Chapter9

SpaceRobots

Thispapersummarizestheobjectives,currentstatusandfuturethrustsoftechnologydevelopmentinplanetaryroboticsattheJetPropulsionLaboratory(JPL),Pasadena,California,USA,undersponsorshipfromtheNASAOfficeofSpaceScience.Themajoroverarchinggoalofthisthrustistoenableexcitinginsituexplorationmissionstoplanets,cometsandasteroidscurrentlyinplanningbyNASAintothetwenty-firstcentury.TextA本文概述了美國加州帕薩迪納噴氣推進實驗室（JPL）行星機器人技術發展的目標、現狀和未來發展方向。該實驗室由美國國家航空航天局空間科學辦公室贊助。這一研究的總體任務是探究由美國國家航空航天局進入21世紀規劃的行星、彗星和小行星。Thisisdoneinsupportofthespacesciencequeststounderstandtheoriginofit,itsexistencebeyondearth,theevolutionofearth-likeplanets,andthesuitabilityofplanetaryexplorationbyfuturehumanmissions.Tothisend,theJPLRoboticsTechnologyPrograminvents,develops,testsandtransferstoflightnewtypesofspacetelerobotswithnewcapabilitiesinsurfacemobility,subsurface(solidandocean)explorers,andatmosphereexplorationbyfree-flyingaerovehicles.Thesecompleteroboticsystemsinclude:integratedscienceinstruments;samplepreparationandacquisitionsystems;andon-boardmachineintelligenceforsystemhealthmaintenance,obstacleavoidance,on-boardscienceanalysisandautonomousconfirmationofgoalachievement.Byinteractingcloselywithmissionscientists,designersandimplementers,newtypesofrobotsarebeingdevelopedwhichnotonlyrepresentbreakthroughsinroboticstechnology,butalsoenablenewtypesofmissionswhichwouldnotbepossibleotherwise.Roboticsystemsunderdevelopmentinclude:這樣做是為了支持空間科學探索，以了解它的起源，它在地球之外的存在，類地行星的進化，以及未來人類是否適合探索行星。為此，噴氣推進實驗室研發有關機器人技術的計劃任務包括發明、開發、測試、傳輸和新型空間遙感操作任務。這些機器人具有地面機動能力、水下（固體和海洋）探測能力，以及由自由飛行的航空飛行器進行的大氣探測能力。這些機器人系統包括：集成科學儀器；樣品準備和采集系統；用于系統健康維護、避障、機載科學分析和目標實現的自主確認的機載機器智能。它們與任務科學家、設計師和實現者密切互動，不僅代表了機器人技術上的突破，而且有利于新型任務。正在開發的機器人系統包括：Long-rangesciencerovers(20-50kgmass)whichenable50-100kmtraverseinonetotwoyearsinsupportofMarsroversampleselectionandsamplereturnmissionsonatimelineconsistentwithMarsExplorationmissionplans(e.g.2003mission).Enablingtechnologiesinclude:long-distance,non-line-of-sightnavigation;survivabilityofsystemsoperatinginseverediurnalcyclesandharshterrain;efficientlystowedvehicles(forexample,collapsiblewheels)whichcanexpandinvolumeonarrivalattheirdestination;autonomousconfirmationofgoalsandconcatenationofcommands;communicationviaorbiter;catalogueandcachesamplesforlatercollectionandreturn;anddeploymentandinsituanalysisofdatafrommultipleinstruments.遠程科學漫游車（20～50kg），能夠在一到兩年內進行50～100km的橫越，支持火星探測器的樣品選擇和樣品返回任務，其時間表符合火星探測任務計劃（如2003年任務）。技術包括：遠程、非視距導航；在惡劣的日間周期和惡劣地形下運行的系統的生存能力；有效裝載的車輛（例如，可折疊的車輪），在到達目的地時可以擴大體積；目標的自主確認和命令的連接；通信通過軌道器進行探測；編目和緩存樣本，以便以后收集和返回；來自多個儀器的部署和現場分析的數據。