摘要：据悉，加拿大卡尔顿大学机械与航空航天工程系的科研人员报道了用于自组装航天器及空间机器人的3D打印模块研究进展。相关论文以“3D printing modules for self-assembling space systems”为题发表在《Progress

长三角G60激光联盟导读

据悉，加拿大卡尔顿大学机械与航空航天工程系的科研人员报道了用于自组装航天器及空间机器人的3D打印模块研究进展。相关论文以“3D printing modules for self-assembling space systems”为题发表在《Progress in Aerospace Sciences》上。

本文综述了用于自组装航天器及空间机器人的3D打印模块（结构、执行器、电子元件、传感器），重点关注作为机电组件三大核心之一的电机技术。自组装技术是实现大型空间结构自主构建的关键，而3D打印可与自组装协同，实现从原材料到航天器或栖息地模块的自动化制造。其中一项应用是利用轨道空间碎片作为原位资源——将报废航天器回收并转化为按需建造的原材料。所有自组装模块均包含内部执行器结构及外部可逆闭锁机构。我们已成功演示了除线圈外全3D打印的双励磁直流电机，并将其作为驱动关节集成于两个3D打印的TRIGON型面板之间，构成TRIGON（可变形机器人基础设施生成网络）自组装/自展开结构概念。该3D打印电机驱动展开系统表明，3D打印技术可同时应用于机器人自组装机器的结构与执行部件，这对模块化卫星自组装系统作为空间碎片解决方案具有重要启示。

关键词：增材制造；3D打印电机；自组装；可重构机器人；扁平封装空间结构；空间碎片资源

图1.航天器碎片处理逻辑图，展示拆解路径与外壳再加工路径

图2.（左）1 m²菲涅尔透镜太阳能聚光器（可达~800℃）；（右）在简易太阳能罩下熔化铝屑

图3.NASA多任务模块化航天器（MMS）[来源：NASA]

图4. iBOSS航天器模块（iBLOCKS）

图5.（左）配置iBLOCKS的机械臂与iSSI接口演示（2015）；（右）配备相同关节与iSSI对接接口的HOMER机械臂

图6.（a）iSSI接口初始位；（b）iSSI接口就绪位；（c）iSSI接口耦合构型；（d）带形状适配板的iSSI接口 [来源：iBOSS]

图7.被动与主动HOTDOCK接口 [来源：ESA]

图8.3D打印镍钛合金旋转执行器原型：（A）凸轮部件；（B）完整装配体

图9.镍钛合金旋转执行器原型：（A）凸轮；（B）完整装配体

图10.采用3D打印定子与转子电磁体的直流电机及其尺寸

图11.（A）带齿轮系统的3D打印TRIGON面板；（B）含3D打印电机的完整装配体

本文综述了模块化空间与机器人自组装系统的关键要素——强健的执行机构是所有模块的核心。MOSAR与iBOSS是目前最成熟的系统，但航天器模块化仍滞后于机器人模块化，主要因体积适配的挑战。从可展开结构到面板模块的跨越更为可行。科研人员通过将自研（3D打印）电机集成至自展开结构中进行了部分验证，基于TRIGON面板与3D打印电机证明了自组装/自展开机器人机器的基本可行性。尽管仍需重大突破，但3D打印与自组装的结合为建立轨道工业以解决空间碎片问题提供了强大途径。

配备微推进器或反作用轮的模块自推进能力可实现初始构型后的形态重构，但受推进剂容量限制。更实用的方案是采用模块化机械臂重组航天器模块。太空重构期间，多体系统可能处于自由飞行或漂浮状态，惯性矩变化将引发动力学效应。模块间机械接口决定其结合强度、相对定位及可行构型模式。自组装机器人航天器的局限在于：（a）模块间结合强度；（b）关节电机扭矩；（c）操作灵活性，这些因素限制了串联构型的最大模块数。3D打印电机为轨道制造任务定制化可重构模块电机提供了可能，增强了可重构机器人在太空的适用性。

科研团队认为，3D打印执行器是制造集成传感器、执行器与电子器件的机电模块的重要进展，这些要素是所有模块的基础。在太空制造设施中利用原材料生产此类航天器模块，将推动按需原位制造能力的发展，成为强健太空基础设施的组成部分。

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