新年伊始，中国空间站航天技术试验领域成功完成了空间站管道检测机器人在轨试验，验证了管道检测机器人的管道环境适应能力和变刚度运动安全性，为未来配合空间站完成管道检测提供技术基础。此次在轨试验是如何开展的？机器人在开展管道检测时有哪些难点和挑战，在设计上又有哪些巧思？来一探究竟吧。

 

 

航天员开展管道检测机器人在轨试验

 

 

 

航天员在轨搭建了包含不同直径的直管、弯管、锥管的模拟管道，在模拟管道内开展了机器人运动能力试验、收缩状态下管道机器人拉出试验和机器人状态微调后拉出试验。

试验过程中，机器人平稳可靠地通过多种直径的直管、弯管、锥管，验证了适应多种复杂管道的机器人自主运动技术；机器人断电后可轻松地从复杂管道内拉出，验证了机器人被动柔顺机构的安全性。

 

 

机器人运动能力试验

 

在轨开展试验过程中，地面人员通过地面支持岗软件同步观测机器人的位置、电流、接触力等状态数据，实时监控机器人运动状态，协助航天员完成在轨操作。同时，地面人员通过分析获取的相关数据，评估试验结果，为后续试验提供依据。

本次管道检测机器人在轨试验，是我国空间站开展的首个舱内特种作业机器人在轨试验，验证了适应多种复杂管道的大变径比管道机器人设计和多级协调全身运动控制等关键技术，证明了机器人在空间站管道复杂环境下的自主适应运动能力和安全性，为未来在空间站管道的实际应用积累了宝贵经验。

 

 

航天员开展管道检测机器人在轨试验

 

 

 

空间站管道结构复杂，管径跨度大、突变、不连续，机器人适应空间站管道完成自主运动是一大挑战；

机器人在管道内运动，既要确保机器人与管壁接触力对管径变化的适应性，还要确保意外情况下不能卡滞在管道中，因此管道机器人在管道中的运动安全性也是一大挑战。

 

 

空间站管道检测机器人

 

 

 

值得一提的是，管道机器人借鉴了棘皮动物（如海星、海胆、海参等）的管足器官“静止时收缩于体内，运动时向外延伸”的运动机理，提出了“自主伸张、受力收缩、无电变柔”的仿生变刚度设计思路，设计了主被动结合的腿部剪叉伸缩机构。

 

棘皮动物及其管足

 

管道机器人的被动机构使机器人腿部可根据管径快速调整长度，以适应管径变化；主动机构实时控制机器人脚部与管壁的压力，保证机器人脚部与管壁可靠接触，使机器人具有足够前进动力。

既能适应复杂的空间站管道，又可以保证空间站管道的安全，解决了空间站管道复杂环境自主适应和运动安全性的两大难题。

 

腿部伸缩机构

 

机器人采用两头两尾前后对称的模块化结构，具有23个自由度，配备位置、力等多种类型传感器。机器人的“智慧大脑”利用全身传感器信息计算管道机器人的姿态、位置，并给出运动策略，在保障管道安全的前提下，调整全身各关节位置、速度、力的输出，使机器人平稳地在空间站管道内运动。

 

素材来源/中国空间技术研究院总体部 北京理工大学管道机器人团队