Astrobee：NASA 為國際空間站設計的最新機器人，幫宇航員從枯燥任務解脫

美國宇航局的Astrobee是新一代自由飛翔太空機器人，專門為國際空間站的宇航員提供各項幫助

2006年，美國宇航局（NASA）將三個可自由飛行的小型機器人送上國際空間站。這些名為SPHERES （同步位置的保持、連通與再定向試驗衛星）的機器人在太空進行了長達600個小時的實驗，開展了包括自主形態飛行、空間站導航和地圖繪製等豐富實驗，甚至還運行了中學生在團隊比賽中編寫的程序。

在協助宇航員或者輔助控制飛行方面，SPHERES在設計之初就沒有提供任何實質性幫助的打算。它不僅作為科技平台提供各項服務，同時也為更精密複雜更多才多藝的下一代自由航天器夯實基礎，這對生活在國際空間站上的人類帶來了巨大幫助。

這就是Astrobee。

去年秋天，外媒IEEE Spectrum造訪了位於美國加州Mountain View的美國宇航局愛姆斯研究中心（NASA Ames Research Center），重點了解和觀察Astrobee原型的最新進展，並採訪了該項目的幕後團隊。

Astrobee是一個邊長為32厘米的立方體。每個角和大部分邊上都覆蓋了一層柔性保險杠材料，從中嵌入了推進系統。機器人的中心部分包含豐富的感測器、控制系統、觸控屏幕，以及為後續增加硬體而預留的有效載荷托架，其中包括一個手臂用於抓取國際空間站的扶手。

儘管這款機器人在設計上就是為了在國際空間站上自由的飛行，不過在地面進行測試的時候，Astrobee被安裝在一個雪橇的頂部，使用二氧化碳噴氣推進器創造低摩擦的空氣，從而讓機器人在非常平滑（同時非常巨大）的花崗岩石塊上移動。這允許科研人員測試機器的推進和導航系統，不過一旦將其運輸到太空，整個立方體就完全依賴藍色保護套進行保護，沒有在測試過程中的其他保護配件。

在該項目成立開始，Astrobee就不僅僅只是當做SPHERES的繼承者，它更是一個全新平台，確保它能夠在國際空間站完全自主地和安全地運作。其中最大的改善就是推進系統。

SPHERES需要始終處於宇航員監督控制下（因為它們比較易燃等原因），而且依賴一次性鹼性電池組供電，由二氧化碳推進罐提供動力。而Astrobee則完全使用電動推進系統，通過擴展塢能夠自行充電。

美國宇航局表示，Astrobee在國際空間站上運行可以通過地面進行遠程遙控，同樣也可以讓它完全自主操作。通過可以兼容各種定製硬體的模塊化托架，這款機器人能夠執行各種任務的，在某些情況下甚至能夠從人類宇航員手中接過繁瑣又無聊的「家務」作業。

美國宇航員Scott Kelly正在國際空間站上和SPHERES一同工作

Astrobee和SPHERES的本質區別在於，前者在地球上進行的各項設計就是為了能夠在國際空間站上完全自由的操作。美國宇航局智能機器人集團（Intelligent Robotics Group），Astrobee項目首席系統工程師Trey Smith說道：「它是IVA（車內活動）自由飛行器，能夠和人類和諧的在國家空間站內部進行飛行」。

作為對比，SPHERES是圍繞著二氧化碳推進系統而設計的，理論上不僅能夠在國際空間站內部運作，而且能夠在空間站外面進行作業，儘管這需要對SPHERES平台進行某些升級。

由於Astrobee的運動可以依賴周圍的大氣，通過在某個方向來推動空氣進行移動，就像是在地球上進行的大部分實驗一樣。當然，它也有很多其他方式來完成這項工作，但是在微重力情況下帶來了很多令人難以想像的困難和獨特挑戰，這也導致Astrobee相當的複雜，而且推進系統尤其迷人。

Astrobee的側面，顯示了其中一個推進模塊。

在Astrobee的兩個側面，位於保護屏罩後面的是葉輪——能夠吸入空氣的大風扇。兩個葉輪的相互作用能最小化陀螺力，在機器人的內部不斷形成空氣加壓袋，通過每個面的噴嘴進行引導輸出。如果所有噴嘴都處於關閉狀態，那麼Astrobee就會停止移動；也可以單獨或者組合打開形成推力，從而讓機器人朝著反方向移動。

