空間機械臂技術綜述及展望

劉宏，劉冬雨，蔣再男

哈爾濱工業大學 機電工程學院, 哈爾濱 150080

隨著空間裝置的在軌服務需求越來越迫切，空間機械臂已成為世界各航天大國的研究熱點。空間機械臂在航天器的在軌組裝、在軌維修、在軌燃料加注、在軌升級等在軌服務中起到關鍵作用，是航天器在軌服務的核心裝備[1]。國際空間站組裝建造、維修和應用的經驗表明，利用空間機械臂可以在惡劣太空環境下輔助或代替航天員完成在軌操作任務，提高空間操作和應用的安全性和效益。

本文概述了國外空間機械臂的發展情況并分析了發展趨勢，總結了空間機械臂的關鍵技術，重點介紹了中國空間機械臂的發展概況，最后總結了目前空間機械臂技術存在的問題，并對中國空間機械臂的發展提出了建議。

1 國外空間機械臂發展概況

空間機械臂可分為艙內工作和艙外工作兩大類。艙內機械臂通常用于載人航天任務，以替代或輔助航天員完成艙內組裝、試驗、照料或者技術驗證等。艙外機械臂主要用于航天器在軌組裝、在軌維修、支持航天員艙外活動、科學或技術試驗等在軌服務任務，安裝載體包括航天飛機、空間站、衛星等。

自從1981年哥倫比亞號航天飛機上空間機械臂在軌應用以來，國外空間機械臂一方面成功應用在航天飛機的載荷操作、哈勃太空望遠鏡維修、國際空間站建設與維護等工程任務，另一方面已經完成了基于試驗衛星、航天飛機、國際空間站等空間平臺的關鍵技術在軌驗證，主要項目如表1 所示。隨著空間任務的日益復雜以及相關技術的發展推動，空間機械臂技術呈現出以下發展趨勢：

表1 國外主要空間機械臂項目Table 1 Major projects of overseas space manipulators

1) 任務類型由簡單組裝任務向復雜維護任務發展。早期航天飛機機械臂(Shuttle Remote Manipulator System, SRMS)捕獲哈勃太空望遠鏡[2]，國際空間站機械臂(Space Station Remote Manipulator System, SSRMS)進行艙段組裝[3]等相對簡單任務，近期國際空間站特殊用途靈巧操作臂(Special Purpose Dexterous Manipulator, SPDM)完成在軌燃料加注試驗(Robotic Refueling Mission, RRM)[4-5]、機器人航天員(Robonaut2, R2)使用工具完成國際空間站艙內維護試驗驗證[6-9]。

2) 構型配置從單臂工作向多臂操作發展。航天飛機SRMS采用6自由度單臂構型[2]，國際空間站SSRMS采用7自由度冗余單臂構型[10-11]，而國際空間站SPDM與機器人航天員R2采用雙臂構型、國際空間站日本臂(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System, JEMRMS)采用宏微機械臂串聯構型[12]，未來可能會發展多臂構型空間機器人，通過多臂協同運動完成更加復雜的操作。

3) 末端執行器從單一捕獲功能向多任務操作發展。航天飛機SRMS、國際空間站SSRMS、日本的機械臂飛行驗證(Manipulator Flight Demonstration, MFD)機械臂[13]、日本的工程試驗衛星-7 (Engineering Test Satellite VII, ETS-VII)機械臂[14]采用單一捕獲功能的末端執行器實現對目標捕獲，SPDM利用可更換多種工具的末端執行器實現不同末端功能，機器人航天員R2采用通用機器人靈巧手實現直接使用設備工具進行多任務操作。

4) 操作方式從航天員在軌操作向任務專家地面遙操作發展。航天飛機SRMS機械臂、國際空間站SSRMS機械臂早期操作采用航天員在軌操作方式，而國際空間站SPDM操作、德國的空間機器人技術試驗(Space Robot Technology Experiment, ROTEX)[15-16]、國際空間站機器人組件驗證(Robotics Component Verification on ISS, ROKVISS)[17-18]操作、SSRMS機械臂目前絕大部分操作均采用任務專家地面遙操作控制方式，大幅減輕航天員的工作負擔，有利于提高空間探測效益。

