2006年,美国宇航局(NASA)将三个可自由飞行的小型机器人送上国际空间站。这些名为SPHERES (同步位置的保持、连通与再定向试验卫星)的机器人在太空进行了长达600个小时的实验,开展了包括自主形态飞行、空间站导航和地图绘制等丰富实验,甚至还运行了中学生在团队比赛中编写的程序。

在协助宇航员或者辅助控制飞行方面,SPHERES在设计之初就没有提供任何实质性帮助的打算。它不仅作为科技平台提供各项服务,同时也为更精密复杂更多才多艺的下一代自由航天器夯实基础,这对生活在国际空间站上的人类带来了巨大帮助。

这就是Astrobee。

去年秋天,外媒IEEE Spectrum造访了位于美国加州Mountain View的美国宇航局爱姆斯研究中心(NASA Ames Research Center),重点了解和观察Astrobee原型的最新进展,并采访了该项目的幕后团队。

Astrobee是一个边长为32厘米的立方体。每个角和大部分边上都覆盖了一层柔性保险杠材料,从中嵌入了推进系统。机器人的中心部分包含丰富的传感器、控制系统、触控屏幕,以及为后续增加硬件而预留的有效载荷托架,其中包括一个手臂用于抓取国际空间站的扶手。

尽管这款机器人在设计上就是为了在国际空间站上自由的飞行,不过在地面进行测试的时候,Astrobee被安装在一个雪橇的顶部,使用二氧化碳喷气推进器创造低摩擦的空气,从而让机器人在非常平滑(同时非常巨大)的花岗岩石块上移动。这允许科研人员测试机器的推进和导航系统,不过一旦将其运输到太空,整个立方体就完全依赖蓝色保护套进行保护,没有在测试过程中的其他保护配件。

SPHERES到Cubes的过程

在该项目成立开始,Astrobee就不仅仅只是当做SPHERES的继承者,它更是一个全新平台,确保它能够在国际空间站完全自主地和安全地运作。其中最大的改善就是推进系统。

SPHERES需要始终处于宇航员监督控制下(因为它们比较易燃等原因),而且依赖一次性碱性电池组供电,由二氧化碳推进罐提供动力。而Astrobee则完全使用电动推进系统,通过扩展坞能够自行充电。

美国宇航局表示,Astrobee在国际空间站上运行可以通过地面进行远程遥控,同样也可以让它完全自主操作。通过可以兼容各种定制硬件的模块化托架,这款机器人能够执行各种任务的,在某些情况下甚至能够从人类宇航员手中接过繁琐又无聊的“家务”作业。

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美国宇航员Scott Kelly正在国际空间站上和SPHERES一同工作

Astrobee和SPHERES的本质区别在于,前者在地球上进行的各项设计就是为了能够在国际空间站上完全自由的操作。美国宇航局智能机器人集团(Intelligent Robotics Group),Astrobee项目首席系统工程师Trey Smith说道:“它是IVA(车内活动)自由飞行器,能够和人类和谐的在国家空间站内部进行飞行”。

作为对比,SPHERES是围绕着二氧化碳推进系统而设计的,理论上不仅能够在国际空间站内部运作,而且能够在空间站外面进行作业,尽管这需要对SPHERES平台进行某些升级。

由于Astrobee的运动可以依赖周围的大气,通过在某个方向来推动空气进行移动,就像是在地球上进行的大部分实验一样。当然,它也有很多其他方式来完成这项工作,但是在微重力情况下带来了很多令人难以想象的困难和独特挑战,这也导致Astrobee相当的复杂,而且推进系统尤其迷人。

安全的推进系统

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Astrobee的侧面,显示了其中一个推进模块。

在Astrobee的两个侧面,位于保护屏罩后面的是叶轮——能够吸入空气的大风扇。两个叶轮的相互作用能最小化陀螺力,在机器人的内部不断形成空气加压袋,通过每个面的喷嘴进行引导输出。如果所有喷嘴都处于关闭状态,那么Astrobee就会停止移动;也可以单独或者组合打开形成推力,从而让机器人朝着反方向移动。