「設備上共安裝了12個噴嘴，它們都被精心安排因此所有噴嘴都是離心的（off-center）。」Smith解釋道：「如果其中一個噴嘴出現崩潰，那麼它會確保機器人處於旋轉狀態，而不是加速撞擊空間站。不過如果你使用配對的推進器，那麼就能保持平衡。Astrobee擁有不同的噴嘴配對方案能夠實現每個笛卡爾軸線的正負方向上實現純直移（pure translation）或者純旋轉（pure rotation），這表明你能夠獲得任何方向的推力。」

能夠自己產生推力並完全自主地在國際空間站上移動，美國宇航局深知這個創意背後的擔憂。除了上文提及的離心推進器之外，所有的的移動部件都安置在內部，這就意味著宇航員能夠在任何地方抓住它，而且設備的每個角都被柔軟的泡沫包裹形成圓形的緩衝，哪怕在運行過程中碰到什麼東西也將損害降到最低。

「Astrobee可以在空間站上隨意飛行。」Smith說道：「假如說發生碰撞，那麼可能是空間站上的任何東西。」國際空間站的窗口會是一個重大問題，Smith說道：「Astrobee就像是一個蓬鬆的大型保齡球，在質量方面我們提出了非常嚴苛的要求，基本上能夠應對各種碰撞。國際空間站上的常規窗口都有四層玻璃，兩層是壓力面板，分別位於機身的最裡面和最外面，我們分別稱之『scratch』和『debris』面板。我們目前嘗試證明的是Astrobee無法打破scratch面板。」

Astrobee必須從基本上保證硬體安全。換言之，哪怕所有軟體出現了不受控制的最糟糕情況，也要確保機器人不會對國際空間站造成嚴重的影響。

為了完全解決失控機器人所引發的安全問題，Astrobee團隊不得不想像最糟糕的情況：軟體故障導致機器人以最快速度進行加速，沿著國際空間站的最長直線距離（大約20米），直接進入空間站的其中一個窗戶。在這種情況下，該機器人的最高速度能夠達到每秒2米，要比軟體限制的最高速度每秒0.75米快很多。

Smith說道：「在這種情況下，極有可能會打破scratch面板，不過我們並不會遇到比這個更糟糕情況。沒有嚴重的損壞。」

Astrobee的前臉，裝備了相機、感測器和觸控屏幕

在Astrobee的每個面裝備推進模塊的同時，也為自主操作預留了所有感測器和計算硬體的空間，而且還有足夠的托架來容納各種有效載荷（兩個位於正面，兩個位於背面），每個托架都含有機械、數據和電源連接。正面頂部的有效載荷托架已經安裝了Astrobee自己的導航感測器，Smith表示開放的有效載荷托架是Astrobee存在優先順序。

Smith說道：「有效載荷托架的做法來自於SPHERES的經驗。首先，SPHERES主要用於測試姿態飛行軟體，但是後來科學團隊意識到可以附加有效荷載，而這種方式讓我們感到瘋狂。因此，在Astrobee的研發過程中我們在如何設計上做了很多的思考。」

Astrobee的計算機系統內部有三層處理器：低層（Low Level）、中層（Mid Level）和高層（High Level）。中層和高層處理器是相同的，只是中層運行Linux系統並接管機器人的大部分核心功能，而高層運行Android系統並專門負責有效荷載。這樣設計不僅讓科學有效荷載漂亮和獨立，同時還能保證Astrobee的編程更加容易，通過廣泛的API編譯能編譯建立Astrobee連接的Android應用。

Astrobee的感測器套件包含116度視野的主導航攝像機、能夠從國際空間站實時傳輸視頻至地面的高清自動對焦攝像機。此外還有能夠檢測約4米範圍內障礙物（儘管外媒在造訪時候並未安裝）的CamBoard Pico Flexx time-of-flight flash IR 3D感測器，安裝在Astrobee頂部面的optical-flow檢測器，能夠檢測速度，如果機器人移動過快就會自動切斷電源。

機器人背面的兩個相機，用於輔助避開障礙物，對接和棲息（perching，下文會有更詳細的介紹）。而驅動這一切（包括推進系統）的是鋰電池，儘管這是相當危險的，但所幸的是Astrobee團隊並非是首個在國際空間站使用鋰電池的團隊，因此他們所設計和使用的電池必然經過了嚴苛的電池審查。在完整充電之後，Astrobee能夠持續飛行數小時時間。