2 空間機械臂關鍵技術

通過以上對國外空間機械臂的發展趨勢分析，空間機械臂系統主要涉及任務規劃、系統控制、路徑規劃、視覺感知、末端執行器、遙操作控制及地面試驗驗證7項關鍵技術。

2.1 任務規劃技術

任務規劃技術綜合考慮任務本身的特點、流程和環境等因素，將這些因素作為約束條件，合理規劃出完成任務所需的行為決策和動作序列。主要解決空間機械臂的總體方案、操作流程、程序設計以及控制策略設計等。

空間機械臂有其應用或驗證的明確目標：如實現國際空間站組裝、運營和維護任務，驗證機械臂本體設計、控制策略、遙操作等技術。空間機械臂的任務規劃根據機械臂需要完成的任務需求和約束條件，建立合理的飛行方案。例如，在航天飛機SRMS機械臂實現國際空間站“團結”號與“曙光”號艙段停泊(圖1)任務規劃中，綜合考慮了SRMS反驅功能、航天飛機姿控發動機推力、對接機構捕獲和緩沖功能等多約束因素，涉及到加拿大、美國和俄羅斯同時進行技術綜合和仿真分析，明確SRMS機械臂在不同的任務剖面所需執行操作和功能指標[3,19]。

圖1 SRMS轉移“曙光”號艙段[19]Fig.1 Zarya module being transferred by SRMS[19]

由于國際空間站通用停泊機構能力的限制[20]，加拿大SSRMS機械臂完成了許多國際貨運飛船的懸停捕獲任務，包括對日本貨運飛船(H-II Transfer Vehicle, HTV)、美國龍飛船的懸停捕獲[21-22]，如圖2所示。在這些任務中，機械臂的任務規劃包括對來訪飛行器懸停位置、懸停速度的聯合規劃，機械臂視覺伺服、隨動控制、位置控制切換時機，機械臂跟蹤控制/制動能力與來訪飛行器控制能力匹配性等方案設計與仿真分析。

圖2 SSRMS捕獲日本貨運飛船[21]Fig.2 SSRMS capturing Japanese cargo spacecraft[21]

任務規劃技術是空間機械臂的總體技術，由任務規劃實現機械臂的操作任務，同時確定空間機械臂的功能需求、技術指標要求、任務窗口要求以及對其他配合系統的接口要求。

2.2 系統控制技術

系統控制技術主要包括空間機械臂的精細位置控制、柔順控制、力控制等研究內容。空間機械臂在自由空間載荷轉移通過精細位置控制實現，機械臂與被操作對象的安全接觸操作主要由柔順控制來保證，還有部分任務需要機械臂能夠主動施加力實現與被操作對象的可靠連接。

航天飛機SRMS機械臂、國際空間站SSRMS機械臂采用剛性機械臂的控制技術，通過降低機械臂運動速度和模態分析避免激勵機械臂的柔性振動[23]。日本ETS-VII機械臂開展了柔順控制和力控制的在軌技術驗證，首次利用柔順控制在軌實現在軌可更換單元(Orbital Replaceable Unit, ORU)裝配驗證[24-25]，如圖3所示。

圖3 日本ETS-VII[24]Fig.3 Japan ETS-VII[24]

德國ROKVISS、ROTEX等開展了阻抗控制的在軌技術驗證，如圖4所示，形成了一套可工程化應用的理論體系[26-28]。另外，在ROKVISS的在軌試驗中還研究了關節摩擦、關節剛度、溫度等對機械臂控制的影響[17-18]。

圖4 ROKVISS控制結構[28]Fig.4 Control architecture of ROKVISS[28]

