空間機械臂技術(shù)發(fā)展綜述

劉 宏，蔣再男，劉業(yè)超

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱150080)

空間機械臂技術(shù)發(fā)展綜述

劉 宏，蔣再男，劉業(yè)超

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱150080)

介紹了國外載人航天中的航天飛機、國際空間站上的典型空間機械臂系統(tǒng)，概述了用于我國空間站建造和維護任務(wù)的空間站機械臂系統(tǒng)，詳述了其中核心艙機械臂和實驗艙機械臂的任務(wù)要求和基本方案，重點闡述了實驗艙機械臂的關(guān)節(jié)、末端作用器、控制器以及遙操作子系統(tǒng)的方案、組成和主要功能，并對我國未來空間機械臂技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

空間機械臂；在軌建造；在軌維護

1 引言

空間機械臂具有一體化的空間感知、機動和操作能力，通過在軌操作、地面遙操作或自主操作方式完成航天器的在軌裝配、污染清理、觀測與檢查、故障模塊更換、在軌加注、消耗載荷更換和補充、軌道清理、軌道轉(zhuǎn)移等工作[1]，是航天器在軌組裝與維護的核心裝備。

國際空間站的搭建和維護經(jīng)驗告訴我們，利用空間機械臂輔助航天員完成空間搭建和載荷維護等任務(wù)，大大減輕了航天員出艙風(fēng)險，減輕了航天員的工作壓力，提高了空間探索活動的效率[2-5]。

加拿大、日本、歐洲、美國等較早開展了空間機械臂的研究工作，并基于航天飛機、國際空間站等平臺開展了大量的在軌試驗和工程應(yīng)用，積累了豐富的技術(shù)能力和應(yīng)用經(jīng)驗。我國目前已完成了針對合作目標(biāo)的空間機械臂在軌演示驗證，正開展針對我國空間站的機械臂研制。

本文對載人航天中有人參與的空間機械臂進行了綜述，分別介紹了國際空間站ISS(International Space Station)的加拿大移動服務(wù)系統(tǒng)MSS(Mobile Serving System)、日本實驗艙遠程機械臂JEMRMS(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System)、歐空局機械臂ERA (European Robotic Arm)以及美國的機器人宇航員R2。針對我國空間站的建設(shè)與維護任務(wù)需求，介紹了空間站機械臂系統(tǒng)研制的基本情況，最后對我國空間機械臂技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

2 加拿大空間機械臂概況

2.1 加拿大SRMS機械臂

加拿大航天飛機遠程機械臂SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)是人類歷史上第一套空間機械臂，安裝在航天飛機上，主要用來部署和回收固定和自由的有效載荷，轉(zhuǎn)移和支持航天員艙外作業(yè)，衛(wèi)星維修、國際空間站建造以及國際空間站在軌操作的觀測輔助任務(wù)[6-8]，如圖1所示。加拿大臂長約15 m，具有6個自由度，肘部和腕部安裝了相機，重約410.5 kg。肘部相機可為隔壁艙、操作臂以及有效載荷提供可視畫面，腕部相機可以協(xié)助末端執(zhí)行器和捕獲機構(gòu)的操作。SRMS采用航天員在軌操作方式進行控制，航天飛機內(nèi)的航天員通過艙內(nèi)機器人工作站操作SRMS，操作模式包括自動模式、手動增強模式、單關(guān)節(jié)驅(qū)動模式、直接驅(qū)動模式以及備份驅(qū)動模式。

