極端地形—零重力、微重力與失重

當(dāng)飛船探測(cè)器不能進(jìn)入月球或火星等極端地形時(shí)，需要人類穿上太空服去漫步和旅行。在小行星和彗星上，或附近的微重力條件下，機(jī)器人移動(dòng)技術(shù)還未得到充分的開發(fā)和測(cè)試。獲得復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)如國(guó)際空間站，僅限于利用SSRMS進(jìn)行攀登或定位。此技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)包括開發(fā)機(jī)器人并投送到不便人類前往的區(qū)域，或建立人員流動(dòng)系統(tǒng)以便將人類運(yùn)送到這些具有挑戰(zhàn)性的地方。除了改善機(jī)制和提高力量外，進(jìn)入極端的地形還需要在機(jī)器人感知（傳感器和算法）和車輛控制功能方面（伺服和策略）有重大改進(jìn)。感知對(duì)于檢測(cè)和評(píng)估環(huán)境障礙、危害和限制是極為重要的。

抓取和錨定小行星及非協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)象

在空間抓取物體需要一個(gè)機(jī)械手或某種對(duì)接機(jī)制，從而形成雙向6軸抓取功能。抓取一個(gè)小行星然后進(jìn)行錨定是一項(xiàng)新的技術(shù)。嘗試抓取人造物體的傳統(tǒng)方法可能并不適用于小行星錨定，因?yàn)檫@些技術(shù)需要依靠待抓取特定的特征，而這可能將不適應(yīng)于一個(gè)自然物體。同樣，我們還沒有嘗試過抓取一個(gè)正在進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的對(duì)象。

類人類的靈巧機(jī)械手

人類的手是很靈活的。要使一種機(jī)器手能夠具有等效的或更加優(yōu)越的把握能力，同時(shí)避免增加有機(jī)器手接口的復(fù)雜性，能夠?yàn)樘囟ㄈ蝿?wù)提供一種感知工具從而提升其能力。靈巧性可以通過抓取類型、抓取規(guī)模、強(qiáng)度和可靠性一系列要素來判定。在驅(qū)動(dòng)和傳感領(lǐng)域的發(fā)展過程中，我們將會(huì)面臨的挑戰(zhàn)主要是第一性原理。其他次要挑戰(zhàn)包括兩點(diǎn)識(shí)別，接觸定位，外部及內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于順向驅(qū)動(dòng)的反向驅(qū)動(dòng)，速度／強(qiáng)度／電力，控制／使傳感器性能不減弱的覆蓋物以及當(dāng)處理粗糙尖銳物品時(shí)的概略移動(dòng)。

利用觸覺和多模式反饋的全浸入式顯示及遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控即感覺好像親自處在機(jī)器人的工作所在地。技術(shù)可以達(dá)到這一要求，包括讓人員完全沉浸于視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺。在應(yīng)用于人類手指的系統(tǒng)開發(fā)過程中，我們的挑戰(zhàn)包括第一性原理，可以長(zhǎng)期持續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的顯示器，使人能夠在步行或工作時(shí)利用設(shè)備完成遠(yuǎn)程監(jiān)控任務(wù)。

人與機(jī)器的互相理解與表達(dá)

自主機(jī)器人有復(fù)雜的邏輯狀態(tài)，控制模式和控制條件。當(dāng)人類在使用機(jī)器人時(shí)，機(jī)器人的這些狀態(tài)不容易被人類理解或預(yù)期。燈光和聲音是有用的，但這些線索得通過沒有高級(jí)復(fù)雜的社會(huì)行為來增強(qiáng)。同樣，機(jī)器人難以理解人類通過手勢(shì)、視線方向或其他有計(jì)劃行為所表達(dá)的意圖。為了提高空間應(yīng)用中人機(jī)交互的質(zhì)量、效率和性能，關(guān)鍵挑戰(zhàn)是使人類和機(jī)器人能夠有效表達(dá)（交流）他們的狀態(tài)、意圖和問題。不管人類和機(jī)器人十分接近或相隔很遠(yuǎn)這都是不可避免的。

驗(yàn)證與確認(rèn)的自洽系統(tǒng)