國際空間站日本臂JEMRMS為一個宏-微操作機械臂系統，由主臂、小靈巧臂串聯而成，小靈巧臂安裝在主臂的末端，如圖5[12]所示，用于照料艙外暴露有效載荷。主臂抓住被操作對象后，小臂完成更加靈巧精細的操作任務。其控制上主要考慮了精細操作臂振動的自適應控制，以滿足載荷操作的精度要求[29]。

圖5 日本JEMRMS[12]Fig.5 Japan JEMRMS[12]

針對載荷轉移、載荷安裝等空間作業任務，空間機械臂的系統控制技術需要綜合考慮機械臂關節柔性[30]、關節摩擦[17]、臂桿柔性[23]、機械臂基座特性等對精細位置控制、柔順控制、力控制的影響。

2.3 路徑規劃技術

路徑規劃技術考慮空間機械臂的環境布局、碰撞干涉、機械臂操作對基座反作用力/力矩限制、末端運動軌跡限制等多目標約束，規劃出空間機械臂的安全無碰運動路徑，保證系統任務安全可靠實施。根據載體航天器姿態控制情況，可以將空間機械臂的路徑規劃分為基座受控和自由漂浮2大類。基座受控的空間機械臂路徑規劃可直接利用地面機械臂路徑規劃的相關技術；而基座漂浮的空間機械臂路徑規劃需要綜合考慮載體航天器的飛行任務約束與機械臂末端的任務目標之間的聯系[31]。

為完成航天飛機返航前的隔熱瓦狀態檢查，航天飛機機械臂SRMS與國際空間站姿態控制系統開展了機械臂轉移航天飛機路徑的聯合設計以確保機械臂轉移過程系統姿態可控[3],如圖6所示。ETS-VII機械臂在軌驗證了機械臂運動過程姿態擾動最小路徑規劃方法[32-33]。

圖6 航天飛機軌道器維修機動[3]Fig.6 Shuttle orbiter repair maneuver[3]

由于空間機械臂操作范圍大和操作精度要求高之間的矛盾，還有一類宏-微操作機械臂的路徑規劃技術在空間機械臂路徑規劃研究中也占有重要地位。國際空間站的SPDM安裝在SSRMS末端，降低了SPDM基座剛度，對SPDM的精細位置控制產生了不利影響，需要SPDM在運動過程降低對基座的反作用力以實現自身末端運動軌跡和位置精度。部分學者提出采用增強擾動圖法和零反作用機動思想開展了相關研究[34-38]。

路徑規劃技術有其工程任務背景，比如機械臂捕獲大質量艙段后的運動會對基座飛行器的姿態控制產生不利影響，需要機械臂完成轉移任務的同時降低對基座飛行器的擾動影響。需要關注的是，這些路徑規劃技術的研究對象大多數為冗余自由度機械臂，充分利用機械臂的冗余自由度實現多約束下的路徑規劃。

2.4 視覺感知技術

空間機械臂視覺感知技術利用安裝在末端的手眼相機實現遙操作監控，以及對視場范圍內特定目標進行識別，實時連續計算特定觀測目標與機械臂之間高精度的相對位姿關系，用于機械臂視覺伺服控制或航天員操作判斷。

目前已完成的空間機械臂在軌工程應用與技術試驗驗證采用在操作對象上安裝合作標志器，如圖7所示[39]，視覺系統通過對合作標志器的測量獲得機械臂與操作對象間的相對位置和姿態，引導機械臂完成操作任務。其難點是如何在空間復雜變化光照條件下均能將目標從背景中分離出來以實現正確的圖像分割，以及如何在眾多類似目標的區域中找的真正的目標區域完成目標識別都是空間非合作目標視覺測量，實現復雜光照條件下高魯棒性目標識別與特征。

圖7 空間機械臂的合作標志器[39]Fig.7 Cooperative targets for space manipulator[39]

