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空間機(jī)器人發(fā)展特點(diǎn)和趨勢

空間機(jī)器人是在太空中執(zhí)行空間站建造與運(yùn)營、衛(wèi)星組裝與服務(wù)、行星表面探測與實(shí)驗(yàn)等任務(wù)的一類特種機(jī)器人，是世界航天大國競相發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。當(dāng)前，空間機(jī)器人已經(jīng)在國際空間站、飛船、衛(wèi)星等飛行器的在軌維護(hù)、空間裝配、月球探測和火星探測等任務(wù)中得到廣泛的應(yīng)用，相關(guān)研發(fā)試驗(yàn)活動高度活躍，呈現(xiàn)出一系列發(fā)展特點(diǎn)和趨勢。空間機(jī)器人發(fā)展特點(diǎn)和趨勢基于我國航天技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利分析普及推廣項(xiàng)目空間機(jī)器人課題組從在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)、星表移動機(jī)器人技術(shù)、MDA公司專利布局、國外型號重要專利剖析、技術(shù)轉(zhuǎn)移可行性分析等五個(gè)視角出發(fā)，對空間機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深度剖析。在軌服務(wù)機(jī)器人近年來，人工智能、機(jī)器人等新興技術(shù)飛速發(fā)展，為在軌服務(wù)機(jī)器人提供了良好的研究基礎(chǔ)，美國、歐洲、日本等國家或地區(qū)均開展了相應(yīng)的在軌服務(wù)機(jī)器人研制項(xiàng)目和發(fā)展計(jì)劃，并在核心技術(shù)分布、地域部署上形成了專利體系化布局。基于全球空間機(jī)械臂、操作末端和自主操作技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)分析，獲得了主要技術(shù)創(chuàng)新國家的技術(shù)研究重點(diǎn)。其中，美國作為空間機(jī)器人項(xiàng)目開展最多的國家，其相關(guān)技術(shù)發(fā)展得到德國、日本、加拿大等國的協(xié)助，其在軌服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新側(cè)重于機(jī)械臂空間冗余構(gòu)型設(shè)計(jì)、空間仿人靈巧手、空間目標(biāo)對接技術(shù)等技術(shù)方面，并在自主在軌加注、在軌模塊更換與裝配和空間碎片清理方面取得了較大技術(shù)突破。日本參與了美國早期空間機(jī)器人項(xiàng)目研制，具有較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力，其在軌服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新側(cè)重于空間機(jī)械冗余構(gòu)型設(shè)計(jì)和空間目標(biāo)對接技術(shù)，且近些年的自主操作技術(shù)以空間碎片清理為主，技術(shù)方案側(cè)重于魚叉繩系機(jī)器人和電磁吸附抓捕。在軌服務(wù)機(jī)器人的空間目標(biāo)對接技術(shù)專利申請量排名第一，從核心專利分析情況來看，MDA公司、波音公司和NASA的空間目標(biāo)對接技術(shù)主要側(cè)重于非合作目標(biāo)，以及沒有對接特征空間目標(biāo)的捕獲與對接技術(shù)，不僅可以對早期的在軌飛行器進(jìn)行延壽操作，而且可以應(yīng)用于空間軍事衛(wèi)星捕獲和降軌操作。另外，通過梳理空間目標(biāo)捕獲與對接技術(shù)的發(fā)展歷程發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外針對空間目標(biāo)的捕獲方式呈現(xiàn)多元技術(shù)并行發(fā)展趨勢，具體涉及繩系或飛網(wǎng)捕獲、抓取捕獲、插接捕獲和吸附捕獲；捕獲對象從合作目標(biāo)擴(kuò)展到了非合作目標(biāo)，且捕獲目標(biāo)從低軌向高軌逐步擴(kuò)展。星表移動機(jī)器人星表移動機(jī)器人主要包括輪式移動機(jī)器人、腿式行走機(jī)器人和輪腿組合式移動機(jī)器人等類型，它們各有相應(yīng)的特點(diǎn)和適用范圍。根據(jù)對星表移動機(jī)器人相關(guān)專利文獻(xiàn)的分析可以發(fā)現(xiàn)，星表移動機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新從20世紀(jì)60年代至今一直保持一定的熱度，專利技術(shù)的出現(xiàn)與重要事件的發(fā)生相伴相生。