王永芳，黃劍斌，宋潔瓊

(1. 中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院， 北京100048； 2. 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 北京100094)

1 引言

在軌服務(wù)機(jī)器人主要由基體及搭載在基體上的機(jī)械臂和操作末端組成，可以在太空中完成各種自主操作任務(wù)，在軍用和民用領(lǐng)域均有迫切的研究需求和廣闊的應(yīng)用前景[1]。 近年來，人工智能、機(jī)器人等新興技術(shù)飛速發(fā)展，為在軌服務(wù)機(jī)器人提供了良好的研究基礎(chǔ)[2]。 美國、歐洲、加拿大等國家或地區(qū)均開展了相應(yīng)的在軌服務(wù)機(jī)器人研制項(xiàng)目和發(fā)展計(jì)劃。 在各國的技術(shù)發(fā)展過程中，針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與創(chuàng)新，涌現(xiàn)出許多專利，在核心技術(shù)分布和地域部署上均形成了專利體系化布局。

在全球高新技術(shù)爆炸式發(fā)展、專利申請激增的形勢下，挖掘利用海量專利信息成為掌握技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)、洞察技術(shù)發(fā)展方向和促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的重要方式[3]，但目前尚未用于在軌服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域。 為此，本文基于德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫(Derwent World Patents Index，DWPI)，以空間機(jī)械臂、操作末端、在軌自主操作為關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行全球?qū)＠麢z索，從時(shí)間、地域、技術(shù)、申請人等多角度對(duì)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行剖析，全面了解在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展過程、技術(shù)研究熱點(diǎn)，用以幫助國內(nèi)創(chuàng)新主體了解競爭對(duì)手情況。

2 技術(shù)發(fā)展趨勢分析

截止檢索日(2018 年7 月20 日)，全球公開的在軌服務(wù)機(jī)器人相關(guān)專利申請共1151 項(xiàng)。 對(duì)上述相關(guān)專利利用時(shí)序分析方法，研究專利申請量隨時(shí)間逐年變化情況，結(jié)果如圖1 所示。 可見，在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的專利申請最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代，發(fā)展趨勢可以劃分為萌芽期(1973—1983 年)、發(fā)展期(1984—2007 年)和快速發(fā)展期(2008 年至今)。

圖1 在軌服務(wù)機(jī)器人全球?qū)＠暾堏厔軫ig.1 Globe patent application trends of on-orbit servicing robot technology

2.1 萌芽期

在萌芽期(1973—1983 年)，在軌服務(wù)機(jī)器人的專利申請量較少，年均申請量僅有7 項(xiàng)。 該階段的專利申請主要來自于美國和加拿大，主要涉及航天器模塊更換操作。 例如，1976 年加拿大Spar 公司申請了專利CA1049586A1，涉及航天器模塊更換系統(tǒng)，主要采用可旋轉(zhuǎn)和可移動(dòng)的機(jī)械手對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)航天器之間的模塊交換。 之后，美國通用公司在1978—1984 申請了4 項(xiàng)與在軌模塊更換與裝配相關(guān)的專利申請，專利US4308699 A 公開了一種用于構(gòu)造大型空間結(jié)構(gòu)和自動(dòng)裝配、維護(hù)和修理系統(tǒng)；專利US4298178 A 涉及無人維護(hù)的航天器，用于對(duì)地球靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行損壞模塊更換；專利US4657211 A 用于航天飛機(jī)對(duì)在軌航天器進(jìn)行有效載荷模塊維修或更換，其采用遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星捕獲與固定；專利US4964596 A 用于在航天飛機(jī)軌道上進(jìn)行裝配和維護(hù)工作的空間飛行器，使用遙控臂、對(duì)接耦合裝置、動(dòng)力模塊和通信總線模塊等。

2.2 發(fā)展期

在發(fā)展期(1984—2007 年)，在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的專利申請量開始呈現(xiàn)逐年上升趨勢，年申請量在6～38 項(xiàng)，年均申請量達(dá)到17 項(xiàng)。

