俄罗斯航天机器人系统的发展
展望未来，载人航天的重要战略目标是进一步确保人类对低轨道区域的利用效率，扩大直接参与空间活动的范围，并为进入低轨道以外区域奠定基础。于是，航天机器人系统便成为载人航天试验的选择之一，尤其是当航天员身处外太空条件时，航天机器人系统可为其提供一定的安全保障和技术支持。俄罗斯航天国家集团（Roscosmos）花费了十多年致力于发展航天机器人系统技术。第一代机器人系统名为“费多尔”（FEDOR），第二代机器人系统名为“试验者”（Testor），最新的一代机器人系统则名为“人形机器人 - NA”（Teledroid - NA）。其中，“费多尔”机器人系统已成功于2019年发射升空，证明了技术的可行性。“试验者”机器人系统则专为“鹰”（Oryol）飞船设计，已于2024年12月交付。“人形机器人 - NA”系统则计划用于外太空环境，主要为俄罗斯空间站服务。“费多尔”机器人系统是俄罗斯航天国家集团提出的第一代人形机器人，其任务是在高风险地点（外太空）替代人类航天员完成任务。它身高为182cm，质量为106kg，由头部模块、身体模块、机械手模块（2个）、抓手模块（2个）、支撑模块（2个）组成。该机器人系统的所有零件均为国外进口，例如从瑞士进口的驱动电机和从德国进口的齿轮箱。其发动机共有48个，其中32个是俄罗斯生产的。“费多尔”可以完成很多拟人行为，包括行走、爬楼梯、克服障碍、使用小型工具和开关舱门等（见图1）。它配备了语音系统，可以识别单词并给出答案，同时还完成了体能训练，并且能够使用双手进行射击。图1 “费多尔”手持俄罗斯国旗，从联盟 MS - 14飞船向地球表示祝贺研制背景“费多尔”机器人系统无疑是科技发展的产物。当然，最直接的原因则是俄罗斯航天国家集团需要测试新一代载人火箭联盟 - 2.1a（Soyuz - 2.1a），而在此之前，该款火箭只用于发射货运飞船，载人能力还有待进一步验证。于是，俄方决定使用航天机器人系统“费多尔”，搭乘联盟 - 2.1a 火箭，以无人驾驶的模式发射联盟MS - 14号飞船。
“费多尔”机器人系统的相关研发工作始于2014年，研发费用共计3亿卢布。该项目先是由非商业性的安卓技术公司（Android Technology）负责，后与俄罗斯航天国家集团共同研发。安卓技术公司位于马格尼托哥尔斯克市，其研发产品还包括自主跟踪机器人平台“马克”（Marker）、“埃克斯特”（Exokist，用于中风患者和脑瘫儿童康复的手动外骨骼）。后续的第二代、第三代航天机器人系统均获得了安卓技术公司的大力支持。实验详情“费多尔”机器人系统的研制过程主要分为以下三个阶段。在第一阶段，测试了机器人搭乘联盟号火箭时的空间大小，实现了与航天员的等比例尺寸需求。在第二阶段，测试了“费多尔”成功穿过舱口、返回舱口的能力。此时“费多尔”机器人的躯干模块、脚踏板和操纵器均被带子固定在驾驶员座椅上。在第三阶段，能源火箭航天公司（Energia）对“费多尔”进行了抗振动测试，整个载荷范围达到了4 ～ 5gn。
另外，还对“费多尔”与飞船和“国际空间站”（ISS）设备的电磁兼容性进行了测试。2019年8月22日，“费多尔”机器人系统搭载联盟MS - 14飞船，由联盟 - 2.1a 火箭发射入 轨。这是联盟 - 2.1a 火箭的首次载人发射，采用了无人驾驶的飞行模式。当联盟MS- 14与“国际空间站”对接后，“费多尔”顺利进入俄罗斯舱段。最初实验时间定为3天，8月29 — 31日，航天员与“费多尔”每天合作约2 ～ 3h。9月4日，“费多尔”返回联盟MS- 14飞船，成功搭载飞船返回地面，此次航天机器人实验取得圆满成功。“费多尔”机器人系统飞往“国际空间站”是俄罗斯在深空探索中使用机器人的第一步。它的成功返航验证了俄罗斯航天机器人系统的技术可行性，为其日后的航天机器人系统发展奠定了深厚的理论和实践基础。研制背景由于在“国际空间站”上测试月球、小行星和火星探索关键技术的实验还不完善，因此，需要加快航天机器人系统的技术发展，在实验中为人类航天员提供更加具体的帮助。“试验者”机器人系统是在“为机器人综合体创建组合控制系统的技术开发”项目框架内进行的，专为俄罗斯“鹰”飞船提供配套的保障技术（见图2）。