Lightweight(basedoncomposites),fastmovingroverswhichcanquicklyacquireacacheofmaterialforreturntotheascentvehicle,securecontainerizationandprovideforplanetaryquarantine(forexample,Mars2005samplereturnmission).輕型（基于復合材料）、快速移動的漫游車，可以快速獲取材料緩存以返回上升車輛、安全集裝箱化并提供檢疫（例如，2005年火星樣品返回任務）。Lightweight,long-reach,stowable,planetaryroboticarms;microarmswhichareabletochipandcorerockstogetbeneathweatheringrind;samplingend-effectorstoacquireandhandlescientificsamples(10-20gm)fromlandersandrovers(forexampleMars2003mission);aswellasforroboticanchoringanddrillingdevicesformissionstoprimitivebodies(ice,rocks,regolith).輕質、長距離、可偷取的行星機器人手臂；能夠切碎巖石并鉆到風化皮下的微臂；取樣末端執行器以獲取和處理來自著陸器和漫游者（例如，2003年火星任務）的科學樣本（10～20g）；以及機器人錨定和鉆探裝置，用于對任務進行整理；冰體（冰、巖石、礫石）。Nanorovers(10-200gm),whichfitwithintheresidualcontingencyofmissionmassandcanactasspecial-purposemachinesforinsitu,localizedsurfaceexploration.Firstmissionapplicationmaybeforsmallbodies(100mrange).納米探測器（10～200g），其適合于任務質量的剩余應急性，并且可以作為原位、局部地表勘探的專用機器。第一次任務應用可以是小物體（100m范圍）。Miniaturesub-surfaceexplorers,withintegratedsensors,whichcanmovetoadepthof0.5-1.0mintheMarssub-surface,orthroughprimitivebodies,andanalysesoilcomposition;longer-termdevelopmentofsub-surfaceexplorationtechniquestodepthsoftensandhundredsofmetresforbothlander-basedandrovingsystems;vehiclesforpenetratingicelayers(100m-10,000m,forexample,inEuropa)andmovingthroughpotentialundergroundbodiesofwater.具有集成傳感器的微型次表面勘探器，可在火星次表面或通過原始體移動到0.5～1.0m的深度，并分析土壤組成；對著陸器和巡航系統而言，次表面勘探技術發展到幾十米、幾百米的深度；用于穿透冰層的車輛（例如，在歐羅巴，100～10000m）并可潛在水下移動。Aerobotswhich:enablesub-orbitalmappingofterrainregions;cantransportanddeploymicroroversatdifferent,geographicallyseparatelandsites;andwhichareunderdevelopmentforpotentialMars,VenusandTitandeep-atmospheremissions.能夠進行地形區域亞軌道測繪的航空機器人；能夠在不同地理上分開的陸地地點運輸和部署微型探測器；正在為潛在的火星、金星和巨深層大氣任務開發這些微型探測器。AnimportantconcurrentobjectiveandresponsibilityoftheJPLtechnologydevelopmentprogrammeistostimulateandfostertheinfusionandspinoffofthespaceroboticstechnologytoterrestrialapplications.Thispaperprovidestwoillustrativeexamplesoftechnologicalspinoffsintheareasofredundantarmcontrolsystemsfordexterousmanipulationandhigh-precisionmanipulatorsforrobotic-assistedmicrosurgery.Theseexamplesillustratehowimportantcapabilitiesinterrestrialroboticsarebeingenabledbydrawingfromthetechnologybaseinspaceroboticswhichconstitutesthemaintopicofthispaper.JPL技術開發計劃的一個重要的并行目標是激勵和促進空間機器人技術的地面應用。本文提供了兩個用于冗余臂控制系統和顯微外科的高精度機械手的技術衍生實例。這些例子說明了從構成本文的主題，即從空間機器人技術基礎出發，如何使地面機器人的能力成為可能。