在該時(shí)期內(nèi)，美國、德國、加拿大、日本均開展了自主在軌服務(wù)相關(guān)項(xiàng)目。 其中，美國從20 世紀(jì)80 年代開始開展空間在軌服務(wù)項(xiàng)目，包括空間在軌服務(wù)機(jī)器人FTS、DART 計(jì)劃、XSS 計(jì)劃、OE 計(jì)劃等；德國從1986 年開始啟動(dòng)ROTEX 空間在軌服務(wù)機(jī)器人項(xiàng)目，之后相繼開展了ESS 計(jì)劃、ROKVISS 機(jī)械臂項(xiàng)目、TECSAS 項(xiàng)目等；加拿大SPAR 公司[4]相繼研制開發(fā)了航天飛機(jī)遙機(jī)械臂系統(tǒng)(SRMS)、空間站遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)(SSRMS)和靈巧機(jī)械臂(SPDM)；日本在1997 年開展了第一個(gè)空間機(jī)器人臂飛行試驗(yàn)，而且日本宇宙航空研發(fā)機(jī)構(gòu)研制的機(jī)器人ETS-VII 開始為國際空間站服務(wù)；歐空局從1999 年開始實(shí)施ERA項(xiàng)目[5]。

上述國外在軌服務(wù)機(jī)器人研制項(xiàng)目的開展逐步推動(dòng)了該技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量逐步上升，主要涉及空間機(jī)械臂、操作末端和自主在軌模塊更換與裝配技術(shù)。

2.3 快速發(fā)展期

在快速發(fā)展期(2008—2018 年)，在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的專利申請量呈現(xiàn)快速上升趨勢，年專利申請量在32 ～138 項(xiàng)，年均專利申請量達(dá)到了64 項(xiàng)。

在該階段，美國、德國、日本、加拿大和歐空局的相關(guān)項(xiàng)目開始進(jìn)入飛行試驗(yàn)驗(yàn)證階段[6]，并開啟了與空間目標(biāo)近距離檢測、非合作目標(biāo)逼近與抓捕、在軌飛行器維修與在軌重構(gòu)、空間在軌加注等技術(shù)相關(guān)的在軌服務(wù)項(xiàng)目。 隨著這些項(xiàng)目的開展，在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的專利申請快速增多。

該階段的專利申請主要涉及操作末端技術(shù)、空間目標(biāo)捕獲與跟蹤技術(shù)和空間碎片清理技術(shù)等。 另外，該階段的中國專利申請量也開始呈現(xiàn)快速上升趨勢。

3 技術(shù)優(yōu)勢國家或地區(qū)分析

通過各國的專利申請量統(tǒng)計(jì)(圖2)，了解各國家或地區(qū)間的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新特點(diǎn)。

圖2 全球?qū)＠麉^(qū)域分布分析Fig.2 National distribution of globe patents

在軌服務(wù)機(jī)器人的專利申請主要來自于美國、中國、日本和歐洲。

3.1 美國

美國的專利申請量排名第一，共有384 項(xiàng)。美國從20 世紀(jì)80 年代初開始陸續(xù)開展了多個(gè)空間在軌服務(wù)機(jī)器人項(xiàng)目，目前已經(jīng)對(duì)各種類型的在軌服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行了在軌飛行驗(yàn)證[7-8]，其技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)在于廣泛集合了多方的國際合作。 加拿大MDA 公司、加拿大航天局、Astrium 公司和日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)等均參與過美國的在軌服務(wù)機(jī)器人相關(guān)研制項(xiàng)目，并在美國申請了相關(guān)專利，這種國際技術(shù)合作大大促進(jìn)了美國在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，促使其專利申請量和技術(shù)實(shí)力始終處于國際領(lǐng)先地位。

在空間機(jī)械臂技術(shù)領(lǐng)域，美國的專利技術(shù)創(chuàng)新側(cè)重于空間冗余構(gòu)型設(shè)計(jì)和自主操作技術(shù)；在操作末端技術(shù)領(lǐng)域，美國則主要側(cè)重于空間仿人靈巧手和空間目標(biāo)對(duì)接技術(shù)方面的創(chuàng)新與突破；在自主操作技術(shù)領(lǐng)域，美國在自主在軌加注、在軌模塊更換與裝配和空間碎片清理方面的專利申請量均較高。