该项目由安卓技术公司和俄罗斯政府高级研究基金会联合执行。基于“费多尔”机器人系统收集的数据，“试验者”重点用于测试在微重力、辐射和电磁效应条件下的“国际空间站”加压舱内的运行情况；确定失重环境对航天员控制机器人系统操作活动的影响，从而进一步提高航天机器人系统与人类航天员之间的协作能力。实验详情“试验者”机器人系统的科学技术任务主要包括以下几个内容：研究人形机器人系统与飞船集成、并在“国际空间站”执行任务的技术可行性；改进在失重条件下控制拟人机器人系统的算法，并从人形机器人系统的内置传感器获取有关航天员载荷的信息；测试遥控拟人机器人在飞往“国际空间站”和返回地球的各个阶段对外部影响因素的抵抗能力；研究空间飞行因素对人形机器人的控制影响，检查、改进和验证人形机器人的数学模型，确定人形机器人及其执行器控制系统的参数。“试验者”机器人系统的实验场景分为三种。第一种为发射轨道和飞船舱内，“试验者”向空管专家通报了飞行周期表的性能和过载情况。第二种为“国际空间站”内，“试验者”在俄罗斯机组人员的控制下，使用特殊的任务分配装置（如：控制外骨骼）完成了指定任务。第三种为着陆过程，“试验者”对舱内过载情况进行了详细的记录。
目前，“试验者”机器人系统已经全面升级了语言控制能力，提高了与航天员的交流效率。与“费多尔”机器人系统类似，“试验者”将保留复制模式下的控制能力，可以重复航天员的动作。此外，“试验者”还可以在监督模式下进行自由活动，航天员仅需要使用预定程序纠正它的行为即可。“试验者”机器人系统是俄罗斯航天朝着深空探索技术发展迈出的重要一步。与第一代机器 人系统“费多尔”相比，“试验者”变化很大。从质量和尺寸来看，“试验者”更小、更轻；从外观上看，它更加漂亮，结构非常流畅，使用了很多 塑料金属元素；就功能而言，“试验者”机器人由简单的操控飞船升级为可以独立执行某些任务。2024年12月，“鹰”飞船已经正式移交给俄航天集团总部，进行下一阶段的通信系统集成测试。“费多尔”机器人系统已经完成了所有的通信和电气测试，实验结果非常理想。研制背景“人形机器人 - NA”系统主要用于测试复制人形机器人在系统上进行操作，以及在联合活动过程中与航天员互动时的远程控制。该系统旨在解决以下技术问题：创造了在空间条件下能够正常运行的遥感遥控机电一体化装置，改进了机器人系统机械手的抓取装置，使其功能接近人手的特性；确保机器人系统能够独立地从存储状态启动并返回存储状态。在人工智能的飞速发展下，俄罗斯航天国家集团对“人形机器人 - NA”系统进行了全面的升级，例如技术视觉、自然语言处理、语音分析和机器学习等。同时，为了确保机器人系统在执行常规典型操作时的自主性和移动性，为“人形机器人 - NA”安装了专门适用于空间环境的导航系统，并对遥控飞行任务进行远程复制控制，还在控制回路中解决了信号延迟问题。
实验详情在对“人形机器人 - NA”系统进行测试时，俄方重点关注机器人系统的人机界面，旨在向人类操作员提供来自遥控系统传感器的有效反馈。他们创造了一个可以和航天员进行交流的控制骨骼，大大提升了机器人系统和航天员的沟通效率。该系统采用了模块化产品设计原则，执行系统的组件、机械手和头部模块均使用通用节点，可以快速定位，并顺利执行旋转动作和摇摆动作。当航天员收到执行系统的指令时，“人形机器人 - NA”的复制型任务分配装置将开始运行，分为以下模式：在交互式复制模式下，航天员借助测深仪，通过视觉辅助装置和测深仪驱动器进行反馈；在自动模式下，航天员通过记录程序代码的方法来完成操作。与第一代和第二代机器人系统不同，“人形机器人 - NA”还添加了一个新的可视化模块（见图3），将收集的有效信息和控制操作信息通过可视化的形式传递给航天员，并同步给地面控制中心，以此实现了“三位一体”的信息网络集成。“人形机器人 - NA”系统的任务分配装置是一个独立的动力框架，由航天员调整其链路长度和活动范围，从而提供多种辅助服务。其手臂齿轮有7个主动移动度，设定点控制手套有3个被动移动度和5个主动移动度，身体齿轮有2个被动移动度。可视化模块有6个被动活动度。通过角度位置传感器，任务分配装置总共有38个活动度。