90年代以前世界范圍內(nèi)主要圍繞輪式移動機(jī)器人開展相關(guān)的技術(shù)研發(fā)和專利布局，90年代以后腿式機(jī)器人的相關(guān)研究開始變得活躍，進(jìn)入21世紀(jì)后，將輪式移動機(jī)構(gòu)的高速高效性能和腿式移動機(jī)構(gòu)的地形適應(yīng)能力相結(jié)合的輪腿組合式移動機(jī)器人越來越受到業(yè)內(nèi)的重視，全球范圍的相關(guān)研究如火如荼地開展，但由于輪腿機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制更為復(fù)雜，還有大量的科學(xué)問題、內(nèi)蘊(yùn)機(jī)理和基本特性的認(rèn)識尚需突破，實(shí)際應(yīng)用還需一定的時(shí)日。在星表移動機(jī)器人中，輪式移動機(jī)器人（也叫星球車）因技術(shù)相對成熟而得以廣泛應(yīng)用，是目前成功登陸月球和火星的表面探測器采用的結(jié)構(gòu)形式。對于星球車，車輛整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、懸架機(jī)構(gòu)、車輪機(jī)構(gòu)和移動控制是決定機(jī)器人能否順利通過行星表面和完成指定任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)和重要因素。通過對各個(gè)時(shí)間階段的代表性專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析可知，輪式移動機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展大體經(jīng)歷了如下過程：20世紀(jì)60年代主要是基于地面車輛進(jìn)行改造，尤其針對車輪結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)和測試；60年代末到70年代初圍繞車輛的懸架系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化；到了80年代，為了進(jìn)一步適應(yīng)火星探測的任務(wù)，研究開發(fā)新的懸架系統(tǒng)；進(jìn)入90年代，對車輛的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如懸架的折展設(shè)計(jì)以提高星球車的可運(yùn)輸性；進(jìn)入21世紀(jì)后，對于輪式移動機(jī)器人的移動控制和智能化方面的研究增多，近幾年更是向著提高機(jī)器人多功能性的方向發(fā)展，以適應(yīng)多樣化的應(yīng)用需求、提高空間運(yùn)輸和作業(yè)效率。輪式機(jī)器人移動系統(tǒng)技術(shù)功效矩陣分析圖通過對輪式機(jī)器人移動系統(tǒng)開展技術(shù)功效矩陣分析可知，用于增強(qiáng)地形適應(yīng)和通過性、提高穩(wěn)定性、提高空間可運(yùn)輸性，以及提高定姿定位能力的專利技術(shù)較多，用于實(shí)現(xiàn)空間實(shí)驗(yàn)支持（包括零重力實(shí)驗(yàn)、便于采樣和樣品收集等）、降低能耗、提高轉(zhuǎn)向性能的相關(guān)專利文獻(xiàn)較少。增強(qiáng)地形適應(yīng)和通過性與四種技術(shù)手段都相關(guān)，其中通過車輪和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的專利文獻(xiàn)最多；而提高穩(wěn)定性和空間可運(yùn)輸性與懸架設(shè)計(jì)、車輪設(shè)計(jì)和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三種技術(shù)手段相關(guān)，其中提高穩(wěn)定性最相關(guān)的技術(shù)手段是懸架設(shè)計(jì)，而提高空間可運(yùn)輸性最主要是通過對車輛進(jìn)行輕量化、模塊化、小型化等整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。此外，定姿定位能力、可操控性、驅(qū)動性能和轉(zhuǎn)向性能主要由移動控制技術(shù)來提高和改進(jìn)。而載人適應(yīng)性設(shè)計(jì)主要是在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮供氧、照明、安全保障和乘坐舒適性等方面而進(jìn)行功能增設(shè)和優(yōu)化。 MDA公司專利布局加拿大MDA公司基于其先進(jìn)的空間機(jī)器人技術(shù)，已成為美國在軌服務(wù)項(xiàng)目的主要研制方之一，其專利技術(shù)創(chuàng)新主要側(cè)重于自由飛行器捕獲、在軌加注工具與安全操作，以及通信衛(wèi)星在軌組裝等。MDA公司在軌服務(wù)機(jī)器人的專利申請主要分布在美國、加拿大和歐洲。MDA公司在20世紀(jì)70年代就開始在美國布局相關(guān)專利，隨著MDA公司參與美國在軌服務(wù)項(xiàng)目越來越多，其在美國的專利申請量也呈現(xiàn)大幅上升趨勢；近些年，MDA公司更側(cè)重于在日本進(jìn)行專利布局。 MDA公司研制的空間基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)（SIS）航天器可以在GEO上開展在軌加注任務(wù)，可以攜帶推進(jìn)劑箱到達(dá)GEO，并裝備了機(jī)械臂和工具箱來維護(hù)衛(wèi)星。