3.2 中國

中國的專利申請量排名第二，共有381 項(xiàng)。近些年，中國在空間站組建、艙外活動(dòng)與試驗(yàn)、在軌衛(wèi)星維護(hù)方面，對(duì)在軌服務(wù)機(jī)器人的需求日益上升，促進(jìn)了國內(nèi)技術(shù)研發(fā)速度，在機(jī)械臂、操作末端和自主在軌操作技術(shù)方面取得了不少技術(shù)突破，雖然與國外還存在一定技術(shù)差距，但在技術(shù)創(chuàng)新成果數(shù)量上已呈現(xiàn)出較快的發(fā)展勢頭。

中國空間機(jī)械臂的技術(shù)創(chuàng)新側(cè)重于軌跡規(guī)劃和機(jī)械臂冗余構(gòu)型設(shè)計(jì)，并在機(jī)械臂地面測試、驅(qū)動(dòng)和鎖定裝置等方面申請了專利。 在操作末端技術(shù)領(lǐng)域，中國側(cè)重于空間目標(biāo)對(duì)接結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)改進(jìn)。 但是，在自主操作技術(shù)領(lǐng)域，中國相對(duì)美國技術(shù)差距較大，技術(shù)創(chuàng)新主要以高校的總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)為主。

3.3 日本

日本的專利申請量排名第三，共有162 項(xiàng)。日本不僅具有本國的在軌服務(wù)機(jī)器人研制項(xiàng)目，還參與了美國相關(guān)項(xiàng)目的研制。 近些年，基于在軌服務(wù)機(jī)器人的軍民兩用效益，日本在民用技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證的名義下不斷助力其軍事航天能力的發(fā)展。 在自主操作技術(shù)領(lǐng)域，日本以空間碎片清理技術(shù)創(chuàng)新為主，IHI 公司和Sstroscale 公司還參與了NASA 的技術(shù)轉(zhuǎn)移合作研發(fā)項(xiàng)目，技術(shù)方案側(cè)重于魚叉繩系機(jī)器人和電磁吸附抓捕。

3.4 歐洲

歐洲的專利申請量排名第四，共有153 項(xiàng)，主要來自于德國、法國、英國，具體包括德國專利83項(xiàng)、法國專利27 項(xiàng)、英國專利17 項(xiàng)以及26 項(xiàng)歐洲專利局申請。 其中，德國的專利申請主要來自于歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)和德國宇航中心，部分德國高校也參與了相關(guān)項(xiàng)目研制和技術(shù)創(chuàng)新，如德國亞琛工業(yè)大學(xué)、柏林大學(xué)等。

歐洲專利的研究熱點(diǎn)集中在操作末端技術(shù)領(lǐng)域，側(cè)重于操作末端精細(xì)化操作以及空間目標(biāo)對(duì)接方面的技術(shù)改進(jìn)。 另外，在自主操作技術(shù)領(lǐng)域，歐洲專利主要涉及在軌模塊更換與裝配和空間碎片清理技術(shù)的創(chuàng)新，與之有關(guān)的國家研制計(jì)劃包括德國的IBOSS 模塊化航天器研制計(jì)劃[9]、歐洲的E.Deorbit 任務(wù)和“空間碎片清除”演示驗(yàn)證任務(wù)。

另外，加拿大的在軌服務(wù)機(jī)器人研制技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先，但由于其主要?jiǎng)?chuàng)新主體參與了美國和歐洲的空間在軌服務(wù)項(xiàng)目研制，因此部分技術(shù)創(chuàng)新成果優(yōu)先在美國或歐洲申請專利，造成本國申請量相對(duì)較少。