之所以與眾不同和極具價值的原因之一是，Astrobee能夠在國際空間站的美國艙（U.S. Module）、歐盟艙（ESA Modules）和日本艙（JAXA Module）中進行自主導航，目前不支持俄羅斯艙。而實現自主導航的重要原因是：國際空間站是高度結構化環境，內部非常的緊湊，界面分明，除非遇到可怕的錯誤否則基本上是可預測的，而且並不需要考慮黑暗或者雨水等因素。

考慮到這一點，Astrobee使用相對簡單（至少原則上是）的系統來進行自我定位，並配合一個單眼相機拍攝國際空間站內部特徵進行定位。正如Smith解釋的，「我們有預先繪製的地圖，因此視頻中的每個幀，我們都可以在此前的地圖上查看確定標誌性的東西，通過識別之後我們就能知道在空間站的哪個位置。」

太空機器人遭遇的另一個問題是，在自主導航中的宇航員並非直上直下的行走。Smith說道：「我們目前所使用的地圖是假設存在重力的狀態下，所以機器的頂部總是朝上的，你可以想像我們正在開車。」

不過是實際情況下的，國際空間站確實存在宇航員嘗試使用的「天花板」（稱之為ceiling）和「甲板」，至少按照照明的方向。Astrobee在移動過程中能夠確保和「天花板」保持一定的距離，並且能夠防止意外踩踏和踢到。最初的版本中，Astrobee能夠像宇航員一樣檢測到障礙物就自動停止，但是沒有重新規劃路線繞過宇航員，NASA計劃逐漸改善Astrobee的自主導航能力。

當然，所有Astrobee的自主導航是可選的，而且一個重要功能是從地面遠程進行遙控，在必要的時候允許地面的控制器來直接控制機器人，從而在Astrobee的自主駕駛系統出現錯誤的時候地面的工作人員能夠及時接管。

這種可調節的自主駕駛讓機器人變得更加高效和靈活，而且控制器能夠在任何級別發出指令，確保人類始終擁有最高的控制許可權。哪怕在運行過程中出現任何問題，工作人員都能接手並掌控機器人。

安置在擴展塢上的Astrobee

不在國際空間站飛行的時候，Astrobee在定製的擴展塢上擁有一個非常舒適的家。這個連接到空間站的擴展塢用於充電和基礎遙測，以及某些基準從而確保Astrobee更容易被看到。每個擴展塢上有兩個泊位，Astrobee可以通過位於機身背面的相機和擴展塢進行連接。一旦Astrobee和擴展塢的距離足夠近，磁鐵就會將兩者固定連接在一起。在Astrobee再次起飛的時候，擴展塢就會再次根據指示收回磁鐵。

Astrobee正使用機械臂在扶手上棲息。

在Astrobee不需要活動訪問某個地點的時候，它需要確保自己在國際空間站中不被飄走。為了能夠做到這點，來自美國宇航局愛姆斯系統工程師In Won Park設計了一個可愛的小型3D列印棲息臂，在默認情況下摺疊縮回Astrobee背面頂部的有效荷載托架，有必要的時候就會伸展出來。

使用後置攝像頭，這個機械臂能夠定位和抓取標準化扶手，同時也用來幫助宇航員在國際空間站穿梭和保持原地。通過棲息手臂能夠確保Astrobee處於靜止狀態，且不再需要運行葉輪，機器人的續航時間最高可以延長80%。一旦處於棲息狀態，手臂的電機就可以用於平移和傾斜額機器人的身體，而這正是遠程遙控視頻相機所需要的。

手臂上所使用的夾子是美國宇航局愛姆斯研究中心和哥倫比亞大學ROAM實驗室共同的研究成果，該項目由Matei Ciocarlie 帶隊，此前曾在Willow Garage項目中研發了Velo 夾具。這個夾具是機械兼容的，通過校準能夠非常牢固的保持Astrobee狀態。不過有個不是特別安全的地方，當宇航員需要使用扶手的時候無法將機器人推開，因為一旦檢測到超過閾值的壓力，機械臂就會編程釋放。此外這裡還有一個安全功能：如果Astrobee固定在軌道上，而某個人意外發生碰撞，它就會自動解除固定並飄走。

