NASA为国际空间站设计的最新机器人，帮宇航员从枯燥任务解脱
在美国宇航局的辉煌历程中，Astrobee无疑是一颗璀璨的明珠。这款新一代自由飞翔的太空机器人，是专门为国际空间站的宇航员提供全方位支持的杰出代表。
回溯到2006年，美国宇航局送上了三个自由飞行的小型机器人——SPHERES（同步位置的保持、连通与再定向试验卫星）。这些机器人在太空进行了长达600个小时的实验，涵盖了自主形态飞行、空间站导航和地图绘制等众多领域。令人惊叹的是，它们甚至运行了中学生在团队比赛中编写的程序。这些机器人所展现的多样技能，充分证明了它们在协助宇航员和提升飞行控制方面的巨大价值。
SPHERES的存在并非只是为了简单的任务执行，它们更是作为科技平台，为更先进、更复杂、更多功能的航天器打下坚实的基础。这对生活在国际空间站上的人类来说，无疑带来了巨大的帮助。它们不仅增强了宇航员的工作效率，更在某种程度上，改变了太空任务执行的方式和流程。
当我们谈及Astrobee时，实际上是在描述一种前沿科技与人类智慧的完美结合。去年秋天，外媒IEEE Spectrum探访了美国宇航局爱姆斯研究中心，深入了解了Astrobee原型的最新进展，并采访了该项目的幕后团队。这款边长为32厘米的立方体机器人，每个角和大部分边上都覆盖着柔性保险杠材料，而在这之下，则隐藏着强大的推进系统。
探索星辰的先锋：Astrobee机器人在国际空间站的奇妙之旅
这款机器人在设计上就是为了在国际空间站上自由飞行，它在地面测试时，被巧妙地安装在一个雪橇的顶部。通过二氧化碳喷气推进器，它在巨大的花岗岩石块上展现出惊人的移动能力，科研人员借此机会测试了它的推进和导航系统。当它被送往太空时，这个灵活的立方体将完全依赖蓝色的保护套，没有其他保护配件的辅助。这就是Astrobee，一款具有革命性的机器人。
从一开始，Astrobee就不仅是SPHERES的继承者，更是一个全新的平台。其最大的改进在于推进系统，SPHERES需要宇航员的持续监督（因为它们较为易燃等原因），并依赖一次性碱性电池组供电和二氧化碳推进罐提供动力。而Astrobee则完全采用电动推进系统，其独特之处在于，通过扩展坞可以自主充电。这种设计不仅确保了机器人在太空中的自主性，而且延长了其使用寿命。
美国宇航局对Astrobee寄予厚望。在国际空间站上，这款机器人既可以接受地面的远程遥控，也可以完全自主操作。它配备的模块化托架能够兼容各种定制硬件，使其能够执行多样化的任务。在某些情况下，Astrobee甚至能从人类宇航员手中接过那些繁琐无聊的“家务”作业，为宇航员们分担压力，让他们更专注于重要的科研任务。这款机器人的出色表现，无疑将为国际空间站的科研活动带来全新的可能性。
Astrobee的中心部分集成了丰富的传感器、控制系统和触控屏幕，为其提供了强大的功能。而其载荷托架的设计，也为未来增加硬件预留了空间。这款机器人的手臂可以抓取国际空间站的扶手，显示出其在太空中的灵活性和实用性。Astrobee的出现，无疑将为太空科技开启新的篇章。美国宇航员Scott Kelly正在与国际空间站上的SPHERES系统紧密合作，共同完成任务。与此另一款智能机器人Astrobee也在国际空间站上发挥着重要作用。由美国宇航局智能机器人集团（Intelligent Robotics Group）主导设计的Astrobee项目，其首席系统工程师Trey Smith强调：“Astrobee是一款IVA（车内活动）自由飞行器，能够在国家空间站内部与人类和谐共存，自由飞行。”
相较于SPHERES系统，Astrobee的设计初衷是为了在国际空间站内部进行自由操作。其运动方式可以依赖周围的大气，通过推动空气进行移动，就像在地球上进行的大部分实验一样。虽然这种方式在微重力环境下带来了许多难以想象的困难和挑战，使得Astrobee的设计相当复杂，但其推进系统的独特性和创新性令人着迷。
探索安全推进系统之Astrobee篇