圖1 加拿大SRM S系統(tǒng)Fig·1 Canadian SRMS system

2.2 加拿大MSS機械臂

加拿大的移動服務(wù)系統(tǒng)MSS用于國際空間站的搭建和維修等任務(wù)，主要由活動基座系統(tǒng)(Mobile Base System，MBS)、空間站遙控機械臂系統(tǒng)(Space Station Remote Manipulator System， SSRMS)以及專用靈巧機械臂(Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM)組成[10-12]?？臻g站遠程操作臂系統(tǒng)SSRMS是由6自由度航天飛機遠程機械臂SRMS演變而來的7自由度機械臂系統(tǒng)，長17.6 m，最大載荷質(zhì)量高達110 000 kg，操作靈活性大為提高，如圖2所示[13]。機械臂的桿件和關(guān)節(jié)柔性振動制約了操作效率和末端定位精度，仍需要進一步優(yōu)化控制。特殊用途靈巧操作器SPDM是一個雙臂機器人系統(tǒng)，可安裝在空間站遙控機械臂系統(tǒng)SSRMS的末端，長度約為3.5 m，載荷質(zhì)量為600 kg，能夠?qū)崿F(xiàn)對載荷的靈巧操作，完成一些可維修航天器的服務(wù)任務(wù)，如模塊更換、燃料加注等[14-16]，如圖2(c)。航天員根據(jù)反饋的實時視頻圖像，通過機器人操作臺RWS(Robot Work Station)操作面板、手柄等設(shè)備實現(xiàn)對MSS的操作控制，如圖2(d)。近年來，對于部分常規(guī)例行檢查任務(wù)，MSS主要通過地面遙操作的方式進行控制，減輕航天員工作負擔(dān)[17]。MSS的操作對象上安裝了視覺靶標(biāo)，屬于合作目標(biāo)操作。

圖2 加拿大MSS系統(tǒng)Fig·2 Canadian MSS system

3 日本JEMRMS機械臂概述

日本航天局JAXA(原來的NASDA)研制的日本實驗艙遠程機械臂JEMRMS由主臂MA (Main Arm)和小精細臂SFA(Small Fine Arm)串聯(lián)組成，安裝在國際空間站日本實驗艙段[18-19]，用于支持和操作在暴露設(shè)施與實驗后勤艙暴露部分上進行的實驗，還可以支持空間站相應(yīng)區(qū)域的維護任務(wù)，以減輕航天員艙外活動的工作負擔(dān)，如圖3所示。主臂長約10 m，具有六個自由度，最大載荷質(zhì)量可達7 000 kg；小精細臂長約2.2 m，具有六個自由度，柔順控制模式下最大載荷質(zhì)量可達80 kg，由主臂操作或者定位，完成一些精細或柔順作業(yè)。航天員根據(jù)反饋的實時視頻圖像，通過艙內(nèi)操作臺相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)對JEMRMS的操作控制，如圖3(b)。此外，近年來JEMRMS也可以通過地面遙操作的方式進行控制[20-21]。JEMRMS操作對象也屬于合作目標(biāo)。

圖3 日本JEMRMS系統(tǒng)Fig·3 Japanese JEMRMS system

4 歐洲ERA機械臂概述

荷蘭空間中心研制的歐洲機械臂ERA，將用來對國際空間站俄羅斯艙段進行裝配、維護，并可以利用機械臂末端的紅外相機對艙段進行檢查[22-24]，如圖4所示。ERA機械臂是一個可重定位、完全對稱的7關(guān)節(jié)機械臂，長約11 m，最大載荷質(zhì)量可達8 000 kg。

ERA系統(tǒng)包括一個可重定位的7自由度機械臂、艙內(nèi)人機交互設(shè)備IMMI，艙外人機交互設(shè)備EMMI、中央控制計算機CPC、支撐設(shè)施以及工具庫。此外，地面部分包括任務(wù)準(zhǔn)備和訓(xùn)練設(shè)備MPTE用來實現(xiàn)對ERA任務(wù)的設(shè)計、訓(xùn)練、在線操作支持以及評估。航天員在空間站艙內(nèi)通過IVA-MMI(Intra Vehicular Activity-Man Machine Interface)或艙外通過EVA-MMI(Extra Vehicular Activity-Man Machine Interface)對ERA進行操作，如圖4(b)。

圖4 歐空局ERAFig·4 ESA ERA

5 美國機器人航天員R2

NASA與通用汽車公司聯(lián)合開發(fā)了面向空間應(yīng)用的類人型雙臂機器人航天員系統(tǒng)R2(Robonaut2)[25]。R2是目前智能化程度最高的空間機器人系統(tǒng)，上肢具有42個自由度，頸部具有3個自由度，R2擁有兩個對稱的7自由度機械臂，機械臂末端安裝了仿人靈巧手，每只手有5個手指，共有12個自由度，具有強大的環(huán)境感知和靈巧操作能力[26-29]，如圖5(a)。為了能夠給R2提供必要的機動能力，NASA目前已安裝2個7自由度的仿人型下肢。

