《Acta Astronautica》：Review of space robotics technology for on-orbit construction of ultra-large optical systems
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空间机器人技术在超大型光学系统在轨建造中的应用研究综述。摘要：本文系统梳理了空间机器人技术在超大型光学系统（ULOS）在轨建造中的关键技术，包括系统设计、在轨感知、运动规划与柔性控制。针对ULOS的大规模、高柔性、高精度装配需求，重点分析了多臂协同、分布式高精度感知、受限空间运动规划及复杂接触柔性控制等核心挑战。研究指出，未来需发展具备爬行与自由飞行双模移动能力的机器人系统，融合多模态感知与AI决策技术，突破低频振动抑制和空间碎片化风险等工程瓶颈。
魏亚强|刘晓翔|詹 Bowen|文浩|陈迪
南京航空航天大学航空航天结构力学与控制国家重点实验室，中国江苏省南京市玉道街29号，210016
摘要
为了进行深空探索和高精度地球观测，迫切需要在轨建造超大型光学系统。凭借高操作可靠性和强大的任务扩展性，空间机器人技术已成为此类任务的热门研究方向。本文详细回顾了用于在轨建造的空间机器人的进展和发展趋势，主要围绕四个主题展开：系统设计、在轨感知、运动规划和柔顺控制。超大型光学系统的特点在于其庞大的规模和显著的灵活性，这对空间机器人技术提出了更高要求：需要在多种移动模式之间精确切换、在恶劣条件下实现多臂重构、在狭小工作空间中进行运动规划以及在高保真度下验证装配顺序，同时还要在复杂的几何干扰和低频振动环境下进行柔顺多点装配。此外，本文还总结了空间机器人技术在超大型光学系统在轨建造中的工程挑战及未来发展方向。该综述旨在加速超大型光学系统建造的理论研究、地面测试和在轨验证。
引言
随着科学技术的不断进步，航空航天技术极大地扩展了人类活动的时空范围。例如，气象卫星提供的高时间和空间分辨率观测显著提高了天气预报的准确性和灾害预警能力[1]。这些活动依赖于在轨服务（OOS）技术，其核心目标包括在轨维护、升级和延长航天器的使用寿命[2]，以及建造大型空间结构（OOC-LSS）[3]以延长航天器的运行寿命。与缆绳机器人或绳网捕获等替代方案相比，空间机器人系统具有高精度相对姿态控制、灵活的多自由度（DOF）操作、精细装配和维护以及高度的任务扩展性等优点[5]。因此，空间机器人对于完成高风险、高精度和高可靠性的在轨任务至关重要[6]。
与地面观测相比，空间观测避免了大气吸收、散射和湍流的不利影响，从而能够更准确地研究宇宙演化。然而，波动光学理论[7]表明，对于给定波长，望远镜的角分辨率从根本上受到其口径直径的限制。因此，以超大型光学系统（ULOS）为代表的OOC-LSS已成为OOS的研究重点[8]。这类系统通常通过模块化组装镜片段构建，因为单次发射的整体部署受到飞行器整流罩体积和发射质量的严格限制，无法满足ULOS的要求[9]。由于在轨组装的特点（如镜片段尺寸大、对齐精度要求高和动态复杂），空间机器人成为模块化连接、精确对齐和在轨维护的首选方案[10]。一方面，空间机器人能够执行许多复杂操作，如分段捕获、控制定位和刚度调节、精确装配和固定，以及传感器和主动校准装置的安装，多臂协作和浮动基座的概念使得机器人平台能够承担不同规模和精度要求的建造任务，显著提高了灵活性和成本效益。另一方面，空间机器人技术支持基于视觉、激光测距和力/扭矩反馈的闭环测量和自适应控制，为光学表面和波前质量的精确校准提供了技术基础。此外，模块化和机器人建造策略支持批量发射、逐步组装和后续升级，降低了单次发射的风险，同时提高了可维护性和可扩展性[11]。总之，鉴于科学探索和地球观测对更高分辨率、更高灵敏度和持续在轨运行的需求，发展用于OOC-LSS的空间机器人技术是一个紧迫且必要的工程和研究方向[12]。
OOC-LSS（如ULOS）的主要任务是多模态桁架的组装和维护，其特点是超大规模、超灵活的振动、超精确的装配和超平面的精细调节（4U）。其建造过程包括模块化组装的顺序规划、轴孔组装的协调轨迹规划、多点装配的柔顺控制、爬行的轨迹规划以及镜面表面的精度表征和精细调节。这些过程被映射到空间机器人技术领域进行系统回顾，如图1所示。综述的其余部分详细介绍了OOC空间机器人技术的最新进展，分为四个关键主题：系统设计、在轨感知、运动规划和柔顺控制。
章节摘录
系统设计
随着OOS任务的多样化和复杂性增加，空间机器人的配置已从传统的单臂和双臂发展到多种形式，包括多臂、伸缩臂和柔性臂。本节回顾了在轨演示任务的发展和空间机器人的演变趋势，以明确OOC-ULOS的设计要求。
在轨感知
感知系统使机器人能够实时感知周围环境并与环境互动。对于OOC-ULOS而言，感知系统不仅是精确检查ULOS的关键技术，也是实现镜架间精确多点轴孔组装的必要条件。
运动规划
ULOS是由多个镜片模块逐步组装而成的。其运动规划包括顺序规划、组装轨迹规划和爬行轨迹规划。顺序规划决定了LSS在任何给定时间的几何拓扑、质量分布和约束边界，从而直接影响低频模态激励、基座姿态扰动和结构稳定性。在组装轨迹规划中，接触顺序和相对姿态柔顺控制
在OOC中，机器人需要与目标进行受控接触，以执行捕获、对接、组装或施力等任务[13]。在微重力环境中，接触交互不仅涉及末端执行器与目标之间的相对姿态变化，还伴随着显著的动态耦合，这可能导致组合系统或目标碎裂。因此，必须精确调整和限制接触力以防止结构损坏OOC-ULOS的工程挑战
近年来，机器人技术取得了快速进展，四足和人形平台在工程和部署方面都取得了稳定进展，相关AI技术也逐渐从实验室验证转向大规模实际应用。相比之下，空间机器人受到发射能力、机载功率预算和恶劣轨道环境的严格限制。因此，在某些领域存在重大挑战未来展望
为了适应OOC-ULOS的4U特性，在全面回顾了空间机器人技术的发展趋势和任务要求后，提出了系统设计、在轨感知、运动规划和柔顺控制的未来发展方向。系统设计 为了实现数十至数百米规模的高精度OOC-ULOS，空间机器人系统应具备爬行和自由飞行两种移动方式。爬行方式能够实现高效、稳定的操作
结论
本文回顾了专注于系统设计、在轨感知、运动规划和柔顺控制的空间机器人技术。首先，总结了代表性的在轨演示案例，并比较了单臂、多臂、伸缩臂、柔性臂和爬行臂等机器人配置。同时，确定了可重构性、多臂性、冗余性、灵活性和智能性作为主要发展趋势。
作者贡献声明
魏亚强：撰写——原始草稿、可视化、方法论、资金获取、形式分析、数据整理、概念构思。刘晓翔：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。詹 Bowen：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。文浩：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。陈迪：撰写——审稿与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12494562、12272166）、中国博士后科学基金（项目编号：2025M774273）以及北京空间体感技术重点实验室（项目编号：SEIT-2025-6）的支持。