4 技術(shù)創(chuàng)新單位分析

排名前26 位申請人的專利申請量統(tǒng)計(jì)如圖3 所示。

圖3 全球?qū)＠暾埲伺琶鸉ig.3 Ranking of global patent applicants

NASA 在在軌服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請量排名第一，有97 項(xiàng)相關(guān)專利申請，主要涉及空間機(jī)械臂和操作末端技術(shù)。 NASA 作為美國在軌服務(wù)研制計(jì)劃的主要負(fù)責(zé)單位[7-8]，先后發(fā)起了DART 計(jì)劃、機(jī)器人航天員、機(jī)器人燃料加注任務(wù)等項(xiàng)目，并與DARPA 聯(lián)合管理軌道快車項(xiàng)目。另外，NASA 還資助中小企業(yè)參與在軌服務(wù)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃，并在全球申請布局了較多專利。

MDA 公司是加拿大主要的技術(shù)創(chuàng)新主體，專利申請量排名第二，有88 項(xiàng)相關(guān)專利申請。MDA 公司基于其先進(jìn)的空間機(jī)器人技術(shù)，已成為美國空間飛行器自主在軌服務(wù)與維護(hù)項(xiàng)目的主要研制方之一，參與了美國的“軌道快車”計(jì)劃、“鳳凰”計(jì)劃和“蜻蜓”項(xiàng)目，研制了可以在GEO上開展在軌加注任務(wù)的空間基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(SIS)航天器。 從其專利技術(shù)方案分析情況來看，其在2007—2011 年期間申請了28 項(xiàng)自主加注技術(shù)相關(guān)專利，具體涉及衛(wèi)星燃料加注系統(tǒng)、控制工具、推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移等技術(shù)方面，對(duì)中國自主在軌加注、空間目標(biāo)對(duì)接等方面的技術(shù)改進(jìn)具有較大的技術(shù)借鑒價(jià)值。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)作為我國在軌服務(wù)機(jī)器人的主要?jiǎng)?chuàng)新主體，在2008—2017 年共申請了72 項(xiàng)相關(guān)專利。 從我國的十五計(jì)劃(2001—2005 年)開始，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向機(jī)械手在空間維修維護(hù)中的潛在應(yīng)用，開展了靈巧手、機(jī)械臂、柔順控制、人機(jī)協(xié)同及遙操作等前沿方向的創(chuàng)新性研究，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同操作中安全性、靈巧性、交互性等關(guān)鍵技術(shù)的突破。 2016 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的空間機(jī)械手成功完成了天宮二號(hào)人機(jī)協(xié)同在軌維修科學(xué)試驗(yàn)，展示了該校在空間飛行器自主在軌服務(wù)與維護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)先進(jìn)性。 與上述研究團(tuán)隊(duì)的研制情況相對(duì)應(yīng)，本文共檢索獲得了20 多項(xiàng)劉宏教授、劉伊威教授的專利，主要涉及空間大型機(jī)械臂及末端執(zhí)行器、大容差柔性捕獲機(jī)構(gòu)、軌跡規(guī)劃方法、交會(huì)對(duì)接和軌道工作更換器。

歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)是世界上第二大航空航天公司，其在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)專利申請量排名第四，在1980—2012 年申請了57 項(xiàng)相關(guān)專利，這些專利申請大多來自于其控股的Astrium 公司和空中客車公司，主要涉及操作末端和空間碎片清理技術(shù)。

通用公司在軌服務(wù)機(jī)器人的專利主要涉及空間機(jī)械臂技術(shù)和自主操作技術(shù)。 2010 年，通用汽車公司與約翰遜航天中心機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)部聯(lián)合開發(fā)了機(jī)器人航天員2(Robonaut2)，可與人協(xié)同工作，用于代替航天員進(jìn)行艙外作業(yè)以及從事其他太空研究和探索工作。 在NASA 資助合同SAA-AT-07-003 下，NASA 和通用公司在2008—2015 年聯(lián)合申請了42 項(xiàng)與Robonaut2 相關(guān)的專利。