在宇宙空间的探索中，推进系统的安全性至关重要。Astrobee机器人便是一款拥有卓越安全推进系统的代表。从其侧面观察，可见其中一个推进模块的独特设计。
隐藏在保护屏罩之后的是其核心的叶轮装置——如同巨大的空气吸入风扇。这两个叶轮的协同作用，巧妙减少了陀螺力，并在机器人内部构建了一个空气加压环境。通过各面的喷嘴，这些空气被精准引导输出。当所有喷嘴关闭时，Astrobee如同静止的卫星，毫无移动；当部分或全部喷嘴开启时，产生的推力将驱动机器人向相反方向移动。
设备的每个细节都体现了工程师们的精心考虑。共12个喷嘴被巧妙地离心跳跃式安排。Smith解释道：“即使其中一个喷嘴出现问题，机器人也不会直线加速撞击空间站，而是会保持旋转状态。但若使用配对的推进器，仍能保持整体平衡。”Astrobee拥有独特的喷嘴配对策略，可以在每个笛卡尔轴线的正负方向上实现纯直移或纯旋转，确保在任意方向都能产生所需推力。
美国宇航局深知自主产生推力的意义及其在太空中的实际应用潜力。除了上文所提的离心推进器外，所有移动部件均置于机器人内部，确保宇航员可以随意接触而无需担心受伤。设备的每个角都包裹在柔软的泡沫中，形成圆形缓冲区，大大降低了在操作过程中可能产生的任何冲击。
Smith自豪地说：“Astrobee可以在空间站上自由飞行。”即使在空间站内或与其他物体发生潜在的碰撞，由于其独特的设计和缓冲机制，也能将损害降到最低。这款机器人展现了一种在极端环境中安全、高效移动的科技创新，为我们未来的太空探索开启了新的篇章。在国际空间站的复杂环境中，Astrobee机器人需要应对各种挑战，确保其硬件安全至关重要。想象一下最坏的情况：即使所有软件出现故障，Astrobee也必须保证不会对国际空间站造成损害。就像Smith所指出的那样，Astrobee就像一个经过严格质量控制的蓬松大型保龄球。
常规的国际空间站窗口如同坚固的堡垒，有四层玻璃保护。其中两层是压力面板，分别位于机身的最里侧和最外侧，我们称之为“scratch”和“debris”面板。目前，我们正在验证Astrobee无法穿透那坚固的scratch面板。即便在软件完全失控的极端情况下，让机器人以最快速度冲向空间站的窗户，其最高速度可达每秒2米，远超软件限制的最高速度每秒0.75米，但我们有信心不会造成严重的损坏。
但Astrobee的挑战远不止于此。它的前脸装配了相机、传感器和触控屏幕，同时每个面都配备了推进模块。这不仅为自主操作提供了所有必需的传感器和计算硬件空间，而且还有足够的托架来携带各种有效载荷（两个正面托架和两个背面托架）。每个托架都集成了机械、数据和电源连接，确保任务的顺利进行。
Astrobee的有效载荷托架已经安装了自家的导航传感器，Smith提到这一开放的有效载荷托架是Astrobee的优先发展重点。这一设计灵感来源于SPHERES的经验，最初主要用于测试姿态飞行软件。科学团队发现了附加有效荷载的潜力，这种创新让他们大为振奋。在Astrobee的研发过程中，团队在如何有效设计上倾注了大量心血。
Astrobee的计算机系统内部包含三层处理器：Low Level、Mid Level和High Level。其中，中层和高层处理器的功能相似，但中层处理器运行Linux系统，负责机器人的大部分核心功能，而高层处理器则运行Android系统，专门负责有效荷载的管理。这样的设计不仅使科学有效荷载更加美观和独立，同时也让Astrobee的编程更为便捷。通过广泛的API编译，可以建立Astrobee与Android应用的连接。
Astrobee的传感器套件相当先进，其中包括116度视野的主导航摄像机和能够实时传输国际空间站视频至地面的高清自动对焦摄像机。还有一款CamBoard Pico Fle time-of-flight flash IR 3D传感器，能够在约4米范围内检测障碍物。而安装在Astrobee顶部面的optical-flow检测器，则能够检测速度，确保机器人移动过快时自动切断电源。