大型項(xiàng)目有著復(fù)雜的需求，以至于徹底手動(dòng)探索所有可能的情況是不可行的。盡管軟件生效和驗(yàn)證技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于許多無人航天飛行器（好奇號(hào)、LADEE等等），但人類自主評(píng)估系統(tǒng)依然具有挑戰(zhàn)性。新的驗(yàn)證技術(shù)需要證明自主行為在特定環(huán)境中滿足其預(yù)期使用，但其仍需要用來確認(rèn)自主的系統(tǒng)也滿足要求。

監(jiān)管下的時(shí)間延遲與接觸自洽

任務(wù)都具有有時(shí)間常數(shù)，該常數(shù)隨著最短時(shí)移常數(shù)的變化而顯著變化。而該移動(dòng)使環(huán)境和力控制行為發(fā)生聯(lián)系，所以任務(wù)都需要高速的局部控制循環(huán)。隨著時(shí)間延遲接近于這些任務(wù)時(shí)間常數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器的能力開始下降。遠(yuǎn)程監(jiān)控管理著具有自主能力并處理一系列任務(wù)的機(jī)器人。我們將要面臨的挑戰(zhàn)包括通過運(yùn)行時(shí)間仿真來預(yù)測(cè)未來狀態(tài)（尤其是對(duì)需要執(zhí)行聯(lián)絡(luò)任務(wù)的機(jī)械手），覆蓋承諾和命令狀態(tài)的可視化方法，和實(shí)時(shí)的工作能力。

極端條件下的交匯、接近與對(duì)接

交匯任務(wù)包括沒有著陸或?qū)幽康牡氐亩c(diǎn)起飛。鄰近操作需要以相對(duì)速度為零的狀態(tài)在目的地上空滯停。同時(shí)，對(duì)接形成閉鎖機(jī)制和電子／流體耦合成成對(duì)狀態(tài)。我們面臨的主要挑戰(zhàn)包括在所有光線范圍內(nèi)進(jìn)行交匯和對(duì)接、跨越由近及遠(yuǎn)的范圍和在所有的狀況下實(shí)現(xiàn)對(duì)接的能力。

人類協(xié)同與鄰近工作的安全移動(dòng)裝置

具有通用的移動(dòng)合并操縱能力是試圖讓機(jī)器人直接去工作地點(diǎn)，而不是在工作地點(diǎn)將任務(wù)提交給機(jī)器人。但是機(jī)械臂的移動(dòng)使每個(gè)姿態(tài)對(duì)人類來說是有障礙的。同時(shí)，這些姿態(tài)也包含很多風(fēng)險(xiǎn)。我們將要面臨的挑戰(zhàn)包括在工作區(qū)跟蹤人類，響應(yīng)意外接觸和服從，提供冗余的傳感器和軟件系統(tǒng)。

空間機(jī)器人的研究與發(fā)展

NASA機(jī)器人和自主系統(tǒng)技術(shù)路線圖采用了推拉方法來確定能夠增強(qiáng)或者提高其未來數(shù)十年任務(wù)的分支技術(shù)。這些分項(xiàng)技術(shù)被分成幾個(gè)主要的領(lǐng)域，其中的每一項(xiàng)又被分成如下多個(gè)研究方面。

感知

這項(xiàng)研究包括傳感器，以及能將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成任務(wù)所用的算法。傳統(tǒng)的感知包括航天器在以原點(diǎn)為太陽系中心的參考坐標(biāo)系中的位置、姿態(tài)和速度估計(jì)，同時(shí)能夠感知航天器的內(nèi)部自由度，如掃描平臺(tái)的角度。這些技術(shù)和研究在目前和將來的發(fā)展將會(huì)擴(kuò)展到相對(duì)局部地域的位置、姿態(tài)和速度估計(jì)，同時(shí)對(duì)局部地域具有豐富的感知能力。此處的地域涉及在附近或者變化事件中的其它航天器結(jié)構(gòu)，如大氣現(xiàn)象等。增強(qiáng)感知將廣泛地影響三個(gè)使用的領(lǐng)域：自主導(dǎo)航、采樣和作業(yè)，以及科學(xué)數(shù)據(jù)的處理。知覺在計(jì)算方面越來越密集，這方面的進(jìn)展與高性能機(jī)載計(jì)算的進(jìn)展緊密相連。感知技術(shù)進(jìn)展的度量標(biāo)準(zhǔn)包括：分辨率、幅度、精度、對(duì)環(huán)境的耐性以及電力。

