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| 本文作者： 薩洛 | 2017-02-13 15:43 |
美國宇航局的Astrobee是新一代自由飛翔太空機器人，專門為國際空間站的宇航員提供各項幫助
2006年，美國宇航局（NASA）將三個可自由飛行的小型機器人送上國際空間站。這些名為SPHERES （同步位置的保持、連通與再定向試驗衛(wèi)星）的機器人在太空進(jìn)行了長達(dá)600個小時的實驗，開展了包括自主形態(tài)飛行、空間站導(dǎo)航和地圖繪制等豐富實驗，甚至還運行了中學(xué)生在團(tuán)隊比賽中編寫的程序。
在協(xié)助宇航員或者輔助控制飛行方面，SPHERES在設(shè)計之初就沒有提供任何實質(zhì)性幫助的打算。它不僅作為科技平臺提供各項服務(wù)，同時也為更精密復(fù)雜更多才多藝的下一代自由航天器夯實基礎(chǔ)，這對生活在國際空間站上的人類帶來了巨大幫助。
這就是Astrobee。
去年秋天，外媒IEEE Spectrum造訪了位于美國加州Mountain View的美國宇航局愛姆斯研究中心（NASA Ames Research Center），重點了解和觀察Astrobee原型的最新進(jìn)展，并采訪了該項目的幕后團(tuán)隊。
Astrobee是一個邊長為32厘米的立方體。每個角和大部分邊上都覆蓋了一層柔性保險杠材料，從中嵌入了推進(jìn)系統(tǒng)。機器人的中心部分包含豐富的傳感器、控制系統(tǒng)、觸控屏幕，以及為后續(xù)增加硬件而預(yù)留的有效載荷托架，其中包括一個手臂用于抓取國際空間站的扶手。
盡管這款機器人在設(shè)計上就是為了在國際空間站上自由的飛行，不過在地面進(jìn)行測試的時候，Astrobee被安裝在一個雪橇的頂部，使用二氧化碳噴氣推進(jìn)器創(chuàng)造低摩擦的空氣，從而讓機器人在非常平滑（同時非常巨大）的花崗巖石塊上移動。這允許科研人員測試機器的推進(jìn)和導(dǎo)航系統(tǒng)，不過一旦將其運輸?shù)教眨麄€立方體就完全依賴藍(lán)色保護(hù)套進(jìn)行保護(hù)，沒有在測試過程中的其他保護(hù)配件。
在該項目成立開始，Astrobee就不僅僅只是當(dāng)做SPHERES的繼承者，它更是一個全新平臺，確保它能夠在國際空間站完全自主地和安全地運作。其中最大的改善就是推進(jìn)系統(tǒng)。
SPHERES需要始終處于宇航員監(jiān)督控制下（因為它們比較易燃等原因），而且依賴一次性堿性電池組供電，由二氧化碳推進(jìn)罐提供動力。而Astrobee則完全使用電動推進(jìn)系統(tǒng)，通過擴(kuò)展塢能夠自行充電。
美國宇航局表示，Astrobee在國際空間站上運行可以通過地面進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，同樣也可以讓它完全自主操作。通過可以兼容各種定制硬件的模塊化托架，這款機器人能夠執(zhí)行各種任務(wù)的，在某些情況下甚至能夠從人類宇航員手中接過繁瑣又無聊的“家務(wù)”作業(yè)。
美國宇航員Scott Kelly正在國際空間站上和SPHERES一同工作
Astrobee和SPHERES的本質(zhì)區(qū)別在于，前者在地球上進(jìn)行的各項設(shè)計就是為了能夠在國際空間站上完全自由的操作。美國宇航局智能機器人集團(tuán)（Intelligent Robotics Group），Astrobee項目首席系統(tǒng)工程師Trey Smith說道：“它是IVA（車內(nèi)活動）自由飛行器，能夠和人類和諧的在國家空間站內(nèi)部進(jìn)行飛行”。