“设备上共安装了12个喷嘴,它们都被精心安排因此所有喷嘴都是离心的(off-center)。”Smith解释道:“如果其中一个喷嘴出现崩溃,那么它会确保机器人处于旋转状态,而不是加速撞击空间站。不过如果你使用配对的推进器,那么就能保持平衡。Astrobee拥有不同的喷嘴配对方案能够实现每个笛卡尔轴线的正负方向上实现纯直移(pure translation)或者纯旋转(pure rotation),这表明你能够获得任何方向的推力。”

能够自己产生推力并完全自主地在国际空间站上移动,美国宇航局深知这个创意背后的担忧。除了上文提及的离心推进器之外,所有的的移动部件都安置在内部,这就意味着宇航员能够在任何地方抓住它,而且设备的每个角都被柔软的泡沫包裹形成圆形的缓冲,哪怕在运行过程中碰到什么东西也将损害降到最低。

“Astrobee可以在空间站上随意飞行。”Smith说道:“假如说发生碰撞,那么可能是空间站上的任何东西。”国际空间站的窗口会是一个重大问题,Smith说道:“Astrobee就像是一个蓬松的大型保龄球,在质量方面我们提出了非常严苛的要求,基本上能够应对各种碰撞。国际空间站上的常规窗口都有四层玻璃,两层是压力面板,分别位于机身的最里面和最外面,我们分别称之‘scratch’和‘debris’面板。我们目前尝试证明的是Astrobee无法打破scratch面板。”

Astrobee必须从基本上保证硬件安全。换言之,哪怕所有软件出现了不受控制的最糟糕情况,也要确保机器人不会对国际空间站造成严重的影响。

为了完全解决失控机器人所引发的安全问题,Astrobee团队不得不想象最糟糕的情况:软件故障导致机器人以最快速度进行加速,沿着国际空间站的最长直线距离(大约20米),直接进入空间站的其中一个窗户。在这种情况下,该机器人的最高速度能够达到每秒2米,要比软件限制的最高速度每秒0.75米快很多。

Smith说道:“在这种情况下,极有可能会打破scratch面板,不过我们并不会遇到比这个更糟糕情况。没有严重的损坏。”

有效荷载托架、传感器和大脑

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Astrobee的前脸,装备了相机、传感器和触控屏幕

在Astrobee的每个面装备推进模块的同时,也为自主操作预留了所有传感器和计算硬件的空间,而且还有足够的托架来容纳各种有效载荷(两个位于正面,两个位于背面),每个托架都含有机械、数据和电源连接。正面顶部的有效载荷托架已经安装了Astrobee自己的导航传感器,Smith表示开放的有效载荷托架是Astrobee存在优先级。

Smith说道:“有效载荷托架的做法来自于SPHERES的经验。首先,SPHERES主要用于测试姿态飞行软件,但是后来科学团队意识到可以附加有效荷载,而这种方式让我们感到疯狂。因此,在Astrobee的研发过程中我们在如何设计上做了很多的思考。”

Astrobee的计算机系统内部有三层处理器:低层(Low Level)、中层(Mid Level)和高层(High Level)。中层和高层处理器是相同的,只是中层运行Linux系统并接管机器人的大部分核心功能,而高层运行Android系统并专门负责有效荷载。这样设计不仅让科学有效荷载漂亮和独立,同时还能保证Astrobee的编程更加容易,通过广泛的API编译能编译建立Astrobee连接的Android应用。

Astrobee的传感器套件包含116度视野的主导航摄像机、能够从国际空间站实时传输视频至地面的高清自动对焦摄像机。此外还有能够检测约4米范围内障碍物(尽管外媒在造访时候并未安装)的CamBoard Pico Flexx time-of-flight flash IR 3D传感器,安装在Astrobee顶部面的optical-flow检测器,能够检测速度,如果机器人移动过快就会自动切断电源。

机器人背面的两个相机,用于辅助避开障碍物,对接和栖息(perching,下文会有更详细的介绍)。而驱动这一切(包括推进系统)的是锂电池,尽管这是相当危险的,但所幸的是Astrobee团队并非是首个在国际空间站使用锂电池的团队,因此他们所设计和使用的电池必然经过了严苛的电池审查。在完整充电之后,Astrobee能够持续飞行数小时时间。