1.ScientistsandroboticiststogethersetroboticsystemrequirementsThetechnicalapproachbeingusedbytheprogramisintendedtoopenthegatestospacefortele-roboticstechnologiesinplanetarymissions.Acriticalingredientofthetechnologydevelopmentprocessisaveryclose,interactivedialoguebetweenmissionscientistsanddesignerswhoestablishtheroboticsystemfunctionsrequired,androboticistswhodeterminethetechnologiesnecessarytoenablethedesiredfunctionalities.1.科學家和機器人專家制定機器人系統要求該計劃采用的技術旨在為行星任務中的遠程機器人打開通往太空的大門。建立所需的機器人系統功能的任務科學家和設計師與機器人專家之間進行的非常密切的對話，是技術開發過程的一個關鍵組成部分。Thisinteractionisatwo-waycommunicationprocesswhichbeginsfromtheveryoutsetofanyparticulartechnologydevelopmenttaskandcontinuesforthedurationofthetask,andultimatelyculminates,iftheprocessissuccessful,ininfusionofthetechnologyintoanoperationalflightsystem.Thisapproachhasbeenverysuccessfulininfusingteleroboticstechnologiesintoflightsystems.ApprovaloftheSojournerroverfortheMarsPathfindermissionlaunchedinDecember1996,andtoarriveatMarsinJuly1997,isanearlyindicationofthesuccessofthisapproach.Aroboticarmpayloadforlander-basedscienceacquisitionandhandlinghasbeenapprovedforflightintheMarsVolatileandClimateSurveyormissiontobelaunchedin1998.這種交互是雙向通信過程，它從特定技術開發任務開始，并在任務時間內持續，如果過程成功，就把這項技術注入到一個可操作的飛行系統中。這種將遙控技術注入飛行系統中的方法非常成功。1996年12月發射的探路者號探測器用于火星探路任務，并于1997年7月抵達火星，這次航行預示著此方法的可行性。著陸器科學采集技術和機械臂有效載荷已經被批準用于1998年發射的火星波動和氣候測量任務中。Oncearoboticsystemparadigmisinvented,asystematictechnologydevelopmentandevaluationprocessisputinplace,inwhichthecompletesystemperformanceisdisplayedtousersinaseriesofuser-relevanttechnologydemonstrations.Suchtelerobotsystemtechnologydemonstrationsarescheduledyearly.Eachofthesystemdemonstrationsshowcasesseveralcomponenttechnologies,whichenablenewcapabilitiesinsuchspecificareasaslong-rangenavigation,planetarysurfacemobility,sampleacquisitionandhandling,andmachineperception.Thisapproachensuresacontinualfeedbackprocessbetweenuserrequirementsandtheunderlyingtechnologiesthatenabletheserequirements.Theprogrammefocusonroboticsystemparadigmshasprovenitsvalueasagoodwaytostructurethetechnologyprogramme.Rapidprototypingofintegratedsystemsiscriticaltosuccess.Earlyengagementofscientistsandmissiondevelopersinroboticparadigmdesigniscrucial.Vigilanceisexercisedtoensureretentionofcuttingedgetechnologicalkernelswithinuser-driventele-roboticsystemparadigms.一旦機器人系統范式被發明出來，系統的技術開發和評估過程就開始了，在這個過程中，完整的系統性能通過一系列與用戶相關的技術示范展示給用戶。這種遠程機器人系統技術演示每年都安排一次。每個系統演示都展示了若干組件技術，這些組件技術在諸如遠程導航、行星表面移動性、樣本采集和處理以及機器感知等特定領域實現了新功能。這種方法確保了用戶需求與支持這些需求的底層技術之間的持續反饋過程。以機器人系統范例為重點的程序已經證明了構造技術程序的良好方法的價值。