白悦编译

首个被NASA「派往」国际空间站的宇航机器人Robonaut,现在怎么样了?

2011 年 2 月,NASA 向国际空间站发射 Robonaut 2 太空机器人。这对于身处休斯顿 NASA 约翰逊航天中心的 Robonaut 团队来说,是一个巨大的成就。

当然,Robonaut 并不是太空中的唯一机器人,不过它的特别之处在于,是第一个去地球以外的地方执行任务的先进人形机器人。

在国际空间站上,机器人会与宇航员并肩作战,主要工作任务在于执行国际空间站中危险及重复的太空作业,以节省人手和时间使得空间站的其他宇航员可以从事其他太空研究工作。

事情一度进展地很顺利。机器人从泡沫封装中取出后,被安置在命运号实验舱中。

2011 年 8 月,Robonaut 首次投入使用。一直到 2012 年,它都在进行着根据地面的远程操控执行按开关和清洁扶手的训练。

大约每一个月左右,宇航员就会设置一次 Robonaut,然后让它去空间站执行几个小时的研究任务。人们希望 Robonaut 可以从一个实验项目转变成一个人类航天器中的有用帮手。

同人类宇航员一样,机器宇航员 Robonaut 也有自己的 Twitter 账号,上面写着:「快看看我,我在太空里呢!」

但在 2014 年,事情出现了转机,NASA 决定开展一项较为复杂且颇具风险的升级。

此前,送到国际空间站的 Robonaut 只是有一对胳膊、头部和躯干,现在 NASA 想要给它加上一双腿。

这样做的目地是让 Robonaut 可以更加方便地在空间站里移动。可以摆动的细长的腿几乎可以算得上是机器人的第二双手臂,这样它们就能通过握住扶手在空间站周围移动,功能将得到显着的增强。

然而,这项升级却并没有按计划实现,反而产生了一些宇航员长期以来无法解决的问题。

在过去几年里,Robonaut 几乎是毫无建树的。国际空间站状态报告显示,上一次机器人完成全部科研任务的时间是在 2013 年 12 月。近日,NASA 宣布,Robonaut 2 将返回地球由地面的工作人员进行修理。2013 年 1 月,Robonaut 在执行任务

事实上,让 Robonaut 移动是 NASA 对宇航机器人的长期规划中的一个环节。NASA 最初打算将 Robonaut 的操作能力分为三个阶段。

第一阶段是固定作业,2013 年底,Robonaut 躯干就成功完成了这项任务。第二阶段是舱内活动,在这个阶段,Robonaut 需要在国际空间站内移动,因此引入了腿。而腿也是第三阶段舱外活动的关键,这一阶段要在站外的真空中工作,而这种情况下需要对机器人的重要硬件进行更多的升级。

「空间站计划一直在扩展我们所能触及的能力边界,」NASA 约翰逊航天中心 Robonaut 项目经理 Julia Badger 接受采访时说道,「如果机器人能够走动,那么就可以去做物流管理,或是清理、修理过滤器。移动是我们开发和测试的下一个级别的功能。」

Robonaut 的腿 

但是,给国际空间站里的 Robonaut 添加新的腿并不是简单地把这些部件运送到空间站,而是要把它们连接到 Robonaut 的躯干上。

腿部的安装需要升级大量 Robonaut 的核心硬件,包括新的计算机以及连接腿和机器人主处理器的接线,这其中还涉及复杂的机械装配过程。更难的地方是,Robonaut 最初是一个在地球上使用的研究机器人。Badger 说:「Robonaut 根本不是设计给宇航员使用的。它是一个实验室机器人,只是我们找机会把它送上了太空而已。」

即使是 NASA,对于这次添加腿部的升级也很费劲。

当被问及团队是否有信心时,Badger 说:「我绝对不认为我们有信心,国际空间站主要是尝试新鲜事物,我们在开发这些程序的过程中学到了很多东西,也让宇航员完成了复杂的手术。」

