Astrobee，NASA新一代零重力機器人系統

最新 07-06

「宇航蜂」機器人（Astrobee Robot）是NASA研發的新一代零重力漂浮機器人，用來在零重力環境下工作，收集零重力環境機器人的控制、運行信息，幫助宇航員處理部分日常的觀測和維護工作，並作為地面站控制人員的「耳目」監測飛行器工作狀態。

Astrobee機器人原型機

Astrobee機器人尺寸為1英尺×1英尺×1英尺見方（1英尺約合30.48cm），外形方方正正，加上粉綠和奶油黃的討喜配色，萌萌的外觀設計深得iOS操作系統圖標設計的精髓。

Astrobee機器人三維設計圖

Astrobee機器人主要由三個模塊構成：位於兩側的藍綠色模塊為機器人的推進模塊，以及位於中間的黃色模塊為機器人的核心模塊。

Astrobee的推進模塊。中間圓形部分為葉輪，兩側方形的口為其中一對推進噴嘴

其兩側的推進模塊主要包括中心的葉輪以及在五個面上對稱布置的6個噴嘴組成：葉輪吸入空氣，在推進系統內部經過壓縮後通過四周的噴嘴噴射出氣流產生推力；通過改變不同噴嘴的流量和壓力，可以實現Astrobee機器人在零重力環境下6個自由度全方位姿態與推進控制。推進模塊工作時，葉輪發出持續的「嗡嗡」聲，就像勤勞的蜜蜂一樣，這也是Astrobee機器人「宇航蜂」名字的由來。

Astrobee的核心模塊（正面）

Astrobee的核心模塊位於機器人的中部，其正面中心是一塊觸摸顯示屏，顯示屏可以顯示機器人的工作狀態，或者直接通過觸摸屏對機器人進行設置。在顯示屏的上方，設置有2個攝像頭：其中一個攝像頭為通用導航攝像頭（視場角達116°），其捕捉到的畫面用於Astrobee的機器視覺系統進行分析，通過判斷空間站內牆的位置或預設的標誌物為機器人的運動提供導航信息；另一個攝像頭可用來進行拍照或者高清攝像，當然也可以來一個自拍（不知道有沒有美顏）。除兩個攝像頭外，Astrobee還設置有CamBoard Pico Flexx time-of-flight flash IR 3D感測器，可以探測到4米範圍內障礙物，以及一個optical-flow感測器用於測量自身的運動速度。

Astrobee的核心模塊（背面）

Astrobee的核心模塊的背面主要包括一個充電介面和一個機械臂。其充電介面位於背面的正中間，通過兩個錐形的孔與空間站上設置的圓錐凸起進行定位，定位完成後通過無線充電模塊對機器人進行充電。其機械臂位於機器人的「頂部」，平時處於摺疊狀態；使用時伸展開來，具有5個自由度，不僅能夠實現抓取動作，還能給對儀器設備進行簡單的操作，或者通過抓住空間站上的扶手而將Astrobee自身固定在空間站內壁的任意位置，以便在進行長時間定點觀測時關閉推進系統節省電量。

Astrobee抓取扶手實現對自身的固定

測試平台上的Astrobee原型機

地面測試時，Astrobee被放置在一個氣浮平台上進行平面運動，測試其視覺識別系統和運動控制能力。氣浮平台使用兩個常規乒乓球發球機驅動氣瓶作為氣源，通過精確控制氣體在平台支腳和地面平面的噴射量，能夠在支腳平面和地面之間產生一個地面效應氣膜，抵消Astrobee機器人及其氣浮平台自身的重力，模擬零重力環境下的懸浮狀態。這個簡單精巧的氣浮平台系統也曾被用於SPHERES等其他零重力機器人的運動研究。

Astrobee機器人主要有3方面的功能：

進行科學試驗；

幫助宇航員分擔部分空間站的日常事務；

為地面控制中心的工作人員提供對空間站上儀器設備的觀測、操作能力。

Astrobee在空間站內運行的概念圖

Astrobee機器人可以通過裝載不同的載荷來實現在空間站內自由運動和視頻記錄以外的其他功能。對於希望在零重力環境下進行科學試驗的研究人員而言，藉助Astrobee在國際空間站開展試驗可以較少藉助或完全無需宇航員的監控與幫助，極大地降低研究成本和風險，提高國際空間站零重力環境的利用率。

ALMA毫米級/亞毫米級地面射電望遠鏡陣列。試想將這種望遠鏡整列搬入軌道空間，將大大提高人類的觀測能力

舉例來說，Astrobee機器人能夠幫助研究人員研究磁力推進技術。磁力推進技術是一項目前學界正在研究具有廣闊前景的技術，一組應用了磁力推進技術的集群空間望遠鏡衛星可以在編隊飛行是中時刻保持精確的相對位置關係，從而形成一個空間望遠鏡陣列，極大地提高人類對於宇宙空間探測的能力。

在Astrobee機器人裝備上相應磁力推進試驗載荷後，研究人員就能夠通過數台Astrobee機器人在空間站廉價地開展試驗研究。與發射數顆試驗衛星來進行研究相比，使用Astrobee機器人不僅成本更低、實現更為容易，研究人員還可以在試驗過程中隨時對磁力推進載荷進行改進。

Astrobee在空間站內工作的概念圖

對於在空間站中工作、生活的宇航員來說，Astrobee機器人可以成為一個重要的幫手。Astrobee機器人能夠持續不斷地在國際空間站中巡邏，通過其攜帶的RFID掃描器，對空間站內成百上千的儀器設備和物資工具等進行追蹤、定位和庫存管理；以往這些工作需要宇航員抽出大量時間來人工完成。此外，Astrobee機器人還可以持續監控國際空間站的空氣質量、噪音大小等環境條件，監測設備運行狀態，確保宇航員的身體健康。有了Astrobee機器人來分擔這些空間站的常規任務，能夠使宇航員從瑣事中解放出來，將寶貴的時間更多地用於進行有益的科學研究。

Astrobee在空間站內漫遊

Astrobee機器人對於在地面控制中心的任務控制人員也非常有用。Astrobee機器人可以工作在遠程操控模式，在Astrobee的幫助下，地面控制中心的工作人員能夠在地球上操縱Astrobee實現在空間站中任意位置的漫遊，通過Astrobee的攝像頭和麥克風看見、聽見空間站內發生的一切事情；或是遙控Astrobee機器人對部分儀器設備進行操作，對正在進行的科學試驗進行觀測和記錄，甚至作為控制中心工作人員的「太空代理人」完成空間站的日常維護工作。

視頻：Astrobee機器人簡介 1

視頻：Astrobee機器人簡介 2

嚴格來說，Astrobee不能算是一款從零開始設計研究的零重力機器人，Astrobee的一些設計和功能充分借鑒了其前輩——已在空間站成功開展試驗的SPHERES試驗衛星系統。

宇航員Don Pettit和3台SPHERES零重力機器人在空間站中進行測試。

SPHERES 儘管被稱為「衛星」，然而其原型的軟、硬體設計無法很好地適應宇宙空間環境和工作條件，更適用於在空間站內部的相關試驗與工作。SPHERES採用安卓NEXUS S手機作為核心控制器，並且可以與安卓手機通過WIFI進行通信與控制；SPHERES通過噴射壓縮二氧化碳氣體進行運動和姿態控制，採用不可充電的鹼性電池進行供電。通過外接攝像模組，SPHERES也可以完成拍照和錄像等工作。