針對非合作目標視覺測量，基于空間航天器的對接環、發動機噴嘴、太陽能帆板支架、螺栓孔等典型特征，基于全部或部分目標模型約束，研究不同特征組合條件下如何實現高精度位姿求解是空間非合作目標視覺測量要解決的一個關鍵技術。另外，傳感器是視覺測量的硬件基礎，既適應空間環境特點又能滿足機械手操作需求的新型空間傳感器是必須解決的關鍵技術。面向空間機械手操作的視覺感知硬件技術[39]。

目前，遙操作視覺監控和非合作目標視覺測量在理論與技術上相對成熟，模型已知和部分已知的非合作目標視覺測量正處于技術攻關階段，而模型完全未知的非合作目標視覺測量尚處于探索階段。

2.5 末端執行器技術

空間機械臂末端執行器分為專用任務手爪和通用任務手爪兩類。專用任務手爪針對單一操作目標及特定任務，夾持能力強，自由度少，結構簡單。通用手爪，例如仿人型手爪，自由度多，通用性強，具備靈巧操作能力，可以解決面向多物體、通用任務的操作問題。這兩類手爪目前形成空間機械臂的兩個發展方向。

空間機械臂在軌應用以專用任務手爪為主。航天飛機SRMS機械臂和國際空間站SSRMS機械臂的末端執行器原理相近，能夠實現高剛度連接、大容差捕獲、動目標捕獲。SPDM的末端執行器是一個可更換末端工具的專用手爪，通過連接不同操作工具實現不同的末端功能，完成精細靈巧作業，如2014年利用4種不同工具實現了燃料補加試驗RRM[5]，如圖8所示。ETS-VII機械臂是一個專用手爪，僅能完成與合作目標的捕獲連接。機器人航天員R2采用仿人型通用手爪，在國際空間站艙內完成了在軌試驗，主要包括：① 自 由空間任務：頸部運動、表演手語；② 接觸任務：操作任務面板、使用空氣流量計[7]，如圖9所示，其最大的特點是能夠使用航天員的工具完成操作任務。

圖8 燃料補加試驗工具[5]Fig.8 Tools for robotic refueling mission[5]

從目前在軌任務來看，絕大多數空間機械臂采用專用任務手爪以保證任務的可靠性；一些艙內機械臂利用通用仿人型手爪，輔助航天員日常復雜操作，擴大載人航天的效益。

圖9 國際空間站的機器人航天員R2[7]Fig.9 Robonaut R2 in International Space Station[7]

2.6 遙操作控制技術

目前空間機械臂主要通過遙操作控制方式來完成在軌任務，包括航天員在軌遙操作和任務專家地面遙操作兩種方式。位于航天飛機或國際空間站的艙內航天員利用機器人操作臺，可實現對艙外空間機械臂的在軌遙操作，適合于對實時性要求高的任務，缺點是導致航天員工作時間較長、精力消耗較大。比如，國際空間站航天員利用機器人操作臺(圖10所示)，在軌遙操作控制SSRMS對懸浮的貨運飛船HTV4進行捕獲和輔助對接任務[40]。

圖10 SSRMS機器人操作臺[40]Fig.10 Robot work station of SSRMS[40]

在地面遙操作方式下，任務專家通過地面遙操作系統，利用天地通信鏈路，實現對空間機械臂的地面遙操作控制，可用于執行常規例行檢查及大部分工程任務，大幅減輕航天員的工作負擔。SSRMS早期僅能通過國際空間站艙內航天員在軌遙操作控制實現。然而，隨著操作任務復雜度增加以及操作經驗豐富，2005年加拿大航天局首次實現了SSRMS地面遙操作，從自由空間的小范圍機動到不限制運動范圍的聯合關節運動[41]。此后，對于部分常規例行檢查任務，SSRMS主要通過地面遙操作方式實現，減輕航天員工作負擔。地面遙操作控制包括手動控制和自主控制兩種模式[42-43]。在手動控制模式下，地面操作員通過手柄實現對機械臂的控制，然而天地之間信號傳輸時延對安全可靠的手動控制提出巨大挑戰。在自主控制模式下，機械臂接收來自地面仿真驗證后的預編程指令序列，在軌形成遠端的閉合回路，將時延排除在天地控制回路之外，避免了通信時延帶來的影響。