她补充说,宇航员「做得很好」,机器人的问题没有解决与宇航员无关,主要原因在于硬件的复杂性。在国际空间站接受手术的 Robonaut
NASA 预计,在地球上 Robonaut 团队需要 14 个小时才能完成的腿部升级,需要花费宇航员大约 20 个小时的时间完成,不过实际上最后用了 40 个小时。2014 年 7 月 16 日,这项工作开始了,并在 8 月 28 日成功结束。

可是紧接着,NASA 约翰逊航天中心的 Robonaut 团队就意识到出现了一些问题。

8 月 29 日,宇航机器人只有部分通电,但人们无法在地面上看到任何遥感勘测信号。不久,通过固定一根松动的导线,机器人通过了检验,但在 12 月 17 日的又一次操作中(升级后第一次用电动机对 Robonaut 通电时),它的腿不能移动了。2014 年完成升级后,NASA 宇航员 Steve Swanson 和 Robonaut
2015 年 1 月到 8 月,宇航员和地面上的团队记录了宇航机器人一系列不稳定的行为,包括传感器故障、通信故障以及重复的处理器锁定。到了 9 月份,持续的故障诊断表明问题出在了 Robonaut 处理器的电源上。

Badger 表示:「使用我们的操作窗口开始让计算机开始失去电力了,而且随着时间的推移情况会越来越严重。经过一段时间的电力循环情况会有所改善。但问题是,这种情况是间歇性的,有时我们可以打开计算机,有时计算机却会立即失效,所以数据并不可信,这是非常混乱的。」

卡内基梅隆大学的机器人专家 David Wettergreen 专门研究进行星际探测的自动化机器人。他解释说,机器人系统的复杂性使错误的检测和预防成为了一项艰巨的任务。

「对于简单的系统来说,如果运行不正常,我们可以对它进行调试和修复,就像你的车。但如果是一个很难理解的机器人系统,如一个自主水下飞行器,或者说是那些把安全摆在第一位的机器,如一辆自动驾驶汽车,那就要在事前理解和最小化所有的失效模式,不然的话,机器人就需要有自我诊断和修复的能力。」他补充道,让事情更具挑战性的是,像容错和故障恢复这类技术都是需要大量实践的研究领域。

「Robonaut 必须结实又安全,所以系统工程需要处于技术的尖端。」他说道。

国际空间站每日的总结报告呈现了站上的宇航员和地面上的 Robonaut 团队为了掌握机器人故障所作的努力。

到了 2016 年的时候,看样子 Robonaut 已经被拆分且每一部分都被认真地展开分析了。


宇航员 Tim Kopra 安装了一台抓拍到标准清晰视频的摄像机,可以拍摄 Robonaut 操作系统下行链路。他使用示波器、万用表和电流探头,通过分离控制器卡并在不使用控制器卡的情况下成功给 Robonaut 供电,帮助指导地面上的团队解决这一问题。今天收集的数据将在地面上分析,以确定电源故障的原因。
——摘自国际航空站的每日总结报告,2016 年 3 月 23 日

NASA 约翰逊航天中心的 Robonaut 团队猜测,两张控制器卡可能是肇事者,他们甚至把这两张卡运回地球进行了测试。但在实验室进行了检测后,卡片没有问题。因此,还要继续展开搜索,团队开始检查每一个部件,包括机器人内部的大量电缆:

宇航员在 Robonaut 底盘上进行了故障排除。以前的故障诊断表明,可能出现问题的两张卡已经在地面上完成了测试,排除了问题。今天,团队首次在通电时得到了 Robonaut 的良好回应。工作中 Robonaut 的指示灯与预期的一样。在尝试减小间歇性故障状态时,团队执行了各种电源循环。最后,团队排除了其中几条电缆的故障可能性。控制卡未从 CPCI[小型外围组件互连] 底盘中移除并保持安装状态,所有电缆保持连接状态。团队计划分析结果以采取下一步行动。
——摘自国际航空站的每日总结报告,2017 年 2 月 1 日