圖5 美國R2系統(tǒng)Fig·5 NASA R2 system

R2自2011年2月被運送至國際空間站以來，已經(jīng)完成了一系列任務(wù)，驗證了其在微重力條件下的功能[30]：1)首次測試時，R2用符號語言向世界人民問好；2)第一個在太空中與航天員(國際空間站指揮官丹·伯班克)握手的人形機器人；3)展示出按按鈕、掰開關(guān)和旋轉(zhuǎn)旋鈕的能力，如圖5(b)；4)使用兩種航天員的工具開展工作——空氣流量計和RFID存儲物資掃描儀；5)另一個重要的試驗是，航天員利用跟蹤器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備臨場感遙操作R2機器人捕獲了一個在空間站美國實驗艙內(nèi)自由漂浮的物體，如圖5 (c)。R2具有通用型仿人手，可以實現(xiàn)非合作目標(biāo)的操作。

6 中國空間站機械臂

6.1 空間站機械臂系統(tǒng)

中國針對空間站的搭建和維護任務(wù)，開始了中國空間站遠程機械臂系統(tǒng)CSSRMS(Chinese Space Station Remote Manipulator System)研制[31]。CSSRMS由核心艙機械臂CMM(Core Module Manipulator)和實驗艙機械臂EMM(Experimental Module Manipulator)組成(如圖6所示)。

圖6 中國空間站機械臂系統(tǒng)Fig·6 Manipulator system of Chinese space station

CMM和EMM長度分別約為10 m和5 m，最大載荷分別為25 000 kg和3 000 kg，均具有7個自由度。CMM和EMM可以獨立工作，也可以協(xié)同工作，共同完成我國空間站的維修維護任務(wù)。CSSRMS的操作對象一般為合作目標(biāo)。

6.2 核心艙機械臂

6.2.1 任務(wù)要求

核心艙機械臂主要用來完成重型艙段、載荷的搬運，以及大范圍轉(zhuǎn)移等任務(wù)，主要任務(wù)包括空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對接、懸停飛行器捕獲與輔助對接、支持航天員EVA等[32]。

1)空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對接：空間站三艙基本構(gòu)型采用對接和轉(zhuǎn)位的方式完成建造，實驗艙先對接于核心艙節(jié)點艙的軸向端口，然后通過機械臂實現(xiàn)艙段分離、轉(zhuǎn)位、再對接操作，對接于節(jié)點艙側(cè)面。

2)懸停飛行器捕獲與輔助對接：采用機械臂實現(xiàn)來訪飛行器捕獲，并將其轉(zhuǎn)移至空間站停泊口或?qū)涌谔?，完成來訪飛行器與空間站對接。

3)支持航天員出艙活動：航天員通過腳限位器可以將自己固定于機械臂末端，在機械臂的支持下，進行大范圍轉(zhuǎn)移完成既定任務(wù)。

6.2.2 基本方案

核心艙機械臂由以下部分組成[32]：

1)艙內(nèi)部分

艙內(nèi)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(shù)據(jù)、指令、操作控制的保障。

2)艙外部分

鎖緊釋放機構(gòu)，用以完成機械臂發(fā)射或軌道機動階段的鎖緊和入軌或姿態(tài)穩(wěn)定后的解鎖釋放。

機械臂本體由7個關(guān)節(jié)、2個末端執(zhí)行器、2個臂桿、1個中央控制器以及1套視覺相機系統(tǒng)組成。關(guān)節(jié)的配置采用“肩3+肘1+腕3”方案，即肩部依次設(shè)置肩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩偏航關(guān)節(jié)和肩俯仰關(guān)節(jié)，肘部設(shè)置肘俯仰關(guān)節(jié)，腕部依次設(shè)置腕俯仰關(guān)節(jié)、腕偏航關(guān)節(jié)和腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這種對稱的結(jié)構(gòu)可在空間站艙體表面實現(xiàn)肩、腕互換的位置轉(zhuǎn)移，即“爬行”。