自主导航

之所以与众不同和极具价值的原因之一是,Astrobee能够在国际空间站的美国舱(U.S. Module)、欧盟舱(ESA Modules)和日本舱(JAXA Module)中进行自主导航,目前不支持俄罗斯舱。而实现自主导航的重要原因是:国际空间站是高度结构化环境,内部非常的紧凑,界面分明,除非遇到可怕的错误否则基本上是可预测的,而且并不需要考虑黑暗或者雨水等因素。

考虑到这一点,Astrobee使用相对简单(至少原则上是)的系统来进行自我定位,并配合一个单眼相机拍摄国际空间站内部特征进行定位。正如Smith解释的,“我们有预先绘制的地图,因此视频中的每个帧,我们都可以在此前的地图上查看确定标志性的东西,通过识别之后我们就能知道在空间站的哪个位置。”

太空机器人遭遇的另一个问题是,在自主导航中的宇航员并非直上直下的行走。Smith说道:“我们目前所使用的地图是假设存在重力的状态下,所以机器的顶部总是朝上的,你可以想象我们正在开车。”

不过是实际情况下的,国际空间站确实存在宇航员尝试使用的“天花板”(称之为ceiling)和“甲板”,至少按照照明的方向。Astrobee在移动过程中能够确保和“天花板”保持一定的距离,并且能够防止意外踩踏和踢到。最初的版本中,Astrobee能够像宇航员一样检测到障碍物就自动停止,但是没有重新规划路线绕过宇航员,NASA计划逐渐改善Astrobee的自主导航能力。

当然,所有Astrobee的自主导航是可选的,而且一个重要功能是从地面远程进行遥控,在必要的时候允许地面的控制器来直接控制机器人,从而在Astrobee的自主驾驶系统出现错误的时候地面的工作人员能够及时接管。

这种可调节的自主驾驶让机器人变得更加高效和灵活,而且控制器能够在任何级别发出指令,确保人类始终拥有最高的控制权限。哪怕在运行过程中出现任何问题,工作人员都能接手并掌控机器人。

在国际空间站上的舒适扩展坞

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安置在扩展坞上的Astrobee

不在国际空间站飞行的时候,Astrobee在定制的扩展坞上拥有一个非常舒适的家。这个连接到空间站的扩展坞用于充电和基础遥测,以及某些基准从而确保Astrobee更容易被看到。每个扩展坞上有两个泊位,Astrobee可以通过位于机身背面的相机和扩展坞进行连接。一旦Astrobee和扩展坞的距离足够近,磁铁就会将两者固定连接在一起。在Astrobee再次起飞的时候,扩展坞就会再次根据指示收回磁铁。

这款机器人可以装备机械臂

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Astrobee正使用机械臂在扶手上栖息。

在Astrobee不需要活动访问某个地点的时候,它需要确保自己在国际空间站中不被飘走。为了能够做到这点,来自美国宇航局爱姆斯系统工程师In Won Park设计了一个可爱的小型3D打印栖息臂,在默认情况下折叠缩回Astrobee背面顶部的有效荷载托架,有必要的时候就会伸展出来。

使用后置摄像头,这个机械臂能够定位和抓取标准化扶手,同时也用来帮助宇航员在国际空间站穿梭和保持原地。通过栖息手臂能够确保Astrobee处于静止状态,且不再需要运行叶轮,机器人的续航时间最高可以延长80%。一旦处于栖息状态,手臂的电机就可以用于平移和倾斜额机器人的身体,而这正是远程遥控视频相机所需要的。

手臂上所使用的夹子是美国宇航局爱姆斯研究中心和哥伦比亚大学ROAM实验室共同的研究成果,该项目由Matei Ciocarlie 带队,此前曾在Willow Garage项目中研发了Velo 夹具。这个夹具是机械兼容的,通过校准能够非常牢固的保持Astrobee状态。不过有个不是特别安全的地方,当宇航员需要使用扶手的时候无法将机器人推开,因为一旦检测到超过阈值的压力,机械臂就会编程释放。此外这里还有一个安全功能:如果Astrobee固定在轨道上,而某个人意外发生碰撞,它就会自动解除固定并飘走。