作為對比，SPHERES是圍繞著二氧化碳推進(jìn)系統(tǒng)而設(shè)計的，理論上不僅能夠在國際空間站內(nèi)部運作，而且能夠在空間站外面進(jìn)行作業(yè)，盡管這需要對SPHERES平臺進(jìn)行某些升級。
由于Astrobee的運動可以依賴周圍的大氣，通過在某個方向來推動空氣進(jìn)行移動，就像是在地球上進(jìn)行的大部分實驗一樣。當(dāng)然，它也有很多其他方式來完成這項工作，但是在微重力情況下帶來了很多令人難以想象的困難和獨特挑戰(zhàn)，這也導(dǎo)致Astrobee相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，而且推進(jìn)系統(tǒng)尤其迷人。
Astrobee的側(cè)面，顯示了其中一個推進(jìn)模塊。
在Astrobee的兩個側(cè)面，位于保護(hù)屏罩后面的是葉輪——能夠吸入空氣的大風(fēng)扇。兩個葉輪的相互作用能最小化陀螺力，在機器人的內(nèi)部不斷形成空氣加壓袋，通過每個面的噴嘴進(jìn)行引導(dǎo)輸出。如果所有噴嘴都處于關(guān)閉狀態(tài)，那么Astrobee就會停止移動；也可以單獨或者組合打開形成推力，從而讓機器人朝著反方向移動。
“設(shè)備上共安裝了12個噴嘴，它們都被精心安排因此所有噴嘴都是離心的（off-center）?！盨mith解釋道：“如果其中一個噴嘴出現(xiàn)崩潰，那么它會確保機器人處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而不是加速撞擊空間站。不過如果你使用配對的推進(jìn)器，那么就能保持平衡。Astrobee擁有不同的噴嘴配對方案能夠?qū)崿F(xiàn)每個笛卡爾軸線的正負(fù)方向上實現(xiàn)純直移（pure translation）或者純旋轉(zhuǎn)（pure rotation），這表明你能夠獲得任何方向的推力?！?/p>
能夠自己產(chǎn)生推力并完全自主地在國際空間站上移動，美國宇航局深知這個創(chuàng)意背后的擔(dān)憂。除了上文提及的離心推進(jìn)器之外，所有的的移動部件都安置在內(nèi)部，這就意味著宇航員能夠在任何地方抓住它，而且設(shè)備的每個角都被柔軟的泡沫包裹形成圓形的緩沖，哪怕在運行過程中碰到什么東西也將損害降到最低。
“Astrobee可以在空間站上隨意飛行。”Smith說道：“假如說發(fā)生碰撞，那么可能是空間站上的任何東西。”國際空間站的窗口會是一個重大問題，Smith說道：“Astrobee就像是一個蓬松的大型保齡球，在質(zhì)量方面我們提出了非常嚴(yán)苛的要求，基本上能夠應(yīng)對各種碰撞。國際空間站上的常規(guī)窗口都有四層玻璃，兩層是壓力面板，分別位于機身的最里面和最外面，我們分別稱之‘scratch’和‘debris’面板。我們目前嘗試證明的是Astrobee無法打破scratch面板?！?/p>
Astrobee必須從基本上保證硬件安全。換言之，哪怕所有軟件出現(xiàn)了不受控制的最糟糕情況，也要確保機器人不會對國際空間站造成嚴(yán)重的影響。
為了完全解決失控機器人所引發(fā)的安全問題，Astrobee團(tuán)隊不得不想象最糟糕的情況：軟件故障導(dǎo)致機器人以最快速度進(jìn)行加速，沿著國際空間站的最長直線距離（大約20米），直接進(jìn)入空間站的其中一個窗戶。在這種情況下，該機器人的最高速度能夠達(dá)到每秒2米，要比軟件限制的最高速度每秒0.75米快很多。
Smith說道：“在這種情況下，極有可能會打破scratch面板，不過我們并不會遇到比這個更糟糕情況。沒有嚴(yán)重的損壞。”
Astrobee的前臉，裝備了相機、傳感器和觸控屏幕