动力框架的被动活动度由机械关节实现，主动活动度则由电子机械关节实现。在进行力反馈控制时，航天员借助电动机械关节的电动执行器获得辅助力。截至2024年12月，操纵器连接枢轴组件的功能技术模型即模拟人手前臂已经制造完成，并与“人形机器人 - NA”集成电路和带有可视化模块的复制型任务分配装置完成了整体测试（见图4）。图4 “人形机器人 - NA”可视化模块的任务分配装置在对“人形机器人 - NA”系统进行功能测试时，俄方使用了一个功能技术模型，确认了集成电路关节设计的正确性和验证驱动方案的功能性，并且成功控制了机器人系统的操作范围。同时，该功能技术模型还测试了“人形机器人 - NA”腕式推杆和杠杆机构的寿命可靠性；分析了角度位置传感器读数与连杆机构实际运动的准确性；确保夹持器符合技术任务书的要求。基于此，“人形机器人 - NA”系统的机械手的主要部件、摆动和旋转接头以及驱动装置获得了最大程度的布局优化，最大限度地降低了设备的质量和尺寸。
“人形机器人 - NA”系统内部安装了多种不同类型的传感器，实现了对机械手的全面操控。机械手的执行结构采用人手形状（见图5），抓握装置实现了6个活动度。截至2024年12月，“人形机器人 - NA”系统的所有集成电路节点均符合舱内和舱外的环境要求，已经完成了相关的测试。“人形机器人 - NA”系统专为“国际空间站”的活动条件所设计，是俄罗斯航天国家集团对外太空探索的最新一步。未来，俄罗斯轨道服务站（ROSS）内部将配备多台“人形机器人 - NA”系统，辅助航天员完成舱内和舱外的航天任务。与 “费多尔”和“试验者”相比，“人形机器人 - NA”更加智能，功能更加完善。其机械手更是具有几 乎接近于人类的行动能力，可以快速完成操控目标。给予航天员最大程度的帮助俄罗斯在研制航天机器人时，以人为本，重点关注机器人系统对航天员的辅助功能，不断提升其拟人的能力。例如，第一代机器人系统“费多尔”实现了独立开启和关闭舱门的功能，第二代机器人系统“试验者”实现了与飞船和航天员的信息集成功能，第三代的“人形机器人 - NA”系统实现了在外太空行动的功能，将机器人的行动范围由舱内的封闭空间扩展到了外太空环境，给予航天员更大范围的支持和辅助。同时，俄罗斯还提出了一个机器人的医学功能，即给予航天员心理疏导辅助。随着空间站规模的不断扩大，航天员在太空中停留的时间不断变长，其心理状态需要得到全面的监测和及时的舒缓。此时，机器人对于航天员而言，不仅仅是一个工作助手，更是一个精神伙伴，它可以帮助航天员平稳地度过整个飞行阶段。俄罗斯为其三代机器人系统都配备了丰富的语言系统，可以实现与航天员的无障碍交流，并与地面指挥中心保持紧密的联系。
一旦航天员出现某种心理波动，机器人系统还会对其进行心理疏导，并将收集到的测试数据反馈给航天员，从而协助其与地面中心的交流。努力实现载人航天技术的高可靠性载人航天技术无疑体现着整个国家的科学技术和生产技术活动组织的发展水平和完备程度，只有在最大程度上确保人类航天员的飞行安全，才能真正地实现载人航天技术的重要突破。俄罗斯在研制航天机器人系统时，立足于运载火箭的可靠性论证，由第一代机器人系统“费多尔”代替人类航天员测试联盟 - 2.1a 火箭的载人能力，为其日后的载人航天技术发展积累了宝贵的实验数据。到了第二代航天机器人系统“试验者”阶段，俄罗斯重点关注了机器人系统与航天器和空间站的信息集成能力，全方位地测试外太空条件参数，提高了发射任务的安全性。为了进一步深入细化航天机器人的功能性，第三代的“人形机器人 - NA”系统可直接参与执行载人航天的空间任务，当处于自动模式时可以帮助航天员完成一些危险的舱外活动，例如太空行走和空间设备检测、维修等。一些日常飞行操作也可以分配给机器人系统完成，从而降低航天员的工作压力。人类的航天探索正向宇宙的更深处前进，航天机器人系统将成为其比肩同行者，替代人类完成很多危险且繁重的工作。这对于航天任务的可持续性发展而言非常重要。以“费多尔”和“试验者”的实际操作成果为基础，俄罗斯航天国家集团正在逐步发展并完善航天机器人系统，未来有望将“人形机器人 - NA”系统部署在“国际空间站”，完成对外太空人工智能技术的最新成果化应用。