波音公司在1986—2016 年期間申請了43 項(xiàng)相關(guān)專利，主要涉及操作末端和自主在軌操作技術(shù)。 波音公司作為美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)“軌道快車”計(jì)劃的主要承研單位，提供了作為維修衛(wèi)星的“自主空間傳送機(jī)器人軌道器”(Autonomous Space Transport Ro-botic Orbiter，ASTRO)，并進(jìn)行了在軌衛(wèi)星自動(dòng)服務(wù)演示。 在“軌道快車”計(jì)劃中，波音公司在2000—2006 年申請了20 多項(xiàng)相關(guān)專利，主要涉及在軌加注技術(shù)和空間目標(biāo)捕獲與跟蹤技術(shù)中的多衛(wèi)星與服務(wù)飛行器對(duì)接技術(shù)、推進(jìn)劑轉(zhuǎn)移技術(shù)、在軌服務(wù)飛行器系統(tǒng)等。

西北工業(yè)大學(xué)的專利申請量排名第七，有40項(xiàng)相關(guān)專利，主要涉及機(jī)械臂和空間目標(biāo)捕獲與跟蹤技術(shù)。 近些年，西北工業(yè)大學(xué)在自主在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域取得了較多技術(shù)突破，申請了多項(xiàng)空間繩系機(jī)器人相關(guān)專利，可以用于抓捕非合作目標(biāo)或撓性目標(biāo)衛(wèi)星。

三菱公司和東芝公司作為日本的主要?jiǎng)?chuàng)新主體，分別以27 項(xiàng)和24 項(xiàng)的相關(guān)專利申請量排名第九和第十。 同時(shí)，同為日本重要航天研制單位的IHI 公司和Astroscale 公司雖然排名稍顯靠后，但在空間碎片清理技術(shù)方面是日本的主要?jiǎng)?chuàng)新主體。 德國宇航中心作為歐洲的另一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新主體，有12 項(xiàng)相關(guān)專利。

上海宇航系統(tǒng)工程研究所、北京控制工程研究所、北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所和北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部等作為中國航天科技集團(tuán)的研究所，近些年在自主在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域取得了較大技術(shù)突破，共申請了88 項(xiàng)相關(guān)專利。 另外，由于中國航天科研院所研究項(xiàng)目的涉密程度較高，還有部分技術(shù)創(chuàng)新采用了國防專利形式進(jìn)行權(quán)利保護(hù)。

5 國外重點(diǎn)項(xiàng)目專利分析

5.1 第二代機(jī)器人航天員(Robonaut2）

NASA 于1999 年推出了機(jī)器人航天員(Robonaut)，在此基礎(chǔ)上，約翰遜航天中心(JSC)與通用汽車公司合作聯(lián)合研制的第二代機(jī)器人航天員(Robonaut2)，并于2011 年進(jìn)入國際空間站，成為空間類人機(jī)器人發(fā)展的里程碑。 Robonaut2 的研制目的是與人協(xié)同工作，代替航天員進(jìn)行艙外作業(yè)以及從事其他太空研究和探索[10]。

針對(duì)Roubonaut2 的研制，NASA 與通用汽車公司簽訂了資助合同，合同號(hào)為SAA-AT-07-003。在該資助合同下，NASA 和通用汽車公司在2008—2015 年聯(lián)合申請了42 項(xiàng)與第二代機(jī)器人宇航員Robonaut2 相關(guān)的專利，如表1 所示。

Roubonaut2 的相關(guān)專利主要布局在美國、日本和德國。 其中，Roubonaut2 在美國、日本、德國的專利布局起始時(shí)間早且持續(xù)性好，布局專利技術(shù)方案涉及Robonaut2 的所有技術(shù)創(chuàng)新。 另外，Roubonaut2 的部分專利選擇在中國、加拿大和澳大利亞對(duì)進(jìn)行了布局，涉及的技術(shù)主要包括整體結(jié)構(gòu)、任務(wù)規(guī)劃、靈巧操作控制和驅(qū)動(dòng)，這些技術(shù)可以在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移，具有較大的商業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。