關(guān)節(jié)是機械臂的核心部分，是機械臂實現(xiàn)各種運動的直接執(zhí)行部件。末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)適配器的捕獲、鎖緊和釋放，是完成抓握目標(biāo)的主要工具。核心艙機械臂配備3臺視覺相機，肩部、肘部、腕部各1臺，肩部和腕部相機可對目標(biāo)實現(xiàn)識別和位姿測量功能，肘部相機具有視頻監(jiān)視功能。臂桿是機械臂的結(jié)構(gòu)部分，用來連接與支撐關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器、中央控制器等部件。中央控制器是機械臂控制核心，依據(jù)在軌路徑規(guī)劃與算法或地面注入運動規(guī)劃實現(xiàn)指定運動；它還集成了以太網(wǎng)絡(luò)交換機，能夠?qū)σ曈X相機的視頻信號進行集中管理。目標(biāo)適配器是末端執(zhí)行器抓取的目標(biāo)，布置在空間站艙體表面用于“爬行”，或布置在目標(biāo)物體上用于抓取物體。

3)遙操作平臺

地面系統(tǒng)主要由遙操作平臺組成，實現(xiàn)天、地通信，用于機械臂在軌任務(wù)的地面規(guī)劃以及運動控制，同時具有機械臂故障檢測與在軌診斷的能力。

6.3 實驗艙機械臂

6.3.1 任務(wù)要求

實驗艙機械臂的主要任務(wù)包括暴露實驗平臺實驗載荷照料、光學(xué)平臺照料、支持航天員EVA以及載荷搬運等。

1)暴露實驗平臺實驗載荷照料：(1)有源暴露載荷的操作，如出艙、安裝、照料、拆卸和回收等；(2)無源暴露載荷的安裝、更換和回收等；(3)試驗載荷搬運、安裝及拆卸。

2)空間站光學(xué)平臺照料：(1)光學(xué)平臺控制模塊定期更換和故障維修，貨運飛船上行控制模塊備件由機械臂從貨艙中取出，搬運至實驗艙II光學(xué)平臺，更換后的控制模塊廢件由機械臂送入貨運飛船中存儲；(2)光學(xué)平臺遮光罩的維護，需航天員參與，在機械臂的支持下完成維護任務(wù)；(3)光學(xué)平臺開口處艙體橫梁的移除，為了增大光學(xué)相機的視場范圍，將實驗艙II艙體橫梁結(jié)構(gòu)移除，避免光學(xué)平臺視場遮擋。

3)實驗艙機械臂支持航天員EVA：(1)實驗艙太陽翼及驅(qū)動機構(gòu)維修維護；(2)機械臂關(guān)節(jié)及末端作用器維修更換；(3)艙門和舷窗的維修。

4)艙外狀態(tài)檢查：(1)實驗艙艙體狀態(tài)檢查；(2)實驗艙太陽翼及驅(qū)動機構(gòu)維修維護；(3)配合核心艙機械臂完成空間站大范圍檢查。

5)艙外載荷與設(shè)備的搬運、安裝、維護和更換：(1)大體積暴露實驗載荷；(2)太陽翼的搬運和維護；(3)桁架結(jié)構(gòu)的搬運和安裝。

6.3.2 基本方案

實驗艙機械臂系統(tǒng)包括實驗艙機械臂、艙內(nèi)操作設(shè)備及地面遙操作設(shè)備，其中艙內(nèi)操作設(shè)備及地面遙操作設(shè)備與核心艙機械臂共用，艙內(nèi)操作設(shè)備置于核心艙內(nèi)。實驗艙機械臂由7個關(guān)節(jié)、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7所示。機械臂采用7自由度對稱構(gòu)型，兩端各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(xiàn)與核心艙機械臂的對接，以構(gòu)成更長的串聯(lián)機械臂。實驗艙機械臂控制器安裝在臂桿上，隨機械臂移動。

圖7 實驗艙機械臂組成Fig·7 Configuration of EMM

6.3.3 關(guān)節(jié)子系統(tǒng)