太空硬件在送往太空之前是经过了艰苦的设计、构建和测试的,但让人惊讶的是,NASA 的机器人专家无法更快地完成诊断并解决问题。

不过,宇航员们正在研究的国际空间站 Robonaut 与约翰逊航天中心的其它五个 Robonaut 略有不同。Badger 表示,空间站 Robonaut 是一个 R2-B 模型,而地球上的机器人是 R2-C,后者是「相当重要的设计迭代」。而在问题出现的多年后,这些差异最终给出了问题的答案。
2017 年 2 月 1 日,宇航员 Peggy Whitson、Shane Kimbrough 和 Thomas Pasquet 修理 Robonaut
「我们花了很长时间才弄明白是怎么回事。但最终结果是这个空间站机器人丢失了从计算机机箱到地面的链接路径。目前它正在寻找另一个路径,而这使机器人慢慢退化。因为这个轨道上的机器人与地面上的机器人不同,所以没有地面路径就是一个错误,而且很难找到。」Badger 说。

这意味着,机器人的某些电路和处理器可能根本就没有电,而其它组件则因过大的电流而被烧坏。这个错误正在慢慢杀死 Robonaut。

来自卡内基梅隆大学的 Wettergreen 表示自己也遇到过类似的情况。他说:「接地回路的错误最初看起来与根本原因无关,但却可能使电子设备出现各种奇怪的症状。调试需要很长时间,因为问题不容易重现,而且也不会经常发生。」
「和 @AstroRobonaut 专家解决一些技术问题进行故障排除,」宇航员 Tim Kopra 在 2016 年 3 月发推文,「但它还没有被完全修好。」
2017 年 8 月,宇航员尝试安装了接地跳线,但并没有解决问题。

Badger 解释说,他们想要加跳线的地方被一种特殊的密封剂覆盖,该密封剂可以保护敏感部件,使其避免由于国际空间站周围漂浮的异物所引起的短路。宇航员要试图把这些去掉。

「这并不容易。」,Badger 说,「关于这些连接是否有效还存在一些疑问,我们相信缺少导线还可能引起其它问题。」

事实上,其它可能出现的问题也非常令人担忧。即使最初的接地问题已经被解决,Robonaut 团队也不确定是否还存在另外的问题。

Robonaut 几乎肯定会因电流未经检查地流过计算机机箱而导致明显的退化,但团队也会尝试一下其它的方向。当 NASA 问他们是否想在接下来的补给任务的回程航班上用一些空余的货舱将 Robonaut 带回家时,团队同意了。

根据他们掌握的设备损害程度,他们计划修复国际空间站 Robonaut 并将其送回站内,或将其换为约翰逊航天中心的另一个 R2-C 机器人,然后将其发送。

Badger 并没有提供将 Robonaut 送回国际站的时间表。这是一个没有保证的任务,也是一个较大的挑战。而且,他们的第二次发送可能还不能给机器人连接腿。尽管 Badger 承诺,如果是这样的话,「重新整合将会相对简单。」「@Astro_sabot(宇航员 Mark T. Vande Hei)和我准备好要把 Robonaut 带回地球进行维修和翻新。」Joseph M. Acaba 发推文,并附上了一张 2 月 9 日的照片。「我们期待它的回归。」

2018 年 2 月,Robonaut 被打包送回地球。

Badger 说:「国际空间站是要尝试不同的事情。我认为 Robonaut 让我们了解了许多关于未来太空中人形机器人的知识。现在,我们将它带回家修理,在不久的将来,我们也希望能再次把它送回去,继续帮助我们完成探索最新技术的初心。」

文章来源:https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/space-robots/robonaut-has-been-broken-for-years-and-now-nasa-is-bringing-it-home

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