集成系統的快速控制原型設計是成功的關鍵，科學家和任務開發人員早期參與機器人范例設計也是至關重要的，其確保了用戶驅動系統范例中保留尖端技術內核。2.PlanetarysurfacemobilityandsamplingPerceivedneedsandstatusAkeysetofroverandlanderrequirementsemergesfromNASA’sthrustinMarsexploration.ThebaselinemissionisMarsPathfinder,launchedinlate1996withasmallrovernamedSojourner.LongrangeandlightweightroversunderdevelopmentbytheNASATeleroboticsProgramarebeingevaluatedfortheMars2001missionandbeyond,withthesearchforwaterandsignsoflifebeingamongtheprimaryobjectives.Rovingcapabilityisessentialforthe2001missiontodemonstratetheabilitytonavigatelongdistancesandacquireinterestingsamples.IntheemerginghorizonaremissionsthatwillreturnsamplesofMartianrocksandsoiltoEarthtowardstheendofthefirstdecadeofthenextcentury,leadingultimatelytoahumanmissiontotheRedPlanet.2.行星表面移動性和取樣感知狀態美國國家航空航天局在火星探測中遇到了一系列漫游者和著陸器需求問題。基線任務是火星探路者，于1996年底與旅居者號的小型探測器一起發射。美國國家航空航天局遠程機器人計劃正在研制的遠程和輕型漫游車正在為2001年及以后的火星任務進行評估，其主要目標之一是尋找水和生命跡象。對2001年的任務來說，巡航能力至關重要，它能長距離航行和獲取有趣的樣本。即將出現的任務是在下個世紀頭10年末將火星巖石和土壤樣本送回地球，這個新任務將會標志著人類對紅色星球的探索成功完成。3.Someoftheactivitiesofthecurrenttechnologyprogrammetoaddresstheseneeds:microroversandroverfieldtestingRocky7fieldexperimentsAprototypeofNASA’snextgenerationofMartianrovers,designatedRocky7(seeFigure9-2),hasnavigatedsuccessfullyoveracornerofLavicLake,anancientlakebedabout175mileseastofLosAngeles,takingpanoramicphotographsandclose-upsofthecrateredterrain.3.為滿足這些需求，我們提出了微型探測器和探測器現場測試美國國家航空航天局新一代火星漫游車的原型洛基7號（見圖9-2）已經成功地在洛杉磯以東約175英里的拉維奇湖的一角航行，拍攝了全景照片和火山口的地形特寫。Thethree-dayexperiment,conductedon17-19December1996byateamofengineersatNASA’sJetPropulsionLaboratoryledbyDrSamadHayati,wasdesignedtodemonstratetherover’sabilitytodriveamuchgreaterdistancethancurrentmicroroversoverruggedterrainwithkeyfeaturessimilartothoseofMars.由SamadHayati博士領導的美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的工程師小組于1996年12月17—19日進行了為期三天的實驗，實驗的目的是證明漫游車的駕駛能力，它比目前的微型漫游者在崎嶇地形上行駛的距離要遠得多，其主要特征與火星相似。Thetestsalsodemonstratednewmechanicalinnovationsfortwenty-firstcenturyrovers,suchasaroboticarmwhichwouldbeusedtodigintosoil;andanagilemastwhichcouldbeusedtoimagethesurroundingterrainandpositionminiaturescienceinstrumentsintrickylocations.Theroverwasverysuccessfulinmakingalongjourneyonitsown,drivingmorethan200metres(655feet)toitstargetandrelyingononlyspecifiedlocationpointsalongthewayandinformationaboutthelocationofthetarget.TheRocky7experimentteamworkingwithHayatiincludedscientistsandengineersfromNASA’sAmesResearchCenterinMountainView,California;WashingtonUniversityinStLouis,Missouri;CornellUniversity,Ithaca,NewYork;andscientificinstitutionsabroad.