在Astrobee的每個面裝備推進(jìn)模塊的同時，也為自主操作預(yù)留了所有傳感器和計算硬件的空間，而且還有足夠的托架來容納各種有效載荷（兩個位于正面，兩個位于背面），每個托架都含有機械、數(shù)據(jù)和電源連接。正面頂部的有效載荷托架已經(jīng)安裝了Astrobee自己的導(dǎo)航傳感器，Smith表示開放的有效載荷托架是Astrobee存在優(yōu)先級。
Smith說道：“有效載荷托架的做法來自于SPHERES的經(jīng)驗。首先，SPHERES主要用于測試姿態(tài)飛行軟件，但是后來科學(xué)團(tuán)隊意識到可以附加有效荷載，而這種方式讓我們感到瘋狂。因此，在Astrobee的研發(fā)過程中我們在如何設(shè)計上做了很多的思考?！?/p>
Astrobee的計算機系統(tǒng)內(nèi)部有三層處理器：低層（Low Level）、中層（Mid Level）和高層（High Level）。中層和高層處理器是相同的，只是中層運行Linux系統(tǒng)并接管機器人的大部分核心功能，而高層運行Android系統(tǒng)并專門負(fù)責(zé)有效荷載。這樣設(shè)計不僅讓科學(xué)有效荷載漂亮和獨立，同時還能保證Astrobee的編程更加容易，通過廣泛的API編譯能編譯建立Astrobee連接的Android應(yīng)用。
Astrobee的傳感器套件包含116度視野的主導(dǎo)航攝像機、能夠從國際空間站實時傳輸視頻至地面的高清自動對焦攝像機。此外還有能夠檢測約4米范圍內(nèi)障礙物（盡管外媒在造訪時候并未安裝）的CamBoard Pico Flexx time-of-flight flash IR 3D傳感器，安裝在Astrobee頂部面的optical-flow檢測器，能夠檢測速度，如果機器人移動過快就會自動切斷電源。
機器人背面的兩個相機，用于輔助避開障礙物，對接和棲息（perching，下文會有更詳細(xì)的介紹）。而驅(qū)動這一切（包括推進(jìn)系統(tǒng)）的是鋰電池，盡管這是相當(dāng)危險的，但所幸的是Astrobee團(tuán)隊并非是首個在國際空間站使用鋰電池的團(tuán)隊，因此他們所設(shè)計和使用的電池必然經(jīng)過了嚴(yán)苛的電池審查。在完整充電之后，Astrobee能夠持續(xù)飛行數(shù)小時時間。
之所以與眾不同和極具價值的原因之一是，Astrobee能夠在國際空間站的美國艙（U.S. Module）、歐盟艙（ESA Modules）和日本艙（JAXA Module）中進(jìn)行自主導(dǎo)航，目前不支持俄羅斯艙。而實現(xiàn)自主導(dǎo)航的重要原因是：國際空間站是高度結(jié)構(gòu)化環(huán)境，內(nèi)部非常的緊湊，界面分明，除非遇到可怕的錯誤否則基本上是可預(yù)測的，而且并不需要考慮黑暗或者雨水等因素。
考慮到這一點，Astrobee使用相對簡單（至少原則上是）的系統(tǒng)來進(jìn)行自我定位，并配合一個單眼相機拍攝國際空間站內(nèi)部特征進(jìn)行定位。正如Smith解釋的，“我們有預(yù)先繪制的地圖，因此視頻中的每個幀，我們都可以在此前的地圖上查看確定標(biāo)志性的東西，通過識別之后我們就能知道在空間站的哪個位置?！?/p>
太空機器人遭遇的另一個問題是，在自主導(dǎo)航中的宇航員并非直上直下的行走。Smith說道：“我們目前所使用的地圖是假設(shè)存在重力的狀態(tài)下，所以機器的頂部總是朝上的，你可以想象我們正在開車?！?/p>