研究的領(lǐng)域包括：

·感知

·相對(duì)位置與速度估計(jì)

·地形測(cè)繪，分類和特征提取

·自然或人工物體辨識(shí)

·多傳感器數(shù)據(jù)的采集、融合與處理

·機(jī)載科學(xué)數(shù)據(jù)分析

移動(dòng)性

移動(dòng)是指在環(huán)境中地點(diǎn)之間移動(dòng)的能力，而不刻意改變環(huán)境。例如在星球表面或者大氣的各個(gè)地方之間的移動(dòng)，或者到達(dá)地下某一點(diǎn)?？臻g機(jī)器人學(xué)的一個(gè)方面是如何到達(dá)科學(xué)研究熱點(diǎn)（例如懸崖邊），重點(diǎn)關(guān)注極端環(huán)境表面移動(dòng)能力的研究，自由空間移動(dòng)能力和著陸與連接。空間機(jī)器人學(xué)也包括很多環(huán)境約束，如極端熱條件，以及需要抗輻射計(jì)算。空間任務(wù)短期操作的用途有限，任務(wù)的成功往往取決于可靠持續(xù)的操作，包括在環(huán)境中利用較少的時(shí)間進(jìn)行長(zhǎng)距離移動(dòng)的能力。相對(duì)于其它空間任務(wù)來說，質(zhì)量和功耗在設(shè)計(jì)任務(wù)中是需要重點(diǎn)關(guān)注的部分。

在未來幾十年內(nèi)，盡管存在一些調(diào)整，用于星球探測(cè)的機(jī)器人移動(dòng)工具將在性能上接近，甚至超越在地球上由人類駕駛的能夠穿越極端環(huán)境達(dá)到研究區(qū)域的交通工具。當(dāng)人類駕駛交通工具的速度接近物理規(guī)律的極限時(shí)，人類長(zhǎng)距離快速獲取地形的微弱幾何特征或者無幾何特征的能力缺少障礙識(shí)別和危險(xiǎn)避碰系統(tǒng)。對(duì)于自由飛行器，在微重力或者飛向大氣層過程中，并不需要考慮機(jī)載傳感器、計(jì)算資源和任務(wù)決策的算法，我們預(yù)期機(jī)器人將能夠有效利用所有可行的機(jī)器性能，包括加速、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等完成自身任務(wù)。多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)合作也是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。飛行器或者漫游機(jī)器人等異構(gòu)系統(tǒng)的組合，對(duì)于星球表面的任務(wù)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，這充分利用了飛行器的遠(yuǎn)程感知能力和地面機(jī)器人的高分辨率地形感知能力。衡量移動(dòng)技術(shù)進(jìn)展的標(biāo)準(zhǔn)包括：航行距離、負(fù)載、速度、周期和質(zhì)量。

研究的領(lǐng)域包括：

·極端地形的移動(dòng)能力

·地下移動(dòng)能力

·地表以上移動(dòng)能力

·微重力環(huán)境移動(dòng)能力

作業(yè)技術(shù)

操作定義為在環(huán)境中進(jìn)行有目的的改變。配置傳感器、處理對(duì)象、挖掘、組裝、抓取、停泊、部署、采樣、折彎，甚至利用長(zhǎng)臂將宇航員送至預(yù)訂地點(diǎn)都被認(rèn)為是作業(yè)的形式。機(jī)械臂、線纜、手指、鏟斗和多臂結(jié)合都是作業(yè)工具的具體形式。衡量作業(yè)技術(shù)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)包括強(qiáng)度、工作空間、質(zhì)量、功率、分辨率、最小力／位置以及操作的接口數(shù)量。

研究的領(lǐng)域包括：

·機(jī)械臂

·柔性臂

·接觸動(dòng)力學(xué)建模

·移動(dòng)機(jī)械臂

·協(xié)同作業(yè)