ROKVISS使用專用通訊方式，僅當國際空間站經過德國上空時，才進行遙操作控制，時延小于20 ms，實現了高逼真度的主從力反饋遙操作控制，完成了曲面跟蹤、拉彈簧等試驗[44]，如圖11所示。但是，操作窗口時間不能超過7 min，因此無法完成復雜任務。

圖11 ROKVISS遙操作系統[44]Fig.11 Teleoperation system of ROKVISS[44]

從目前操作方式來看，空間機械臂通常采用在軌遙操作與地面遙操作相結合方式，實際應用時以地面遙操作為主，主要通過預編程指令序列的自主控制模式實現[45]。隨著主從遙操作、力反饋等技術進一步成熟，具有高度臨場感的手動控制模式可用于機械臂的實時主從遙操作，解決空間動態復雜不確定任務作業的操作難題。

2.7 地面試驗驗證技術

受到關節輸出力矩限制，空間機械臂難以在地面重力環境下實現三維空間內的自由運動。因此，如何在地面重力環境下模擬空間機械臂在微重力環境下運動對在軌任務驗證至關重要。通常采用全物理、半物理和全數字相結合方式，綜合實現空間機械臂地面驗證以覆蓋在軌任務。

空間機械臂地面全物理試驗系統主要包括氣浮式、水浮式、飛機拋物線飛行或落塔式和吊絲配重式系統[46]。SRMS采用氣浮式地面試驗系統，主要用于驗證數學模型的正確性，其局限性為只能驗證機械臂在二維平面內的運動特性[47]，如圖12所示。水浮式試驗系統一般用于航天員操作訓練[48]，如圖13所示，由于流體阻力等因素導致機械臂試驗驗證很少采用。飛機拋物線飛行或落塔試驗系統產生微重力的時間較短，國內外機械臂地面試驗極少采用。吊絲配重試驗系統的響應速率需要比機械臂高至少一個量級[49-50]，且易產生安全隱患，目前機械臂地面試驗也基本較少采用。目前較為流行的是采用半物理驗證方法，即機械臂接觸捕獲環節采用物理實物產品、其他機械臂運動特性采用數字仿真，這樣利用計算機實現機械臂三維運動學、動力學驗證的同時，較難仿真的接觸動力學采用物理產品真實驗證，最大程度的綜合了物理驗證和數學驗證的優點[51]。目前SPDM就是采用半物理方法開展地面試驗驗證的[52]，如圖14所示，這也是未來機械臂地面驗證技術發展的趨勢。

圖12 SRMS氣浮試驗平臺[47]Fig.12 Air bearing experimental platform for SRMS[47]

圖13 Ranger中性浮力模擬器[48]Fig.13 Neutral buoyancy simulator for Ranger[48]

圖14 SPDM任務驗證系統[52]Fig.14 Task verification system for SPDM[52]

3 中國空間機械臂發展概況

中國空間機械臂研究相比國外起步較晚，已開展了在軌捕獲、在軌維修等關鍵技術驗證試驗，中國空間站機械臂正處于研制階段。

3.1 試驗七號空間機械臂

哈爾濱工業大學在國家“863”計劃支持下開展了空間機械臂研究，所研制的試驗七號空間機械臂采用6個旋轉關節，分別是旋轉-俯仰-俯仰-旋轉-俯仰-旋轉，樣機如圖15所示[53]。機械臂由6個完全相同的機電集成式空間智能旋轉關節構成，關節集成了力矩傳感器、關節位置傳感器、電機位置傳感器和溫度傳感器。整個機械臂的設計充分體現了模塊化概念，縮短了設計周期，降低了研發成本。機械臂的末端安裝了三指形末端夾持器，能夠完成對合作目標的有效捕獲和精確定位[54-55]。2013年7月20日，中國在太原衛星發射中心用“長征四號丙”運載火箭，成功將試驗七號試驗衛星發射升空，進行了一系列空間機械臂在軌捕獲與操作等空間維護技術科學試驗，獲得了重要的試驗數據[56]，突破了空間機械臂在軌捕獲等關鍵技術。