表1 第二代航天員相關(guān)專利Table 1 Related patents of Robonaut2

5.2 MDA 公司自主加注服務(wù)航天器

MDA 公司研制的空間基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)(SIS)航天器可以在GEO 上開展在軌加注任務(wù)[11]，可以攜帶推進(jìn)劑箱到達(dá)GEO，并裝備了機(jī)械臂和工具箱來維護(hù)衛(wèi)星，其工具箱可以打開大部分GEP 衛(wèi)星的推進(jìn)劑系統(tǒng)，機(jī)械臂可以固定目標(biāo)衛(wèi)星，便于加注，也可以用于打開故障太陽能電池翼，并能提供廢棄衛(wèi)星離軌服務(wù)。 圍繞上述服務(wù)航天器的研制，MDA 公司申請了一系列專利對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行權(quán)利保護(hù)。 本文篩選了6 項(xiàng)代表MDA 公司自主加注服務(wù)航天器核心技術(shù)的專利，如表2 所示。

表2 MDA 公司自主加注技術(shù)的核心專利Table 2 Core patents of MDA company in autonomous on-orbit refueling

5.3 其他重要項(xiàng)目

美國、加拿大、歐洲和日本的在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，其重點(diǎn)研制項(xiàng)目的專利技術(shù)方案具有較大的分析應(yīng)用價(jià)值。

5.3.1 TALISMAN 機(jī)械臂

在2014 年公布的小行星重定向任務(wù)(Asteroid Redirect Mission，ARM)中，NASA 采用了一種新穎的肌腱-致動(dòng)輕型空間機(jī)械臂(Tendon-Actuated Lightweight In-Space Manipulator，TALISMAN)

系統(tǒng)[12]。 該機(jī)械臂適用于零重力環(huán)境和有重力場環(huán)境，不僅可以用于ARM 任務(wù)中進(jìn)行行星抓取，而且可以用于在空間精確放置有效載荷以及進(jìn)行空間裝配、維修等任務(wù)。 該機(jī)械臂專利US9168659B2，結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的臂架/旋轉(zhuǎn)鉸鏈機(jī)械臂結(jié)構(gòu)相比，使用具有肌腱控制的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的張力/壓縮構(gòu)件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高結(jié)構(gòu)效率，可以實(shí)現(xiàn)長距離高性能有效載荷操作。

5.3.2 SARAH 機(jī)械手

自適應(yīng)機(jī)器人輔助手(Self-Adapting Robotic Hand，SARAH)是專為國際空間站靈巧機(jī)械臂SPDM 開發(fā)的操作機(jī)械手[13]，以支持SPDM 在國際空間站上完成越來越復(fù)雜的靈巧操作。

SARAH 機(jī)械手的核心方案涉及機(jī)械手指、末端驅(qū)動(dòng)與致動(dòng)技術(shù)，加拿大拉瓦爾大學(xué)針對(duì)上述核心技術(shù)申請了專利，具體包括專利US5762390、US6669257 和 US6505870B1。 其 中， 專 利US5762390 公開了SARAH 機(jī)械手指的技術(shù)方案；專利US6669257 公開了SARAH 由SPDM 操作末端驅(qū)動(dòng)時(shí)的電力切換機(jī)構(gòu)方案； 專利US6505870B1 公開了為加拿大航天局CSA 開發(fā)的SARAH 的致動(dòng)系統(tǒng)方案。

5.3.3 “蜻蜓”在軌衛(wèi)星組裝項(xiàng)目

DARPA 資助的“蜻蜓”項(xiàng)目，應(yīng)用目標(biāo)包括軍用和民用，其項(xiàng)目概念在于利用處于“有效貯藏”狀態(tài)的衛(wèi)星進(jìn)行在軌自組裝，關(guān)鍵點(diǎn)為大型射頻天線反射器的安裝與重構(gòu)[6]。 “蜻蜓”在軌衛(wèi)星組裝項(xiàng)目的相關(guān)專利為勞拉空間系統(tǒng)公司在2015 年申請的專利US20160264264A1，主要涉及通信衛(wèi)星發(fā)射配置以及在軌裝配技術(shù)改進(jìn)。

5.3.4 “蜘蛛制造”空間制造系統(tǒng)