不過是實際情況下的，國際空間站確實存在宇航員嘗試使用的“天花板”（稱之為ceiling）和“甲板”，至少按照照明的方向。Astrobee在移動過程中能夠確保和“天花板”保持一定的距離，并且能夠防止意外踩踏和踢到。最初的版本中，Astrobee能夠像宇航員一樣檢測到障礙物就自動停止，但是沒有重新規(guī)劃路線繞過宇航員，NASA計劃逐漸改善Astrobee的自主導(dǎo)航能力。
當(dāng)然，所有Astrobee的自主導(dǎo)航是可選的，而且一個重要功能是從地面遠(yuǎn)程進(jìn)行遙控，在必要的時候允許地面的控制器來直接控制機器人，從而在Astrobee的自主駕駛系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的時候地面的工作人員能夠及時接管。
這種可調(diào)節(jié)的自主駕駛讓機器人變得更加高效和靈活，而且控制器能夠在任何級別發(fā)出指令，確保人類始終擁有最高的控制權(quán)限。哪怕在運行過程中出現(xiàn)任何問題，工作人員都能接手并掌控機器人。
安置在擴(kuò)展塢上的Astrobee
不在國際空間站飛行的時候，Astrobee在定制的擴(kuò)展塢上擁有一個非常舒適的家。這個連接到空間站的擴(kuò)展塢用于充電和基礎(chǔ)遙測，以及某些基準(zhǔn)從而確保Astrobee更容易被看到。每個擴(kuò)展塢上有兩個泊位，Astrobee可以通過位于機身背面的相機和擴(kuò)展塢進(jìn)行連接。一旦Astrobee和擴(kuò)展塢的距離足夠近，磁鐵就會將兩者固定連接在一起。在Astrobee再次起飛的時候，擴(kuò)展塢就會再次根據(jù)指示收回磁鐵。
Astrobee正使用機械臂在扶手上棲息。
在Astrobee不需要活動訪問某個地點的時候，它需要確保自己在國際空間站中不被飄走。為了能夠做到這點，來自美國宇航局愛姆斯系統(tǒng)工程師In Won Park設(shè)計了一個可愛的小型3D打印棲息臂，在默認(rèn)情況下折疊縮回Astrobee背面頂部的有效荷載托架，有必要的時候就會伸展出來。
使用后置攝像頭，這個機械臂能夠定位和抓取標(biāo)準(zhǔn)化扶手，同時也用來幫助宇航員在國際空間站穿梭和保持原地。通過棲息手臂能夠確保Astrobee處于靜止?fàn)顟B(tài)，且不再需要運行葉輪，機器人的續(xù)航時間最高可以延長80%。一旦處于棲息狀態(tài)，手臂的電機就可以用于平移和傾斜額機器人的身體，而這正是遠(yuǎn)程遙控視頻相機所需要的。
手臂上所使用的夾子是美國宇航局愛姆斯研究中心和哥倫比亞大學(xué)ROAM實驗室共同的研究成果，該項目由Matei Ciocarlie 帶隊，此前曾在Willow Garage項目中研發(fā)了Velo 夾具。這個夾具是機械兼容的，通過校準(zhǔn)能夠非常牢固的保持Astrobee狀態(tài)。不過有個不是特別安全的地方，當(dāng)宇航員需要使用扶手的時候無法將機器人推開，因為一旦檢測到超過閾值的壓力，機械臂就會編程釋放。此外這里還有一個安全功能：如果Astrobee固定在軌道上，而某個人意外發(fā)生碰撞，它就會自動解除固定并飄走。
盡管這個機械臂的主要目的是棲息，美國宇航局還考慮應(yīng)用于其他用例中。其中一個有趣的用例是在其中一個Astrobee設(shè)備的空閑有效荷載托架添加一些扶手，從而能夠讓另外一個Astrobee抓住。這里所使用的夾具也是可以更換的，因此其他的科研專家能夠開發(fā)除定制夾具來完成不同的任務(wù)（例如操作），然后在太空中安裝在Astrobee上進(jìn)行測試。
機器人價值的核心體現(xiàn)能夠提供設(shè)計和編程，在投入大量時間和精力之后能夠得到一個積極的回報。獨立于宇航員操作讓Astrobee變得更加實用，這能夠完全能夠自主操作，或者從地面進(jìn)行操作。如果Astrobee能夠在不妨礙宇航員的情況下可靠的完成任務(wù)，那么在無人的理想狀態(tài)下，它能夠從人類宇航員手中接管所有類型的任務(wù)。