圖15 試驗7號空間機械臂樣機[53]Fig.15 Space manipulator of SY-7[53]

3.2 天宮二號空間機械臂

從中國載人航天和空間機械臂發展的角度出發，為驗證和評價空間機械臂關鍵技術、為空間機械臂輔助航天員開展在軌維修積累經驗，哈爾濱工業大學等單位開展了天宮二號空間機械臂在軌維修的論證和研制工作[57-58]。

根據在軌維修試驗和技術驗證需求，通過系統任務規劃，天宮二號空間實驗室搭載了機械臂、機械手、手眼相機、控制器、全局相機、模擬維修單機等設備。模擬維修單機提供了機械臂在軌操作的各試驗對象，包括電連接器、多層、螺釘和電動工具的固定裝置。機械臂控制器是機械臂操作終端的信息中樞，接收指令控制機械臂操作終端動作，同時存儲機械臂控制器收集的機械臂、機械手、手眼相機和全局相機等傳感器數據，如圖16所示。

圖16 天宮二號空間機械臂系統Fig.16 Space manipulator system of TG-2

2016年10月至11月，在神舟十一號載人飛船停靠天宮二號空間實驗室的組合體期間，空間實驗室系統成功完成了機械臂操作終端的人機協同在軌維修技術試驗任務，圓滿完成了在軌辨識、招手、抓小球測試試驗，并針對一臺單機的維修任務、成功實現旋擰電連接器、撕多層、旋擰螺釘維修試驗項目，如圖17所示。

圖17 天宮二號空間機械臂試驗Fig.17 Space manipulator experiments of TG-2

通過人機協同在軌維修技術試驗，充分驗證了通過合理的人機協同任務規劃，采用基于視覺測量修正、視覺伺服閉環定位結合機械臂柔順控制的操控策略，控制仿人型靈巧手可完成航天器維修旋擰緊固件、插拔電連接器和撕開多層等主要任務。此外，針對精細操作機械臂關節摩擦與剛度的模型和參數進行了在軌辨識，積累了寶貴的在軌數據。

天宮二號空間機械臂在軌維修試驗作為中國載人航天的空間機械臂在軌服務的首次在軌試驗，其成功實施將為中國后續空間站機械臂的研制和應用積累一定的經驗和在軌數據。

3.3 中國空間站機械臂

中國載人航天工程進入第三階段，將在2022年前后完成中國空間站建造并開始運營，空間站機械臂是中國空間站建造、運營、維修及拓展等任務的關鍵裝備之一[59]。中國空間站機械臂由核心艙機械臂和實驗艙機械臂組成。兩個機械臂可獨立或協同工作，也可組合為一個機械臂，擴大作業范圍。空間機械臂可完成艙段捕獲、轉移、設備安裝、維修、更換、載荷操作、航天員輔助轉移及艙外狀態監視等任務。

核心艙機械臂的任務包括艙段轉移、設備安裝、維修更換、輔助航天員轉移及艙外狀態監視等。核心艙機械臂由艙內部分和艙外部分構成：①艙內部分由機械臂操作臺和空間站為機械臂提供的接口組成,為機械臂提供電源、數據、指令、操作控制的保障; ②艙外部分主要指機械臂本體，包括7個關節、2個末端執行器、2個臂桿、1個中央控制器及1套視覺系統組成。機械臂呈對稱結構，可在空間站艙外表面實現肩、腕互換的位置轉移，即“爬行”[60-61]。

實驗艙機械臂的主要任務包括載荷照料、支持航天員艙外活動(Extra-Vehicular Activity, EVA)及艙外狀態檢查。載荷照料是由機械臂進行載荷的出艙、安裝、照料、拆卸和回收等操作。支持航天員EVA是由機械臂進行航天員的艙外轉移、任務作業等操作。艙外狀態檢查利用機械臂末端的相機對空間站艙體表面進行狀態檢查。