關(guān)節(jié)是空間機械臂運動的核心部件，關(guān)節(jié)主要由諧波減速器、電機組件、關(guān)節(jié)力矩傳感器、關(guān)節(jié)輸出位置傳感器、關(guān)節(jié)限位機構(gòu)、電氣控制箱、熱控元件等組成，如圖8所示。

圖8 關(guān)節(jié)組成Fig·8 Configuration of joint

關(guān)節(jié)除了要滿足輸出力矩、速度、工作范圍、精度、壽命等主要技術(shù)指標(biāo)外，還具有如下功能：

1)通過標(biāo)準(zhǔn)、通用、可在軌更換的機電接口界面，實現(xiàn)關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)與臂桿、關(guān)節(jié)與末端作用器的機電連接，構(gòu)成整個機械臂；

2)控制和驅(qū)動電機，按照所要求的位姿精度移動末端操作器到指定的位姿；

3)采集關(guān)節(jié)信息，以應(yīng)答或定期發(fā)送的方式傳給小臂控制器；

4)采集溫度敏感器信號，實現(xiàn)對關(guān)節(jié)的主動熱控；

5)完成電氣自檢、程序自檢、關(guān)節(jié)運動測試；

6)具備航天員手動驅(qū)動能力、航天員扶手；

7)支持關(guān)節(jié)模塊在軌更換操作；

8)具有發(fā)射鎖緊機械接口；

9)實現(xiàn)機械臂系統(tǒng)內(nèi)電源、通訊、圖像等電氣連線傳輸。

6.3.4 末端作用器子系統(tǒng)

末端作用器是機械臂捕獲操作的裝置。實驗艙機械臂的末端作用器采用三爪式捕獲鎖緊機構(gòu)，有三個在圓周上均勻分布的捕獲手指、三套鎖緊手指以及與實驗艙機械臂連接的接口[33-34]。末端作用器采用一個帶有三根捕獲手指和三套鎖緊手指的結(jié)構(gòu)，外殼和頂蓋板裝配在一起，形成整個作用器的支撐結(jié)構(gòu)。外殼上安裝有手柄、手眼相機、航天員腳限制器接口，還留有一個鎖緊接口。頂蓋板上安裝有阻尼器、電連接器和微動開關(guān)，分別與捕獲接口底板嚙合面上的對應(yīng)部分相匹配。除支撐結(jié)構(gòu)外，末端作用器還包括捕獲機構(gòu)、鎖緊機構(gòu)、定位機構(gòu)、動力輸出機構(gòu)、EVA驅(qū)動軸、EVA手柄、小臂連接接口以及電氣系統(tǒng)等，如圖9所示。

圖9 末端作用器組成Fig·9 Configuration of end effector

末端作用器除了滿足位姿容差、預(yù)緊力、抓取時間等主要技術(shù)要求外，還具備如下功能：

1)通過標(biāo)準(zhǔn)、通用、可在軌更換的機電接口界面，實現(xiàn)與末端關(guān)節(jié)腕力傳感器機電連接[35]，構(gòu)成整個機械臂；

2)控制和驅(qū)動電機，按照所要求的位姿實現(xiàn)末端操作器對目標(biāo)的捕獲操作；

3)末端作用器與捕獲接口之間能夠?qū)崿F(xiàn)剛性連接，以便為機械臂提供足夠高的剛度和強度，實現(xiàn)其基點功能；

4)末端作用器具有動力輸出功能，以對空間任務(wù)單元執(zhí)行動力驅(qū)動工作；

5)收集末端作用器信息，以應(yīng)答或定期發(fā)送的方式傳給機械臂控制器；

6)采集溫度敏感器信號，實現(xiàn)對末端作用器的主動熱控；

7)完成電氣自檢、程序自檢、末端作用器運動測試；

8)支持末端作用器模塊在軌更換操作；

9)系統(tǒng)應(yīng)能夠提供緊急解鎖接口，具有意外情況下的手動驅(qū)動功能；

10)具有發(fā)射鎖緊機械接口；

11)具有手眼相機機械、電氣接口；

12)實現(xiàn)機械臂對外(艙體、載荷等)電源、通訊、圖像等電氣連線傳輸；

13)末端作用器與捕獲接口之間能夠?qū)崿F(xiàn)無應(yīng)力條件下的電連接器連接，以便傳遞二者之間的電源、數(shù)據(jù)和信號。

6.3.5 控制器子系統(tǒng)