這些試驗還展示了21世紀漫游車的新機械創新，如用于挖掘土壤的機器人臂，以及用于對周圍地形進行成像并將微型科學儀器定位在復雜位置的敏捷桅桿。這輛漫游車很成功地獨自進行了長途旅行，行駛了200多米（655英尺）到達目標，并且只依賴于沿途指定的位置點和關于目標位置的信息。與Hayati合作的Rocky7實驗小組包括來自加州山景城NASA的Ames研究中心的科學家和工程師；位于密蘇里州圣路易斯的華盛頓大學；位于紐約州伊薩卡的康奈爾大學；以及國外的科研機構。4.NanorovertechnologyInournanorovertechnologydevelopmenteffort,thecurrentgoalistodemonstrateananoroverwithamobilitymechanismoftheorderof100gperformingarealisticmission.Thismissionwillincludeatraverseofatleast3mandcaptureofmicroscopicandinfraredspectra.Recently,alternativenanoroverconceptswerecreatedwhichweretetheredtooff-boardbreadboardelectronicsandevaluated.Ananoroversystemwasselectedwhichincludesafour-wheel,rocker-bogiechassis;self-rightingmechanism;microscopic/panoramic,multi-bandAPScamera;andnearIRspectrometer.4.納米漫游車技術在我們的納米漫游者技術開發工作中，當前的目標是演示一個具有100g級移動機制的納米漫游車，以執行一個現實的任務。這次任務將包括至少3m的顯微和紅外光譜。最近，替代性的納諾羅孚概念被創造出來，這些概念被綁定到離板電子學加以評估。同時，制造者選擇了包括四輪搖桿轉向架底盤、自扶正機構、顯微/全景多波段APS攝像機和近紅外光譜儀的nanorover系統。Amechanismandprintedwiringboardwerefabricatedwhichresultedinacompletenanoroverwithmassoftheorderof100g.Opportunitiesfordeploymentofsuchananoroverinasteroidsurfaceexplorationmissionsplannedearlyinthenextcenturyarecurrentlyunderinvestigation.同時配置了一個裝制和印制電路板，形成了一個質量約為100g的完整的納米月球車。目前，正在研究在下世紀初計劃的小行星表面探測任務中部署這種納米月球車。5.RobotsurvivalinharshenvironmentsOneofthekeychallengesofMarsexplorationistosurvivetheharshenvironmentontheemperaturevariationcanrangefrombelow–100℃toabove20℃.Missiondurationrequirementsofoneyearormoreareacloselyrelatedchallenge.Theextremetemperaturecyclingcancausefailureofcriticalrobotcomponentsandsystemsbecauseofsuchdamageaccumulationfailuremechanismsasfatiguecrackinginmotorsandothercomponents,cyclicgrowthofflaws,anddecohesionordelaminationofbondedsurfaces.Otherdamageaccumulationfailuremechanismswhichmayadverselyimpactrobotservicelifeincludesensordegradation,mechanicalwear,structuralfatiguebecauseofprolongedoperation,lubricantleakageormigration,andchemicaldegradation.Suchdamageaccumulationfailuremechanismsmustbeidentifiedtopreventfailuresofcriticalcomponentsandsystemsduringthemissionservicelifetime.Inadditiontothesetypesofhardwarefailures,thereareconcurrentpossiblefailuremechanismsintheon-boardsoftwareembeddedintheroboticsystemstoprovidethemwithvariouslevelsofautonomyinperformingtheirmissionontheplanetsurface.Thisrequirementforsurvivabilitydrivestheneedforrelativelylow-mass,low-powerdevicesandsystemscapableofoperatingunderextremeconditions.Currenttechnologiesreceivingemphasisare:5.機器人在惡劣環境中的生存火星探測的關鍵挑戰之一是在嚴酷的環境中生存下來，溫度的變化范圍可以為–100℃～20℃。一年或一年以上的任務期限是一個嚴峻的挑戰。因為極端溫度循環可能會導致機器故障。