尽管这个机械臂的主要目的是栖息,美国宇航局还考虑应用于其他用例中。其中一个有趣的用例是在其中一个Astrobee设备的空闲有效荷载托架添加一些扶手,从而能够让另外一个Astrobee抓住。这里所使用的夹具也是可以更换的,因此其他的科研专家能够开发除定制夹具来完成不同的任务(例如操作),然后在太空中安装在Astrobee上进行测试。

实用和多功能

机器人价值的核心体现能够提供设计和编程,在投入大量时间和精力之后能够得到一个积极的回报。独立于宇航员操作让Astrobee变得更加实用,这能够完全能够自主操作,或者从地面进行操作。如果Astrobee能够在不妨碍宇航员的情况下可靠的完成任务,那么在无人的理想状态下,它能够从人类宇航员手中接管所有类型的任务。

Astrobee团队已经确定能从宇航员手中接管一些事情。其中之一是船员活动的视频拍摄,Smith说道:“现在的状态是,船员自行握持一个摄像机,如果地面的飞行控制器能够定位摄像机,那么船员就不需要自己调整了。”通过内置摄像头和栖息手臂,Astrobee将提供稳定的拍摄图像,而宇航员能够继续做他们手头工作。

机组人员还花费了大量时间做了很多真正无聊的事情,比如在空间站上录音,使用RFID进行库存管理,用于检测二氧化碳浓度。这些粗糙、重复的管理项目通常是愚钝的,会大量消耗宇航员的时间,即使这些是确保国际空间长期安全的强制性措施。如果Astrobee能够接管这些任务,那么必然让人类从这些事件中解脱出来,奖更多的精力投入到科学探索中。

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Astrobee最终设计的渲染图。

尽管外媒在美国宇航局爱姆斯科研中心的Astrobee原型已经看起来非常酷炫,而最终会登陆国际空间站的版本会更有视觉冲击力。Astrobee的最终外观由Yun-kyung Kim负责,他在美国宇航局爱姆斯研究中心担任HRI研究员。

Astrobee的外部将会由诺梅克斯纤维材料制作成一个彩色可绘画的“皮肤” ,这些设计可以自行设计,也可以进行外包,为孩子提供了一种有趣的方式来参与空间机器人。除了看起来酷炫之外,另一个原因是在该立方体在可以朝任意方向移动的空间内能够更轻松的识别将会设备的正面和背面。对于宇航员来说,知道哪个是Astrobee的正面是非常重要的。

该计划也计划围绕着Astrobee的叶轮装备LED阵列,从而用于传达简单的信息。类似于转向信号,或者表明该机器人当前正在执行的任务,或者是处于远程操作还是处于自主模式。这个机器人同时还具备一个触控屏幕,不过LED灯皆在于变得更加简单和直观。Astrobee同时还具备扬声器,Kim正使用音频来帮助Astrobee宇航员(或者提醒他们)。 前往太空

美国宇航局预计在2018财年(2017年10月至2018年9月)年底之前将Astrobee送上轨道。尽管扩展坞智能同时为两台设备进行充电,但美国宇航局计划将三台设备送上国际空间站。第三台设备可以安置在空间站的某处,但是宇航员可以将这三台设备一起组合进行实验。

Astrobee将会取代SPHERES,在这个转变的过程中,美国宇航局的客座科学家项目(Guest Scientist Program)最终为全球的科学家在这些机器人运行实验,同时涵盖硬件和软件。在过去,SPHERES的参与程度受到限制,因为需要宇航员不断的进行监督以及额外的时间进行设置,而Astrobee添加的自主能力能够为合作和研究带来更多机遇。

美国宇航员对太空机器人的计划是雄心勃勃的,但它们并不能总是发挥自己的潜力。通常这是因为其中需要宇航员的大量参与。Astrobee由于采用自主操作设计而认为是有前途的,并为宇航员提供各种帮助。Robonaut也想要完成相同的任务,但由于需要宇航员消耗大量时间以及太过繁琐困难而依然没有上线。如果Astrobee能够克服这个障碍,自主级别能够达到实用的级别,那么太空机器人将会迸发无穷的潜力。