實驗艙機械臂由7個關節、2個末端作用器、2個臂桿、控制器、2套手眼相機、肘部相機等組成，如圖18所示。機械臂采用7自由度對稱構型，兩端各配置1個末端作用器。其中，一個末端作用器用于實驗艙機械臂與實驗艙的連接，作為實驗艙機械臂工作的基座；另一個末端作用器作為手臂抓捕操作的工具，也可實現與核心艙機械臂的對接，以構成更長的組合機械臂。實驗艙機械臂控制器安裝在臂桿上，隨機械臂移動[62]。

關節是實驗艙機械臂的核心功能部件，主要由諧波減速器、電機及驅動組件、關節端力矩傳感器、關節輸出端位置傳感器、關節制動器及關節控制器等組成。關節除了實現機械臂運動所需的力矩、速度、精度、工作范圍等主要技術指標外，還需具備:① 標準通用可在軌更換的機電接口，實現關節與關節、關節與臂桿、關節與末端作用器之間的機電連接，構成整個機械臂系統；② 控制和驅動關節電機，按照中央控制器的指令實現位姿精度移動末端作用器至指定的位姿；③ 采集關節的參數信息，反饋至中央控制器閉環控制和下行地面；④ 對關節實施主動溫度控制；⑤ 具備航天員手動驅動能力；⑥ 支持關節模塊在軌更換維修；⑦ 實現機械臂系統內部電源、通信、圖像的電纜傳輸。

末端作用器實現實驗艙機械臂的捕獲操作功能。實驗艙機械臂末端作用器采用三爪式捕獲鎖緊機構，在圓周上均布3個捕獲手指、3個鎖緊手指以及與臂桿的連接接口。末端作用器的外殼上安裝手眼相機、航天員腳限位器接口。末端作用器處理滿足位姿容差、預緊、抓取等主要功能要求外，還具備：① 標準通用可在軌更換的機電接口實現與關節的機電連接構成整個機械臂；② 控制和驅動電機，按照中央控制器指令實現對目標的捕獲操作；③ 實現末端作用器與捕獲接口之間的剛性連接，提供整臂足夠的連接剛度；④ 采集末端作用器的參數信息，反饋至中央控制器閉環控制和下行地面；⑤ 對末端作用器實施主動溫度控制；⑥ 具備航天員手動驅動能力；⑦ 支持末端作用器模塊在軌更換維修；⑧ 實現機械臂系統內部電源、通信、圖像的電纜傳輸。

控制器是實驗艙機械臂系統的控制和信息的中樞，由處理器模塊、容錯模塊、電源管理模塊、總線模塊組成，主要實現實驗艙機械臂控制、信息和電源管理功能，主要負責實驗艙機械臂的路徑規劃、整臂控制、碰撞檢測，并能夠實現與空間站平臺或者核心艙機械臂的通信。

實驗艙機械臂可通過地面操作和在軌操作進行操作。① 地面操作：地面通過指令控制機械臂按預先設定動作執行操作任務，地面根據遙測和航天員的反饋確認在軌試驗狀態，稱之為自主操作模式。另外，地面還可以對機械臂進行手動遙操作。在高度逼真的三維可視化場景及下行圖像和遙測數據輔助下，利用在線模型修正與預測仿真技術對機械臂狀態進行預測，消除或減輕通訊時延對操作的影響。② 在軌操作：航天員通過艙內操作平臺對機械臂進行在軌操作。機械臂的運動指令通過機械臂專用總線轉發至實驗艙機械臂中央控制器，由中央控制器發送至關節控制器、末端控制器等終端設備執行。實驗艙機械臂的中央控制器負責收集機械臂內遙測數據，并發送至在軌操作平臺供航天員觀察。