2015 年4 月，美國系繩無限公司研制了一種被稱為“蜘蛛制造”的空間制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用蜘蛛狀機(jī)器人在軌進(jìn)行大型空間結(jié)構(gòu)集成，能夠在軌建造大型天線、航天器桁架和太陽電池帆板[6]。 另外，2017 年6 月，美國DARPA 授予繩系無限公司合同，開始研發(fā)“太空制造與裝配機(jī)器人(OrbWeaver)”[7]。 OrbWeaver 是一種太空制造設(shè)備，可以通過增材制造技術(shù)制造天線反射器，并通過機(jī)器人將其同射頻的系統(tǒng)裝配成一個(gè)小型通信衛(wèi)星，旨在通過OrbWeaver 系統(tǒng)，基于太空回收、制造、機(jī)器人裝配技術(shù)，在軌構(gòu)建小型高吞吐量通信衛(wèi)星。

涉及上述兩個(gè)在軌制造項(xiàng)目的核心專利，分別為WO2017123677A1 和US20160067919。 其中，專利WO2017123677A1 公開了在軌制造天線的技術(shù)方案；專利US20160067919 公開了在軌制造桁架結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法，該專利由DARPA 資助，資助合同號(hào)為HR0011-11-C-0107。 上述兩個(gè)專利的發(fā)明人Hoyt Robert 是“蜘蛛制造”空間制造系統(tǒng)的技術(shù)負(fù)責(zé)人。

5.3.5 IBOSS 在軌服務(wù)與組裝項(xiàng)目

2010 年德國宇航局提出了IBOSS 項(xiàng)目(IBOSS building blocks，iBLOCK)，對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)展開研究[14]。

IBOSS 主要采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊(iBLOCK，IBOSS building blocks)、智能空間系統(tǒng)接口(ISSI)，形成可在軌組裝和維修的航天器系統(tǒng)，提高了在軌航天器的可維護(hù)性、可升級(jí)性和可重新裝配性。 該項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì)主要包括柏林工業(yè)大學(xué)航空航天研究所、卡爾斯魯厄計(jì)算機(jī)科學(xué)研究中心、亞琛工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)與輕量化設(shè)計(jì)研究所和RIF 研究與轉(zhuǎn)移研究所。 從專利申請情況來看，僅有亞琛大學(xué)申請了與智能空間系統(tǒng)接口(iSSI)相關(guān)的專利US20170015443A1，公開了一種構(gòu)造模塊化結(jié)構(gòu)航天器的陰陽耦接裝置，用于航天器模塊間的耦接操作。

5.3.6 歐洲空間碎片清理任務(wù)

歐洲近些年啟動(dòng)的空間碎片清理任務(wù)主要包括E.Deorbit 任務(wù)和“空間碎片清除”演示驗(yàn)證任務(wù)[15]。

E.Deorbit 演示驗(yàn)證航天器將在2023 年執(zhí)行首次主動(dòng)碎片清除任務(wù)，該項(xiàng)目正在研究2 種捕獲技術(shù)。 一種技術(shù)是配備夾持器的機(jī)械臂，可抓捕航天器上的附件。 另一種技術(shù)是太空漁網(wǎng)，該裝置將在投放后包裹住空間碎片，一旦空間碎片被勾住或被包裹住，E.Deorbit 航天器將利用自身推進(jìn)器降低空間碎片的軌跡，并使其在大氣層中銷毀。

另外，歐洲的“空間碎片清除”演示驗(yàn)證任務(wù)將使用“太空漁網(wǎng)”、“魚叉”和阻力帆裝置，使2顆試驗(yàn)性立方體衛(wèi)星從高度為400 km 的軌道脫離。

針對(duì)上述2 個(gè)歐洲空間碎片清理任務(wù)，檢索獲得了4 項(xiàng)相關(guān)專利，分別為歐洲防務(wù)集團(tuán)的專利US20150151856A1、EP3015369A1、US9022323B2 和US7168660B2。 其 中，專 利US20150151856A1 和EP3015369A1 是EADS 控股的空客公司申請，主要涉及魚叉空間碎片捕獲或攔截技術(shù)；另2 個(gè)專利US9022323B2 和US7168660B2 主要涉及太空漁網(wǎng)清理空間碎片技術(shù)。