Astrobee團(tuán)隊已經(jīng)確定能從宇航員手中接管一些事情。其中之一是船員活動的視頻拍攝，Smith說道：“現(xiàn)在的狀態(tài)是，船員自行握持一個攝像機，如果地面的飛行控制器能夠定位攝像機，那么船員就不需要自己調(diào)整了?！蓖ㄟ^內(nèi)置攝像頭和棲息手臂，Astrobee將提供穩(wěn)定的拍攝圖像，而宇航員能夠繼續(xù)做他們手頭工作。
機組人員還花費了大量時間做了很多真正無聊的事情，比如在空間站上錄音，使用RFID進(jìn)行庫存管理，用于檢測二氧化碳濃度。這些粗糙、重復(fù)的管理項目通常是愚鈍的，會大量消耗宇航員的時間，即使這些是確保國際空間長期安全的強制性措施。如果Astrobee能夠接管這些任務(wù)，那么必然讓人類從這些事件中解脫出來，獎更多的精力投入到科學(xué)探索中。
Astrobee最終設(shè)計的渲染圖。
盡管外媒在美國宇航局愛姆斯科研中心的Astrobee原型已經(jīng)看起來非?？犰?，而最終會登陸國際空間站的版本會更有視覺沖擊力。Astrobee的最終外觀由Yun-kyung Kim負(fù)責(zé)，他在美國宇航局愛姆斯研究中心擔(dān)任HRI研究員。
Astrobee的外部將會由諾梅克斯纖維材料制作成一個彩色可繪畫的“皮膚” ，這些設(shè)計可以自行設(shè)計，也可以進(jìn)行外包，為孩子提供了一種有趣的方式來參與空間機器人。除了看起來酷炫之外，另一個原因是在該立方體在可以朝任意方向移動的空間內(nèi)能夠更輕松的識別將會設(shè)備的正面和背面。對于宇航員來說，知道哪個是Astrobee的正面是非常重要的。
該計劃也計劃圍繞著Astrobee的葉輪裝備LED陣列，從而用于傳達(dá)簡單的信息。類似于轉(zhuǎn)向信號，或者表明該機器人當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)，或者是處于遠(yuǎn)程操作還是處于自主模式。這個機器人同時還具備一個觸控屏幕，不過LED燈皆在于變得更加簡單和直觀。Astrobee同時還具備揚聲器，Kim正使用音頻來幫助Astrobee宇航員（或者提醒他們）。
美國宇航局預(yù)計在2018財年（2017年10月至2018年9月）年底之前將Astrobee送上軌道。盡管擴(kuò)展塢智能同時為兩臺設(shè)備進(jìn)行充電，但美國宇航局計劃將三臺設(shè)備送上國際空間站。第三臺設(shè)備可以安置在空間站的某處，但是宇航員可以將這三臺設(shè)備一起組合進(jìn)行實驗。
Astrobee將會取代SPHERES，在這個轉(zhuǎn)變的過程中，美國宇航局的客座科學(xué)家項目（Guest Scientist Program）最終為全球的科學(xué)家在這些機器人運行實驗，同時涵蓋硬件和軟件。在過去，SPHERES的參與程度受到限制，因為需要宇航員不斷的進(jìn)行監(jiān)督以及額外的時間進(jìn)行設(shè)置，而Astrobee添加的自主能力能夠為合作和研究帶來更多機遇。
美國宇航員對太空機器人的計劃是雄心勃勃的，但它們并不能總是發(fā)揮自己的潛力。通常這是因為其中需要宇航員的大量參與。Astrobee由于采用自主操作設(shè)計而認(rèn)為是有前途的，并為宇航員提供各種幫助。Robonaut也想要完成相同的任務(wù)，但由于需要宇航員消耗大量時間以及太過繁瑣困難而依然沒有上線。如果Astrobee能夠克服這個障礙，自主級別能夠達(dá)到實用的級別，那么太空機器人將會迸發(fā)無窮的潛力。
via spectrum.ieee
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