儘管這個機械臂的主要目的是棲息，美國宇航局還考慮應用於其他用例中。其中一個有趣的用例是在其中一個Astrobee設備的空閑有效荷載托架添加一些扶手，從而能夠讓另外一個Astrobee抓住。這裡所使用的夾具也是可以更換的，因此其他的科研專家能夠開發除定製夾具來完成不同的任務（例如操作），然後在太空中安裝在Astrobee上進行測試。

機器人價值的核心體現能夠提供設計和編程，在投入大量時間和精力之後能夠得到一個積極的回報。獨立於宇航員操作讓Astrobee變得更加實用，這能夠完全能夠自主操作，或者從地面進行操作。如果Astrobee能夠在不妨礙宇航員的情況下可靠的完成任務，那麼在無人的理想狀態下，它能夠從人類宇航員手中接管所有類型的任務。

Astrobee團隊已經確定能從宇航員手中接管一些事情。其中之一是船員活動的視頻拍攝，Smith說道：「現在的狀態是，船員自行握持一個攝像機，如果地面的飛行控制器能夠定位攝像機，那麼船員就不需要自己調整了。」通過內置攝像頭和棲息手臂，Astrobee將提供穩定的拍攝圖像，而宇航員能夠繼續做他們手頭工作。

機組人員還花費了大量時間做了很多真正無聊的事情，比如在空間站上錄音，使用RFID進行庫存管理，用於檢測二氧化碳濃度。這些粗糙、重複的管理項目通常是愚鈍的，會大量消耗宇航員的時間，即使這些是確保國際空間長期安全的強制性措施。如果Astrobee能夠接管這些任務，那麼必然讓人類從這些事件中解脫出來，獎更多的精力投入到科學探索中。

Astrobee最終設計的渲染圖。

儘管外媒在美國宇航局愛姆斯科研中心的Astrobee原型已經看起來非常酷炫，而最終會登陸國際空間站的版本會更有視覺衝擊力。Astrobee的最終外觀由Yun-kyung Kim負責，他在美國宇航局愛姆斯研究中心擔任HRI研究員。

Astrobee的外部將會由諾梅克斯纖維材料製作成一個彩色可繪畫的「皮膚」 ，這些設計可以自行設計，也可以進行外包，為孩子提供了一種有趣的方式來參與空間機器人。除了看起來酷炫之外，另一個原因是在該立方體在可以朝任意方向移動的空間內能夠更輕鬆的識別將會設備的正面和背面。對於宇航員來說，知道哪個是Astrobee的正面是非常重要的。

該計劃也計劃圍繞著Astrobee的葉輪裝備LED陣列，從而用於傳達簡單的信息。類似於轉向信號，或者表明該機器人當前正在執行的任務，或者是處於遠程操作還是處於自主模式。這個機器人同時還具備一個觸控屏幕，不過LED燈皆在於變得更加簡單和直觀。Astrobee同時還具備揚聲器，Kim正使用音頻來幫助Astrobee宇航員（或者提醒他們）。

美國宇航局預計在2018財年（2017年10月至2018年9月）年底之前將Astrobee送上軌道。儘管擴展塢智能同時為兩台設備進行充電，但美國宇航局計劃將三台設備送上國際空間站。第三台設備可以安置在空間站的某處，但是宇航員可以將這三台設備一起組合進行實驗。

Astrobee將會取代SPHERES，在這個轉變的過程中，美國宇航局的客座科學家項目（Guest Scientist Program）最終為全球的科學家在這些機器人運行實驗，同時涵蓋硬體和軟體。在過去，SPHERES的參與程度受到限制，因為需要宇航員不斷的進行監督以及額外的時間進行設置，而Astrobee添加的自主能力能夠為合作和研究帶來更多機遇。

美國宇航員對太空機器人的計劃是雄心勃勃的，但它們並不能總是發揮自己的潛力。通常這是因為其中需要宇航員的大量參與。Astrobee由於採用自主操作設計而認為是有前途的，並為宇航員提供各種幫助。Robonaut也想要完成相同的任務，但由於需要宇航員消耗大量時間以及太過繁瑣困難而依然沒有上線。如果Astrobee能夠克服這個障礙，自主級別能夠達到實用的級別，那麼太空機器人將會迸發無窮的潛力。

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