5.3.7 日本空間碎片清除計(jì)劃

日本是最早開展空間碎片清理技術(shù)研究的國家之一，早在1991 年日本就申請了相關(guān)專利，主要涉及用于打撈不再運(yùn)作的失效飛船的空間航天器系統(tǒng)，以保持空間環(huán)境清潔。

從20 世紀(jì)開始，日本針對(duì)空間碎片清理相繼提出了繩系收集和電磁吸附離軌的技術(shù)方案。 例如，日本川崎重工的專利JP03809524B2，涉及用于收集廢棄空間碎片的系繩裝置，其在捕獲機(jī)構(gòu)和系繩機(jī)構(gòu)之間提供動(dòng)力和交換操作信息信號(hào)；而該公司的專利JP04538591B2 則主要采用電子吸附的方式進(jìn)行空間碎片清理。

近些年，日本空間碎片清理的技術(shù)方案開始呈現(xiàn)多種形式共同發(fā)展趨勢，日本IHI 公司提出了一種空間碎片清除裝置，可以在空間碎片旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下在其上安裝減速裝置，從而實(shí)現(xiàn)碎片離軌操作；之后，日本IHI 公司又申請了魚叉插取空間碎片的相關(guān)專利，通過引導(dǎo)構(gòu)件調(diào)整魚叉的射擊角度，近距離調(diào)整角度后發(fā)射魚叉，降低魚叉偏離誤差，避免魚叉彈射或擊碎碎片的問題，從而準(zhǔn)確地捕獲碎片。 上述技術(shù)方案的涉及到的專利包括US9463884B2 和US20170113818A1。

6 小結(jié)

1)將中國未來技術(shù)發(fā)展方向作為專利布局的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域，彌補(bǔ)中國專利布局空白。

隨著中國在軌服務(wù)機(jī)器人研制計(jì)劃的推進(jìn)，針對(duì)空間大負(fù)載傳動(dòng)技術(shù)、靈巧操作工具、空間仿人靈巧手、自主在軌加注的精細(xì)操作和安全控制，具有較大技術(shù)研究需求；從中國專利的技術(shù)分布情況來看，目前中國在上述技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的創(chuàng)新量較低，是未來需要加大自主創(chuàng)新的重要技術(shù)領(lǐng)域。

在中國空間機(jī)器人研制與技術(shù)創(chuàng)新過程中，應(yīng)將空間大負(fù)載傳動(dòng)技術(shù)、靈巧操作工具、空間仿人靈巧手、自主在軌加注的精細(xì)操作和安全控制等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域作為中國專利布局的工作重點(diǎn)，一是加強(qiáng)中國自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的及時(shí)有效保護(hù)，彌補(bǔ)中國專利布局空白點(diǎn)；二是避免國外專利布局對(duì)中國未來核心技術(shù)發(fā)展構(gòu)成壁壘，影響技術(shù)突破方向的選擇。

2)針對(duì)具有技術(shù)轉(zhuǎn)移和國際合作需求的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，在確保國內(nèi)專利布局優(yōu)勢的同時(shí)，積極擴(kuò)展國外專利布局。

基于在軌服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的軍民兩用特性，部分關(guān)鍵技術(shù)具有向民用領(lǐng)域推廣的可行性，具體包括冗余構(gòu)型空間機(jī)械臂技術(shù)、大負(fù)載低自重傳動(dòng)技術(shù)、機(jī)械臂軌跡規(guī)劃技術(shù)、機(jī)械臂遙操作技術(shù)、空間目標(biāo)對(duì)接技術(shù)、自主在軌加注技術(shù)、空間碎片清理技術(shù)等。

在上述關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，中國具有一定的研究基礎(chǔ)和專利布局，但為了適應(yīng)未來技術(shù)轉(zhuǎn)移的市場發(fā)展需求，需要加強(qiáng)國內(nèi)的專利布局全面性，以確保中國技術(shù)單位在這些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的國內(nèi)專利布局優(yōu)勢。 另外，考慮這些技術(shù)開發(fā)的國際技術(shù)合作需求，應(yīng)該在國內(nèi)全面布局基礎(chǔ)上擴(kuò)展國外專利布局，并將歐洲和一帶一路沿線國家等作為優(yōu)先考慮區(qū)域。

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