这就导致在实际应用中，难以准确把控机器人的动作和状态，增加了操作的不确定性。
- 缺乏长期性能研究 ：目前多数连续体机器人仅处于原型测试阶段，对于其在长时间运行过程中的性能变化缺乏研究。疲劳循环可能会改变其柔性元件的机械性能，甚至导致元件失效，但现有的研究并未对这些情况进行深入分析。
- 制造工艺问题 ：许多软机器人的制造方式较为传统，多采用手工或半手工的方法，缺乏严格且可重复的制造流程。这不仅不利于实现工业化生产，也难以保证生产出的组件具有可靠性和一致性，而这对于太空应用的开发和测试来说是至关重要的。
- 故障管理需求 ：在太空环境中，一旦连续体机器人出现故障，如肌腱驱动机器人的肌腱断裂，或者软生长机器人的压力腔被刺穿等情况，修复难度极大。因此，需要提前设计容错机制和控制系统，借鉴类似设计在自我调整和故障管理方面的研究成果，以应对可能出现的故障。

3.2 微重力

微重力环境对连续体机器人既有挑战也有机遇，具体表现为：
- 挑战方面 ：连续体机器人中的一些元件，如气动和流体驱动系统，会受到微重力环境下压力变化的影响。这就要求在设计机器人和其控制器时，必须充分考虑这种压力变化对机器人运行的影响，以确保其在微重力环境下能够正常工作。
- 机遇方面 ：连续体机器人由于自身刚度较低，在地球上以“悬挂”状态运行时，其长度往往会受到重力作用下尖端位移的限制。而在太空的微重力环境中，这种限制将大大减小，使得连续体机器人有可能设计得更长、运行更精确，并且具有更好的动态性能。

3.3 环境危害

太空环境中的辐射和温度对连续体机器人的电子设备和机械部件都有着显著影响，具体如下：
- 辐射危害及应对策略 ：低轨道和外层空间存在着多种来源的电离辐射，如太阳和其他恒星的核聚变、行星电磁场捕获的粒子、银河宇宙射线以及二次 X 射线等。这些辐射会迅速降解电气和电子元件，导致关键故障。为了确保机器人在太空中的正常运行，需要使用辐射硬化组件。连续体机器人（特别是肌腱驱动和气动驱动的机器人）可以将控制硬件集中在基部的外部驱动包中，这样只需要对驱动包进行辐射硬化处理，就可以保证机器人的正常运行。这种设计不仅可以显著降低成本，还能简化机器人的检查和维护工作。
- 温度影响及考虑因素 ：低轨道的环境温度范围在 210 至 400 K 之间，硬件需要设计成能够在这个极端温度范围内正常工作。从电气和电子的角度来看，可以通过对驱动包进行适当的绝缘处理来应对温度变化。然而，温度对机械部件的影响同样不可忽视。例如，许多航空航天用连续体机器人使用镍钛合金作为主干材料，这种合金在负载和温度变化时会发生马氏体到奥氏体的转变。因此，设计师在选择材料和设计机器人时，需要充分考虑温度对材料性能的影响，以确保机器人在极端温度环境下的可靠性。

3.4 面向任务的设计

目前在连续体机器人的研究中，专门为太空操作设计的机器人相对较少。现有的机器人大多是将传统的连续体设计直接应用于太空场景，没有充分考虑到航天器或行星探索所带来的独特挑战。未来的研究应该更加深入地分析这些挑战，例如：
- 航天器操作挑战 ：在航天器上进行操作时，需要考虑机器人的运动对航天器本身的影响，以及如何在有限的空间内实现精确的操作。
- 行星探索挑战 ：行星表面的环境通常是非结构化的，存在各种复杂的地形和障碍物，这就要求机器人具有更好的适应性和灵活性。

同时，研究还需要探讨这些挑战如何影响连续体机器人的设计，并寻找潜在的解决方案。以下是未来研究可以考虑的方向：
- 开展专门设计研究 ：针对太空操作的特点，开展连续体机器人的专门设计研究，开发出更适合太空环境和任务需求的机器人。
- 加强多学科合作 ：结合机械工程、电子工程、材料科学等多个学科的知识，共同解决连续体机器人在太空应用中面临的问题。
- 进行模拟测试 ：利用模拟太空环境的设备，对连续体机器人进行测试和验证，以提高其在实际太空环境中的可靠性和性能。

总结

连续体机器人在太空应用领域展现出了巨大的潜力，其独特的柔性结构和适应复杂环境的能力使其在航天器检查、卫星手术、行星探索等方面具有广阔的应用前景。然而，要实现连续体机器人在太空的广泛应用，还需要克服诸多挑战。

从鲁棒性方面来看，需要解决系统行为预测困难、缺乏长期性能研究、制造工艺不完善以及故障管理等问题，以提高机器人的可靠性和稳定性。微重力环境既带来了挑战，也提供了机遇，需要在设计和控制中充分考虑压力变化的影响，并利用微重力的优势来优化机器人的性能。环境危害中的辐射和温度对机器人的电子设备和机械部件都有重要影响，需要采取相应的防护措施和材料选择策略。此外，目前缺乏专门为太空操作设计的连续体机器人，未来需要加强这方面的研究，深入分析太空任务的挑战，开展面向任务的设计。

通过解决这些挑战，连续体机器人有望在未来的太空探索和应用中发挥重要作用，为人类的太空事业做出更大的贡献。

相关图表回顾

• 太空连续体机器人特点总结表格
  | 参考文献 | 应用 | 驱动方式 | 主干结构 | 自由度 | 长度 (L) | 直径 (D) | D:L 比率 | 特点 |
  | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
  | [44] | 航天器检查 | 肌腱 | 弹簧加载的同心管 | 4 | 1.0 m | 10 mm | 1:100 | - |
  | [45] | 航天器检查 | 肌腱 | 弹簧加载的同心管 | 6 | 1.8 m | - | 1:130 | 钩子 |
  | [47] | 航天器检查 | 肌腱 | 弹簧加载的同心管 | 6 | 1.2 m | 63 mm | 1:20 | 硬化 |
  | [54] | 可部署天线 | 流体 | 软质 | - | 可变 | 可变 | - | 生长、自适应 |
  | [55] | 卫星手术 | - | 被动管 | - | - | - | - | 硬化 |
  | [56] | 卫星手术 | 肌腱 | 弹簧 | 6 | - | - | - | - |

• 连续体机器人未来研究方向流程

graph LR
    A[开展专门设计研究] --> B[开发适合太空环境和任务的机器人]
    C[加强多学科合作] --> B
    D[进行模拟测试] --> B

通过以上的分析和总结，我们可以更清晰地了解连续体机器人在太空应用中的现状、挑战和未来发展方向，为相关研究和实践提供有益的参考。