機械臂控制器是空間站實驗艙機械臂系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對空間站實驗艙機械臂的通訊、控制、電源管理等任務(wù)?？刂破靼惭b在實驗艙機械臂外表面，由處理器模塊、容錯模塊、電源分配模塊、總線背板以及機箱組成。

實驗艙機械臂控制器采用“二次電源+計算機OBC雙模冷備+容錯雙模冷熱備+供配電切換”的體系結(jié)構(gòu)，如圖10所示，除機箱和總線板外，控制器由以下模塊組成，并對應(yīng)完成相關(guān)功能。

圖10 控制器組成Fig·10 Configuration of controller

1)計算機模塊OBC：OBC正常模式下計算、控制、接口通訊的核心，OBC采用冷備份雙模，分為OBCA和OBCB，可以由地面遙控直接切換當(dāng)班機，或FT自主切換當(dāng)班機；

2)容錯模塊FT：負責(zé)監(jiān)視OBC工作狀態(tài)，當(dāng)OBCA故障時，負責(zé)OBCA至OBCB的自主切換。FT采用雙模冷備，分為FTA模塊、FTB模塊，F(xiàn)T只能由地面遙控直接指令進行切換；

3)供配電切換模塊：負責(zé)根據(jù)OBC指令進行48路100 V電源供配電切換；

4)二次電源模塊：通過一次電源產(chǎn)生OBC雙機使用二次電源+5.5 V、±12 V和雙份容錯FT使用的二次電源+5.5 V。

6.3.6 在軌操作與地面遙操作

空間站機械臂可通過在軌操作和地面操作的方式進行操作。航天員通過操作艙內(nèi)操作平臺上的“地面操作”(默認(rèn)狀態(tài))按鍵或通過地面指令，可切換至地面操作方式。在軌操作與地面遙操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 在軌操作與地面遙操作Fig·11 On-orbit operation and ground teleoperation

1)在軌操作：航天員通過艙內(nèi)操作平臺在軌對機械臂進行操作。機械臂的運動指令通過機械臂專用1553B總線轉(zhuǎn)發(fā)至實驗艙機械臂中央控制器，由中央控制器發(fā)送至關(guān)節(jié)控制器、末端控制器等終端設(shè)備執(zhí)行。實驗艙機械臂的中央控制器負責(zé)收集機械臂內(nèi)遙測數(shù)據(jù)，發(fā)送至在軌操作平臺。

2)地面遙操作：地面任務(wù)專家通過地面遙操作平臺對機械臂的操作與維護。與在軌操作不同，地面遙操作系統(tǒng)在高度逼真的三維可視化場景及下行圖像和遙測數(shù)據(jù)輔助下，利用在線模型修正與預(yù)測仿真技術(shù)對機械臂狀態(tài)進行預(yù)測，消除或減輕通訊時延對操作的影響。此外，地面遙操作系統(tǒng)承擔(dān)著空間站機械臂任務(wù)前的設(shè)計、規(guī)劃與驗證，任務(wù)中的監(jiān)控和執(zhí)行，以及任務(wù)后的分析與評價。

在地面遙操作方式下，機械臂的運動指令由地面操作平臺產(chǎn)生，通過上行信道發(fā)送至空間站數(shù)管分系統(tǒng)，再由數(shù)管分系統(tǒng)通過1553B總線發(fā)送至在軌操作平臺，進而發(fā)送至機械臂的中央控制器分發(fā)執(zhí)行。實驗艙機械臂的中央控制器負責(zé)收集機械臂內(nèi)遙測數(shù)據(jù)，并發(fā)送至在軌操作平臺，通過數(shù)管分系統(tǒng)處理后下傳地面觀測。同時，數(shù)管分系統(tǒng)將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至儀器儀表分系統(tǒng)進行顯示處理。