4 問題與建議

通過對國內外空間機械臂發展現狀及關鍵技術分析，目前空間機械臂技術存在以下問題：

1) 空間機械臂的柔性環節影響高性能運動控制。空間機械臂通常采用的諧波傳動、關節力矩傳感器、長臂桿給系統引入了柔性環節，屬于典型的剛柔耦合非線性系統，整個系統的控制特性與動力學特性之間存在復雜的相互耦合關系，對其高性能運動控制提出了挑戰。因此，如何深入分析柔性環節影響，設計行之有效的控制器，減小機械臂在操作過程中產生的振動，實現高性能的運動控制，是需要解決的難題。目前，航天飛機SRMS機械臂、國際空間站SSRMS通過降低機械臂運動速度和模態分析避免激勵機械臂的柔性振動，尚需要進一步研究其柔性行為特征，從而提高空間機械臂的控制性能。

2) 空間機械臂在軌工作環境地面不能準確模擬。機械臂氣浮式地面二維平面全物理驗證和局部硬件在環半物理驗證的建設成本高、驗證周期長，而且難以準確模擬空間機械臂在軌工作的微重力、復雜光照等環境。因此，在軌任務應用的機械臂模型和控制參數仍需要根據實際在軌條件進行調整。特別是針對一些精細操作任務，機械臂的關節摩擦特性、機械臂載體特性受天地重力差異影響較大，將進一步影響機械臂的系統性能，從而影響機械臂操作任務的可靠性。

3) 空間機械臂非合作目標識別與測量、非合作目標捕獲等技術尚未開展技術驗證和工程化應用。目前國內外空間機械臂絕大多數采用合作靶標、合作捕獲接口實現被操作對象的識別、相對位姿測量和目標捕獲。這些特殊設計要求增加了空間飛行器在軌可維護設計的資源開銷、限制了空間機械臂在軌維護操作的應用范圍。因此，開展非合作目標識別與測量、非合作目標捕獲等技術的在軌驗證，對空間機械臂在軌服務技術實現更加廣泛的工程應用具有重要意義。

針對中國空間機械臂的發展現狀，對中國未來空間機械臂發展提出以下建議：

1) 開展空間機械臂柔性行為控制的基礎科學問題研究。未來空間機械臂任務將面臨操作空間范圍更大、末端負載質量特性更大、精度要求更高的特點，這導致機械臂的柔性更為明顯，這些因素將對機械臂的精細控制帶來更大的挑戰。如何規劃最優的運動軌跡、尋找優化的控制策略實現空間機械臂的穩態精度高、動態精度好、對基座的擾動力矩小等目標，需要進一步研究。

2) 開展空間機械臂天地差異條件下的性能影響分析與控制技術研究。基于在軌/地面試驗數據，開展空間機械臂在天地環境差異條件下的性能影響分析，掌握空間機械臂關鍵指標如末端精度、柔順特性等天地差異，進而提出相應的控制策略。相關分析成果和控制技術有助于后續空間機械臂的在軌應用和地面試驗分析。

3) 開展機械臂在軌服務技術與航天器在軌可維護設計技術的交叉研究。機械臂在軌服務技術和航天器在軌可維護設計是實現航天器在軌自主維護的兩個重要方面，兩者技術的發展相輔相成。中國現有的航天器考慮可維護設計較少，考慮接受機械臂維護的設計則更少，從長遠來看非但不能享受在軌維護技術的先進成果，反而限制了該技術的發展。因此，機械臂在軌維護技術與航天器可維護設計技術需要交叉進行研究，提升中國航天器可維護能力和維護水平，降低在軌服務的難度、費用和風險。

4) 開展基于中國空間站平臺的空間機械臂技術在軌試驗項目規劃。國外絕大多數空間機械臂技術都在國際空間站或航天飛機上開展，如早期的ROTEX、ROKVISS，近期的機器人航天員R2和SPDM的RRM，取得了大量的研究成果和在軌試驗數據。中國空間站目前處于研制階段，有必要適時、合理地規劃基于中國空間站平臺的空間機械臂技術在軌試驗項目，進一步促進中國空間機械臂技術的發展。