關鍵部件和系統的損傷包括：電機和其他部件的疲勞裂紋、缺陷的循環增長以及粘結表面的脫粘或分層。還有對機器人使用壽命產生不利影響的損傷，包括傳感器退化、機械磨損、長時間操作導致的結構疲勞、潤滑劑泄漏或遷移以及化學退化。所以我們必須識別這種損傷累積失效狀況，以防止關鍵部件和系統在任務期間發生故障。除了這些類型的硬件故障之外，嵌入在機器人系統中的機載軟件中還可能存在并發的故障機制，它們在行星表面上執行任務時同樣存在問題。這種對生存性的要求促使了對能夠在極端條件下工作的相對低質量、低功率設備和系統的需求。當前受到重視的技術有：(1)low-temperaturebatteriesforachievingincreasedsurvivabilitytomeetavarietyofmissionrequirements;(2)thermalcontrolofelectronicsenclosureswithphasechangematerialsandheatswitches;(3)probabilisticphysicsoffailuremethodologytoachievesystem-levelroboticvehiclesurvivabilityusingacombinationofvarioustechnologicaloptions.（1）用于提高生存能力的低溫電池，以滿足各種任務要求；（2）具有相變材料和熱開關的電子外殼的熱控制；（3）運用物理學的概率方法，結合多種技術方案實現系統級機器人車輛生存能力。6.IllustrativeterrestrialspinoffsRobotic-assistedmicrosurgeryHigh-precisionroboticmanipulatorsformicrosurgicaloperationsareanimportanttechnologicalspinoffoftheJPLroboticsprogrammedescribedinthispaperInparticular,adevelopmenteffortidentifiedbythedescriptivenameofrobot-assistedmicrosurgery(RAMS)isdevelopingatele-roboticplatformwhichwillenablenewproceduresofthebrain,eye,ear,nose,throat,faceandhand.RAMSisbeingdesignedinco-operationwithleadingmicro-surgeonsatMicroDexteritySystems(MDS),theClevelandClinicFoundationandNewYorkUniversity’sSchoolofMedicine.TheRAMSworkstationisasixdegreesofflexibility,master-slavetele-manipulatorwithprogrammablecontrols.TheprimaryRAMScontrolmodeistele-manipulation.Theoper-atorcanalsointeractivelydesignateor“share”automatedcontrolofrobottrajectories.RAMSnotonlyrefinesthephysicalscaleofstate-of-artmicrosurgicalprocedures,butalsoenablesmorepositiveoutcomesforaveragesurgeonsduringtypicalprocedures.6.陸型機器人的說明與分析用于外科手術的機器人，例如來輔助顯微外科手術的高精度機械手，是本文所描述的JPL機器人學計劃的一項重要技術成果。特別值得一提的是，由機器人輔助顯微外科（RAMS）這個描述性名稱所確定的一項開發工作正在開發一個遠程機器人平臺，它可以進行大腦、眼睛、耳朵、鼻子、喉嚨、臉和手的新手術。機器人輔助顯微外科系統（RAMS）是與微靈巧系統（MDS）、克利夫蘭診所基金會（ClevelandClinicFoundation）和紐約大學醫學院（NewYorkUniversity’sSchoolofMedicine）的頂尖微型外科醫生合作設計的。RAMS工作站是一個有六自由度的靈活性的主從遙控器，具有可編程控制。RAMS的主要控制模式是遠程操作。該操作器還可以交互式地指定或“共享”機器人的軌跡。RAMS不僅改進了顯微外科手術的物理規模，而且使普通外科醫生在典型的手術過程中獲得更積極的結果。Asimulatedeyemicrosurgeryprocedure–theremovalofaminuteparticlefromaneyemock-up–wassuccessfullyper-formed.Plansfor1997includeaddingforcereflectionfromtheslaverobotendeffectortothemasterarm,performingtestsatanexternalmedicallaboratoryandperformingadualarm,microsurgery,suturingproceduredemonstration.RAMSwillalsoprovidedetaileddesigndocumentationoftheRAMSsystemtoMDSforcommercializationofthistechnology.一個模擬的眼部顯微外科手術（從眼睛模型上移除微小顆粒）成功實施。1997年的計劃包括將從機器人末端執行器反射加到主臂上，在外部醫學實驗室進行測試，以及執行雙報警、顯微外科手術、縫合程序演示。RAMS還將向MDS提供RAMS的詳細設計文檔，以便將該技術商業化。