7 中國空間機械臂發(fā)展建議

在調(diào)研國內(nèi)外空間機械臂的發(fā)展動態(tài)基礎(chǔ)上，對我國未來空間機械臂技術(shù)發(fā)展提出了以下幾個建議：

1)開展空間機械臂柔性行為控制的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究

空間機械臂的柔性行為是指由于柔性關(guān)節(jié)和柔性臂桿導(dǎo)致的在剛性運動過程中伴隨有變形和振動的運動，對在軌操作任務(wù)的執(zhí)行精度產(chǎn)生重要影響。空間環(huán)境的復(fù)雜性和在軌操作任務(wù)的復(fù)雜性導(dǎo)致運動關(guān)聯(lián)的機械臂關(guān)節(jié)和臂桿包含時間頻率高低尺度及空間范圍大小尺度的不同時空尺度特性運動，多元構(gòu)成要素、運動耦合關(guān)聯(lián)、平臺運動、多臂在軌操作以及臂長變化使柔性行為的激發(fā)與演化過程異常復(fù)雜。柔性行為控制不僅要探索如何認(rèn)識空間機械臂柔性行為的運動規(guī)律，而且還要研究如何對柔性行為施加外部影響保證空間機械臂執(zhí)行在軌操作任務(wù)按期望要求得以實現(xiàn)。

2)加快開展非合作目標(biāo)的自主維護技術(shù)研究

我國對非合作目標(biāo)的研究剛剛起步，與國外同類技術(shù)具有非常大的差距。針對非合作目標(biāo)的識別、測量等相關(guān)基礎(chǔ)理論方法，以及針對空間變化的光照環(huán)境下視覺識別方法的適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)，有必要加快開展相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究和重要關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作。

3)面向精細操作的機械臂在軌維護技術(shù)與航天器可維護設(shè)計技術(shù)的研究交叉進行

機械臂在軌自主維護技術(shù)和航天器在軌可維護設(shè)計是實現(xiàn)航天器在軌自主維護的兩個重要方面，兩者技術(shù)的發(fā)展相輔相成。我國現(xiàn)有的航天器基本沒有考慮可維護設(shè)計，性能的提升和燃料提前耗盡問題只能通過發(fā)射新的替代航天器來加以解決，從長遠來看非但不能享受在軌維護技術(shù)的先進成果，反而限制了該技術(shù)的發(fā)展。因此，面向精細操作的機械臂在軌維護技術(shù)與航天器可維護設(shè)計技術(shù)需要交叉進行研究，共同發(fā)展，從而降低服務(wù)操作的難度、費用和風(fēng)險。

4)充分利用我國空間站試驗平臺進行在軌演示試驗

美國在國際空間站上進行了多次針對非合作目標(biāo)的在軌加注驗證試驗，并發(fā)射了類人型雙臂智能機器人航天員，取得了大量研究成果。我國空間站目前處于建設(shè)階段，非常有必要適時規(guī)劃燃料加注、非合作目標(biāo)精細維護、機器人航天員等代表技術(shù)發(fā)展方向的重要項目，進一步推動我國空間機器人在軌維護技術(shù)的快速發(fā)展。

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Review of Space Manipulator Technology

LIU Hong，JIANG Zainan，LIU Yechao
(State Key Laboratory of Robotics and System，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China)

The typical space manipulators for the space shuttle and the International Space Station were summarized in this paper.The Chinese space station remote manipulator system for the on-orbit construction and maintenance mission was introduced.The mission requirements and basic solution for the core module manipulator and experimental module manipulator were introduced in detail. The technical proposal，composition and main features of the joint，the end effector，the controller and the teleoperation for experimental module manipulator were elaborated.The development proposal for our space manipulator was also made in this paper.

space manipulator；on-orbit construction；on-orbit maintenance

TP242.3

A

1674-5825(2015)05-0435-09

2015-03-10；

2015-09-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(51905097)；國家基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(973-2013CB733103)

劉 宏(1966-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，教育部長江學(xué)者特聘教授，研究方向為空間機器人技術(shù)。E-mail：dlrhitlab＠aliyun.com