圍繞上述服務(wù)航天器的研制，MDA公司于2008年至2016年在全球布局了75件專利，主要分布在美國、加拿大、日本、歐洲（EP）和俄羅斯，實(shí)現(xiàn)了SIS航天器在未來市場國家的權(quán)利保護(hù)，專利主要涉及在軌燃料加注系統(tǒng)總體技術(shù)、推進(jìn)劑傳輸系統(tǒng)、安全操作工具和目標(biāo)航天捕獲固定方案等。國外項(xiàng)目重要專利剖析美國宇航局推進(jìn)的空間機(jī)器人研究計(jì)劃和發(fā)展項(xiàng)目最多，為了對其技術(shù)發(fā)展動態(tài)進(jìn)行深入剖析，本課題獲取了其重要空間機(jī)器人項(xiàng)目的專利簇，具體涉及第二代機(jī)器人宇航員（Robonaut2）、小行星重定向任務(wù)的TALISMAN機(jī)械臂系統(tǒng)、“蜻蜓”在軌衛(wèi)星組裝項(xiàng)目、“蜘蛛制造”空間制造系統(tǒng)等。其中，NASA與通用公司合作聯(lián)合研制的第二代機(jī)器人宇航員(Robonaut2)，于2011年進(jìn)入國際空間站，成為空間擬人機(jī)器人發(fā)展的里程碑之一。針對Roubonaut2的研制，NASA與通用公司在2008年至2015年聯(lián)合提交了42項(xiàng)與第二代機(jī)器人宇航員Robonaut2相關(guān)的專利申請，具體涉及總體技術(shù)、控制技術(shù)、感知技術(shù)、通信技術(shù)、交互操作技術(shù)、任務(wù)規(guī)劃技術(shù)，以及靈巧機(jī)器人手臂、手指等。Roubounaut2的專利布局側(cè)重于美國、日本和德國，且近些年選擇在中國、加拿大和澳大利亞進(jìn)行布局，主要涉及到整體結(jié)構(gòu)、任務(wù)規(guī)劃、靈巧操作控制和驅(qū)動等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)可以在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移應(yīng)用，具有較大的商業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。通過梳理Roubonaut2項(xiàng)目的靈巧手技術(shù)發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)從2009年至2014年，NASA和通用公司在靈巧手技術(shù)方面提交了10項(xiàng)相關(guān)專利申請。其中，2009年的5項(xiàng)專利申請分別涉及手腕、拇指組件、手指肌腱驅(qū)動、手指執(zhí)行器和抓握裝置；2010年的兩項(xiàng)專利申請主要涉及手指控制，2013年的專利（公告號：US8857874B2）對Roubonaut2的手指組件進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)；2014年的專利（公告號：US8919842B2）則對靈巧手的肌腱操作技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。總體上來說，NASA和通用公司通過機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、控制等方面的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了靈巧手的仿人操作靈活性、穩(wěn)健性、精細(xì)程度和及時(shí)反應(yīng)等方面進(jìn)行了能力提升。空間機(jī)器人技術(shù)轉(zhuǎn)移可行性分析關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)移部分案例專利的價(jià)值除了對自主創(chuàng)新的技術(shù)進(jìn)行有效保護(hù)之外，更重要的是通過對其實(shí)施轉(zhuǎn)化獲取經(jīng)濟(jì)效益?？臻g機(jī)器人在空間環(huán)境工作要滿足嚴(yán)苛條件，客觀上要求其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比于地面更加嚴(yán)格，能夠滿足空間環(huán)境要求的空間機(jī)器人在未來向工業(yè)等其他領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化的空間廣闊。本課題梳理了空間機(jī)器人中可向民用領(lǐng)域推廣，并適應(yīng)市場需求的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合國外案例、我國專利儲備、轉(zhuǎn)移領(lǐng)域，對梳理出的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移可行性分析，如下圖所示。

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