机器人背面的两个相机则用于辅助避开障碍物，对接和栖息。驱动这一切的包括推进系统的是锂电池。虽然使用锂电池存在一定风险，但Astrobee团队并非首个在国际空间站使用锂电池的团队，他们设计和使用的电池都经过了严格的审查。在完全充电的情况下，Astrobee能够持续飞行数小时。这一机器人背后的技术和创新，无疑为未来的太空探索开辟了新的可能性。自主导航：Astrobee在国际空间站的独特之旅
Astrobee能够在国际空间站的各个舱段进行自主导航，这是其独特且极具价值的原因之一。它可以在美国舱、欧盟舱和日本舱中自如行动，尽管目前还不支持俄罗斯舱。这一切的实现在于国际空间站是一个高度结构化的环境，内部界面清晰、紧凑，基本上是可预测的，无需考虑外部环境的干扰，如黑暗或雨水。
在这样的背景下，Astrobee采用了一套相对简单的自我定位系统，并结合单眼相机拍摄国际空间站的内部特征来进行定位。正如Smith所解释的，我们拥有预先绘制的地图，因此视频中的每一帧，我们都能在与之前的地图对比中找出标志性的东西。通过识别这些特征，Astrobee能够精准地确定自己在空间站的位置。
在太空环境中，自主导航还面临一个特殊挑战：宇航员并非直线上升或下降。Smith提到：“我们的地图是基于存在重力的假设制作的，因此机器人的顶部始终朝上，就像我们驾车时车顶的指向。”国际空间站的实际情况更为复杂，存在所谓的“天花板”和“甲板”，照明方向也是考虑因素之一。Astrobee在移动时能够确保与天花板保持一定距离，防止意外碰撞。
自适应驾驶让机器人更高效灵活
随着科技的飞速发展，这款自主驾驶机器人变得更加高效和灵活。它的控制器可以在任何级别发出指令，确保人类始终掌握最高控制权限。即使在复杂的运行环境中遇到挑战，工作人员也能迅速接管并精准掌控机器人。这种可调节的自主驾驶模式，无疑赋予了机器人更高的智能和适应性。
国际空间站上的舒适港湾——扩展坞
让我们目光聚焦在国际空间站上的那个舒适扩展坞。这里，是专为Astrobee机器人量身定制的家。当空间站不处于飞行状态时，Astrobee便回到了这个温馨的港湾。扩展坞不仅为Astrobee提供充电和基础遥测功能，更通过某些基准设计确保机器人能够被轻松识别。每一个扩展坞拥有两个泊位，Astrobee通过机身背面的相机与扩展坞进行精准对接。当两者距离足够近时，强大的磁铁会固定连接它们。而在Astrobee再次起飞之际，扩展坞会智能收回磁铁，准备迎接下一次的任务。
机械臂加持，机器人更强大
这款机器人的一大亮点是它可以装备机械臂。我们看到了Astrobee正巧妙地使用机械臂在扶手上栖息。机械臂的加入，让Astrobee在执行任务时更加得心应手。无论是进行复杂的操作还是简单的移动，机械臂都能为机器人提供强大的支持。这也预示着未来机器人在更多领域的应用可能性。
希望符合您的要求。在Astrobee无需访问特定地点时，如何确保它在国际空间站中稳定不动成为了一项重要挑战。为了解决这个问题，美国宇航局爱姆斯系统工程师In Won Park创造了一个富有创意的小型栖息机械臂。这款机械臂利用三维打印技术制成，轻巧且充满设计感，可在默认情况下巧妙地折叠收纳于Astrobee顶部背面的有效载荷托架中。当其被激活时，则会迅速伸展而出，发挥作用。
通过利用后置摄像头，这款机械臂具备了精确的定位和抓取能力，能够牢牢抓住标准化的扶手。它不仅仅帮助宇航员在国际空间站内轻松移动和保持位置，更通过其稳定功能让Astrobee进入了静止状态。在这种状态下，机器人无需运行叶轮，其续航时间能够延长高达80%。机械臂的电机还能用于调整机器人的位置和姿态，为远程操控的摄像机提供所需的移动。