·自動(dòng)鉆取與采樣處理

人機(jī)交互

機(jī)器人系統(tǒng)的最終效果很大程度上取決于人類用來操作它們的接口。隨著機(jī)器人和分配給它們的任務(wù)越來越復(fù)雜，對(duì)控制它們的人機(jī)交互的需求也增加。一個(gè)友好的人機(jī)接口能夠使操作人員快速的理解系統(tǒng)的狀態(tài)，并有效地指導(dǎo)它的動(dòng)作向期望的狀態(tài)發(fā)展。這一研究領(lǐng)域探索的高級(jí)技術(shù)將用于改善操作員的現(xiàn)場(chǎng)意識(shí)，捕捉操作者的意圖，并是確保機(jī)器人在人類附近以及關(guān)鍵系統(tǒng)的安全。衡量人機(jī)交互系統(tǒng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)包括：性能指數(shù)，如平均干預(yù)時(shí)間和平均干預(yù)時(shí)間的間隔。

研究的領(lǐng)域包括：

·多模式人機(jī)交互系統(tǒng)

·監(jiān)督控制

·適用于機(jī)器人的交互

·意圖識(shí)別與響應(yīng)

·分布式合作

·一般人機(jī)交互系統(tǒng)

·適用于人／機(jī)鄰近操作的安全和可信接口

自主性

“自主性”是系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的能力或者在無外界作用的功能。自主系統(tǒng)能夠獨(dú)立進(jìn)行外部通信，指令和控制。例如一個(gè)計(jì)算機(jī)操作的無人系統(tǒng)，或者是沒有地面支持的模擬航天員?？刂频暮诵拿枋隽丝刂频谋举|(zhì)，這個(gè)本質(zhì)就是決定什么命令要發(fā)出，什么時(shí)候指發(fā)出，然后發(fā)出實(shí)際的命令并傳輸。控制的本質(zhì)決定了一個(gè)系統(tǒng)是否以及哪種程度上是自主的。

自主與自動(dòng)化具有明顯的區(qū)別，自主是指在沒有輸入的情況下一個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行某個(gè)功能的能力。一個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制是在無人干預(yù)或命令的情況下進(jìn)行。任務(wù)能夠通過地面或者軟件交互來執(zhí)行。這不排除操作輸入的可能性，但這些輸入不是自動(dòng)化任務(wù)明確的需求。自動(dòng)化是由軟件或者硬件作用的特性，是否需要輸入任務(wù)需求，這由操作者的判斷來裁奪。

自主性是空間機(jī)器人技術(shù)投資和發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，因?yàn)樗茉谌蝿?wù)執(zhí)行過程中使有人或者無人情況下的功能得到改善。對(duì)于空間機(jī)器人，系統(tǒng)具有從基本的自動(dòng)化，發(fā)展出能夠在動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境中獨(dú)立作業(yè)的完全自主系統(tǒng)等一系列自主性。自主的基本優(yōu)勢(shì)是：增加系統(tǒng)操作能力，通過提高勞動(dòng)力效率和減低需求節(jié)約成本，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)不確定環(huán)境的任務(wù)確定性和魯棒性。

自主也可以在行星表面探測(cè)車、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星和深空探測(cè)中用來輔助數(shù)據(jù)處理和任務(wù)決策。這樣的機(jī)載自主科學(xué)數(shù)據(jù)分析將提高現(xiàn)有傳感器的功能，減輕深空通信瓶頸，變革新的操作模式來解決新的科學(xué)問題。自動(dòng)機(jī)載數(shù)據(jù)分析和理解有可能應(yīng)用全分辨率到檢測(cè)到的變化，目標(biāo)區(qū)域或者成分的異常，以及改善科學(xué)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

研究的領(lǐng)域包括：

·集成系統(tǒng)的健康管理

·動(dòng)態(tài)規(guī)劃和序列工具

·自主導(dǎo)航和控制

·自調(diào)整的自主性

·相對(duì)地形的導(dǎo)航

·不確定環(huán)境的路徑或者運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

·自動(dòng)機(jī)載科學(xué)數(shù)據(jù)分析