TextBLargespacecraftisofhighvalueforanycountry.However,restrictedfuelsupplieslimittheirlifespans.Sometimestheaccidentalfailureofasmallcomponentcanalsoleadtothemalfunctionofthewholesystemandgreatlyshortenthelifeofthesepreciousspacecrafts.Inaddition,thesoaringoforbitdebrisisposinganincreasingthreatonthesafetyoflargespacestructures.大型航天器對任何國家都有很高的價值。然而，燃料供應的不足減少了它們的壽命。有時小部件的意外故障也會導致整個系統的崩潰，從而大大縮短這些航天器的壽命。此外，軌道碎片的增多也對大型空間結構的安全構成了越來越大的威脅。Therefore,manycountriesandorganizationshavebeenresearchinganddevelopingtheon-orbitservicingtechnologies,includingrepairing,upgrading,refuelingandre-orbitingspacecraft.Thesetechnologiescanpotentiallyextendthelifeofsatellites,enhancethecapabilityofspacesystems,reduceoperationcosts,andcleanupthespacedebris.NASAhasusedtheShuttleRemoteManipulatorSysteminstalledonthespaceshuttletomanuallycapturefree-flyingsatellitesandhandletheminthepayloadbayformanytimes.Perhaps,thebestknownsatelliteservicingmissionsinthehumanspaceflightprogramaretheperiodicmissionstoservicetheHubbleSpaceTelescope.因此，許多國家和組織都在研究和開發在軌維修技術，包括修理、升級、加油和重新軌道航天器。這些技術可以延長衛星的壽命，增強空間系統的能力，降低運行成本，并清理空間碎片。美國國家航空航天局已經多次使用安裝在航天飛機上的遠程操縱系統，來手動捕獲自由飛行的衛星并在有效載荷艙中操縱它們。同時，人類航天計劃中最著名的衛星服務任務就是定期為哈勃太空望遠鏡提供服務。IntheOrbitalExpressmission,NASAfurtherdemonstratedautonomouscaptureofafullyunconstrainedfree-flyingclientsatellite,autonomoustransferofafunctionalbatteryORU(OrbitReplacementUnit)betweenthespacecraft,andautonomoustransferofafunctionalcomputerORUwitharoboticarminstalledontheservicingsatellite.IntheEngineeringTestSatelliteVIImission,NASAalsodemonstratedanumberofautonomoussatelliteservicingandspaceroboticmanipulatortechniqueson-orbit.Despitethesesuccessfulapplications,thetraditionalstructure,consistingofaspaceplatformandmulti-freedomrigidmanipulators,stillhasmanylimitationsinfutureon-orbitservicingmissions,especiallyintheoperationofnon-cooperationtargets,suchasthemalfunctioningsatellitesonthegeostationaryorbit.Thisismainlybecausetherigidstructurehasasmallrangeofoperationandahighriskofcollision,nomatterwhatkindofnewmaterialswillbeemployedinthefuture.Inordertoovercomethesetwoshortcomings,theideatousethetetheredspacerobotwhichreplacesrigidarmswithflexibletethersisproposedinprojects,suchastheRoboticGeostationaryOrbitRestorerplanlaunchedbytheESA.Duetotheflexibleandlightweightcharactersofthetether,thisnewstructure,cannotonlysignificantlyincreasetheoperationalrangeandthereforeavoidtheclose-rangeapproachingmanoeuvreofthespaceplatform,butalsopreventthetransmissionoftheterminalcollisionforcetowardsthespaceplatform,whichgreatlyimprovesthesecurityoftheplatform.Beforeperformingtheintendedon-orbitservicingmission,theoperationrobotshouldarriveatanappointedpositionintheneighborhoodareaofthetargetandmaintainastablerelativeattitude.Therefore,howtocontrolthetetheredrobotsystemtoapproachthetargetandmaintaintheattitudeisoneofthekeytechniquesofthissystem.Consideringtheextremelylightweightandsmallvolumeoftheterminaloperationrobot,thelimitedfuelisverypreciousandconsequently,thecostoffuelisregardedasthemostimportantfactorwhendesigningthecontrollerofpositionandattitude.Inordertominimizethefuelconsumptionintheapproachingprocess,variouscoordinatedcontrollersthatusethedeployingvelocityorthetensionofthetetherandthethrustontheoperationrobotascontrolvariablesareinvestigatedintheliterature.在軌道快車任務中，美國國家航空航天局進一步演示了自主捕獲不受限制的自由飛行衛星，在航天器之間自主轉移功能電池ORU（軌道替換單元），以及利用安裝在維修衛星上的機械臂自主轉移功能計算機ORU等操作。在工程試驗衛星七號任務中，NASA還展示了許多自主衛星和空間機器人在軌操作技術。盡管有這些成功的應用，但是空間平臺和多自由剛性機械臂組成的傳統結構在未來中仍然存在許多局限性。特別是在非合作目標的運行中，如在地球靜止軌道上故障的衛星。這主要是因為無論將來采用何種新材料，剛性結構的工作范圍都很小，碰撞風險都很高。為了克服這兩個缺點，在由歐空局發起的機器人靜止軌道恢復器計劃等項目中，提出了用繩系空間機器人代替剛性機械臂的概念。由于系鏈的柔性和輕量化特點，這種新型結構不僅可以顯著增加操作范圍，從而避免空間平臺的近程接近機動，而且可以防止終端碰撞力向空間平臺的傳遞，大大提高了平臺的安全性。在執行預定的在軌維修任務之前，操作機器人應到達目標附近區域的指定位置并保持相對穩定的姿勢。因此，如何控制繩系機器人系統接近目標并保持姿勢是該系統的關鍵技術之一。由于終端操作機器人的重量極輕，體積很小，有限的燃料非常寶貴，因此在設計位置和姿態控制器時，燃料的成本是最重要的因素。為了使接近過程的燃油消耗最小化，文獻中研究了各種以展開速度、纜索張力和操作機器人推力為控制變量的協調控制器。TheconceptoftetheredspacerobotwasfirstintroducedbyMasahirowhoalsoproposedacastingstrategyandanappropriatetrajectoryadjustingapproachbymovingthetetherattachmentpointinhispaper.Furthermore,heconsideredtheattitudecontroloftheterminaloperationrobotthroughmovinglinkswiththetetherandverifiedthedesignedcontrollerbyexperiments.Nevertheless,inordertosimplifyproblems,helimitedthelengthofthetethertobeveryshortandassumedthetethertobeamasslessrodinhisstudies.Yuyadiscussedthecollaborativecontrolofthepositionoftheoperationrobotintheapproachingphasewiththetensioninthetetherandthethrustactingontherobot,whereastheattitudeoftherobotwasnotincluded.MoriadoptedthesameassumptionasMasahiroandestablishedacoordinatedcontrollerwhichusedtethertensionandthrust,whenconsideringthetetheredsatelliteclustersystems.Hedemonstratedthattheproposedcontrollercoulddecreasethefuelconsumptionandimprovedcontrolprecision.Masahiro首先提出了繩系空間機器人的概念，并同時提出了一種鑄造策略和通過移動繩系連接點來調整軌跡的方法。此外，他還考慮了終端操作機器人通過帶系繩的運動連桿進行姿態控制，并通過實驗驗證了所設計的控制器。然而，為了簡化問題，他在研究中把系繩的長度限制為非常短，并假定系繩是無質量的桿。Yuya討論了操作機器人的位置協同控制問題，該問題中不包括機器人的姿態，而是考慮了纜繩的張力和推力對機器人的作用。Mori也使用了與Masahiro相同的假設，在考慮系留衛星群系統時，建立了一個使用系留張力和推力的協調控制器。實驗結果表明，該控制器能有效降低燃油消耗，提高控制精度。Godardalsousedth