这一栖息机械臂所配备的夹子是美国宇航局爱姆斯研究中心与哥伦比亚大学ROAM实验室联合研发的成果。Matei Ciocarlie带队的研发团队曾成功研发出Velo夹具。这款夹具具备机械兼容性，经过精确校准后能够稳固地固定Astrobee的位置。尽管其安全性受到一定质疑，如在宇航员使用扶手时无法轻易推开机器人，但设计团队已经针对这一问题进行了编程处理。一旦检测到过大的压力，机械臂会自动释放固定状态。为了确保宇航员的安全，如果Astrobee被固定在轨道上而有人不慎碰撞到它，它也会自动解除固定并漂浮移动。
除了栖息功能外，美国宇航局还在考虑将该机械臂应用于其他场景。一个有趣的设想是在一个Astrobee设备的空闲有效载荷托架上增加扶手，让另一个Astrobee能够利用夹具抓住它。这种设计的一大优势在于所使用的夹具是可更换的。这意味着其他科研专家可以开发出定制夹具以适应不同的任务需求，并在太空中进行测试。这种多功能性和灵活性使得这款栖息机械臂成为了一个极具价值的工具。
机器人技术的核心在于其设计和编程所带来的实用性和回报价值。Astrobee的独立操作能力使其成为更加实用的工具，无论是自主操作还是地面远程控制都可以实现这一目标。通过不断优化和改进设计，我们期待这款机械臂能够在未来的太空探索中发挥更大的作用。Astrobee团队已成功验证其能够在不干扰宇航员的前提下，可靠地承担一系列任务。在理想的无人状态下，Astrobee甚至有能力从人类宇航员手中接管各类任务，解放他们的双手。
Smith提到，目前宇航员需自行携带摄像机进行船员活动视频拍摄。通过Astrobee内置的摄像机和栖息手臂，我们将能够提供稳定的拍摄画面，让宇航员能够更专注于他们的工作。
除此之外，机组人员还花费大量时间进行一些看似无聊的任务，如录音、使用RFID进行库存管理以及检测二氧化碳浓度等。这些繁琐且重复的管理项目虽然对于确保国际空间站的长期安全至关重要，但却占用了宇航员大量的时间和精力。Astrobee的介入将彻底改变这一现状，使人类不再被这些日常琐事所累，转而将更多的精力投入到科学探索等更有意义的工作中。
当谈及Astrobee的最终设计，其渲染图令人充满期待。由美国宇航局爱姆斯研究中心的HRI研究员Yun-kyung Kim负责的外观设计相当独特。Astrobee的外部将由诺梅克斯纤维材料制成，形成一个彩色可绘画的“皮肤”，这样的设计既可以自行创作，也可以外包给专业团队，甚至为孩子提供了一种参与空间机器人的有趣方式。
除此之外，这种设计还有一个重要的实用考量：在立方体可以朝任意方向移动的空间内，这种设计使得识别设备的正面和背面变得更加轻松。对于宇航员来说，知道Astrobee的正面至关重要，而这款机器人的外观设计无疑大大增加了这一识别的便捷性。Astrobee不仅外观炫酷，更在功能性和实用性上表现出色，它的出现将为国际空间站的工作带来革命性的改变。这是一项充满活力和前瞻性的太空机器人计划。Astrobee机器人被赋予了独特的LED阵列和触控屏幕功能，使其能够传达信息并直观展示任务状态。无论是转向信号还是自主模式的状态，它都能迅速传达给使用者。
随着《前往太空》的壮丽篇章的展开，美国宇航局计划在不久的将来将Astrobee送入太空轨道。这一雄心勃勃的计划不仅涉及将三台设备送往国际空间站，而且包括利用扩展坞智能为两台设备进行充电。第三台设备可以灵活部署，或者与其他设备进行组合以进行多元化实验。这种进步意味着前所未有的合作和研究机遇。宇航员和科学家们正跃跃欲试地迎接这一时代。随着新设备的到来，他们将能够以前所未有的方式开展实验和研究。Astrobee机器人有望取代SPHERES，开启全新的太空探索时代。其自主操作设计将极大地减轻宇航员的工作负担，使他们能够专注于更复杂的任务。虽然太空机器人的潜力巨大，但过去由于需要宇航员的深度参与和繁琐的设置过程，许多计划都未能充分发挥其潜力。如今，随着Astrobee等机器人的发展，我们正步入一个充满无限可能的全新太空探索时代。特别是Robonaut的同类项目有望因Astrobee的成功而焕发新生。如果Astrobee能够克服现有障碍，实现自主级别的实质性提升，那么太空机器人技术将爆发出惊人的能量和潜力，为未来的太空探索打开无数的大门。