空間機(jī)械臂技術(shù)綜述及展望

劉宏，劉冬雨，蔣再男

哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 哈爾濱 150080

隨著空間裝置的在軌服務(wù)需求越來越迫切，空間機(jī)械臂已成為世界各航天大國的研究熱點(diǎn)?？臻g機(jī)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(wù)中起到關(guān)鍵作用，是航天器在軌服務(wù)的核心裝備[1]。國際空間站組裝建造、維修和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)表明，利用空間機(jī)械臂可以在惡劣太空環(huán)境下輔助或代替航天員完成在軌操作任務(wù)，提高空間操作和應(yīng)用的安全性和效益。

本文概述了國外空間機(jī)械臂的發(fā)展情況并分析了發(fā)展趨勢，總結(jié)了空間機(jī)械臂的關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)介紹了中國空間機(jī)械臂的發(fā)展概況，最后總結(jié)了目前空間機(jī)械臂技術(shù)存在的問題，并對中國空間機(jī)械臂的發(fā)展提出了建議。

1 國外空間機(jī)械臂發(fā)展概況

空間機(jī)械臂可分為艙內(nèi)工作和艙外工作兩大類。艙內(nèi)機(jī)械臂通常用于載人航天任務(wù)，以替代或輔助航天員完成艙內(nèi)組裝、試驗(yàn)、照料或者技術(shù)驗(yàn)證等。艙外機(jī)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(xué)或技術(shù)試驗(yàn)等在軌服務(wù)任務(wù)，安裝載體包括航天飛機(jī)、空間站、衛(wèi)星等。

自從1981年哥倫比亞號航天飛機(jī)上空間機(jī)械臂在軌應(yīng)用以來，國外空間機(jī)械臂一方面成功應(yīng)用在航天飛機(jī)的載荷操作、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡維修、國際空間站建設(shè)與維護(hù)等工程任務(wù)，另一方面已經(jīng)完成了基于試驗(yàn)衛(wèi)星、航天飛機(jī)、國際空間站等空間平臺的關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證，主要項(xiàng)目如表1 所示。隨著空間任務(wù)的日益復(fù)雜以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展推動，空間機(jī)械臂技術(shù)呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：

表1 國外主要空間機(jī)械臂項(xiàng)目Table 1 Major projects of overseas space manipulators

1) 任務(wù)類型由簡單組裝任務(wù)向復(fù)雜維護(hù)任務(wù)發(fā)展。早期航天飛機(jī)機(jī)械臂(Shuttle Remote Manipulator System, SRMS)捕獲哈勃太空望遠(yuǎn)鏡[2]，國際空間站機(jī)械臂(Space Station Remote Manipulator System, SSRMS)進(jìn)行艙段組裝[3]等相對簡單任務(wù)，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(yàn)(Robotic Refueling Mission, RRM)[4-5]、機(jī)器人航天員(Robonaut2, R2)使用工具完成國際空間站艙內(nèi)維護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證[6-9]。

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

3) 末端執(zhí)行器從單一捕獲功能向多任務(wù)操作發(fā)展。航天飛機(jī)SRMS、國際空間站SSRMS、日本的機(jī)械臂飛行驗(yàn)證(Manipulator Flight Demonstration, MFD)機(jī)械臂[13]、日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星-7 (Engineering Test Satellite VII, ETS-VII)機(jī)械臂[14]采用單一捕獲功能的末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)捕獲，SPDM利用可更換多種工具的末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)不同末端功能，機(jī)器人航天員R2采用通用機(jī)器人靈巧手實(shí)現(xiàn)直接使用設(shè)備工具進(jìn)行多任務(wù)操作。

4) 操作方式從航天員在軌操作向任務(wù)專家地面遙操作發(fā)展。航天飛機(jī)SRMS機(jī)械臂、國際空間站SSRMS機(jī)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(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)(Space Robot Technology Experiment, ROTEX)[15-16]、國際空間站機(jī)器人組件驗(yàn)證(Robotics Component Verification on ISS, ROKVISS)[17-18]操作、SSRMS機(jī)械臂目前絕大部分操作均采用任務(wù)專家地面遙操作控制方式，大幅減輕航天員的工作負(fù)擔(dān)，有利于提高空間探測效益。

2 空間機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)

通過以上對國外空間機(jī)械臂的發(fā)展趨勢分析，空間機(jī)械臂系統(tǒng)主要涉及任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)控制、路徑規(guī)劃、視覺感知、末端執(zhí)行器、遙操作控制及地面試驗(yàn)驗(yàn)證7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

任務(wù)規(guī)劃技術(shù)綜合考慮任務(wù)本身的特點(diǎn)、流程和環(huán)境等因素，將這些因素作為約束條件，合理規(guī)劃出完成任務(wù)所需的行為決策和動作序列。主要解決空間機(jī)械臂的總體方案、操作流程、程序設(shè)計(jì)以及控制策略設(shè)計(jì)等。

空間機(jī)械臂有其應(yīng)用或驗(yàn)證的明確目標(biāo)：如實(shí)現(xiàn)國際空間站組裝、運(yùn)營和維護(hù)任務(wù)，驗(yàn)證機(jī)械臂本體設(shè)計(jì)、控制策略、遙操作等技術(shù)?？臻g機(jī)械臂的任務(wù)規(guī)劃根據(jù)機(jī)械臂需要完成的任務(wù)需求和約束條件，建立合理的飛行方案。例如，在航天飛機(jī)SRMS機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)國際空間站“團(tuán)結(jié)”號與“曙光”號艙段停泊(圖1)任務(wù)規(guī)劃中，綜合考慮了SRMS反驅(qū)功能、航天飛機(jī)姿控發(fā)動機(jī)推力、對接機(jī)構(gòu)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(jìn)行技術(shù)綜合和仿真分析，明確SRMS機(jī)械臂在不同的任務(wù)剖面所需執(zhí)行操作和功能指標(biāo)[3,19]。

圖1 SRMS轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)能力的限制[20]，加拿大SSRMS機(jī)械臂完成了許多國際貨運(yùn)飛船的懸停捕獲任務(wù)，包括對日本貨運(yùn)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(wù)中，機(jī)械臂的任務(wù)規(guī)劃包括對來訪飛行器懸停位置、懸停速度的聯(lián)合規(guī)劃，機(jī)械臂視覺伺服、隨動控制、位置控制切換時機(jī)，機(jī)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(shè)計(jì)與仿真分析。

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

任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是空間機(jī)械臂的總體技術(shù)，由任務(wù)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的操作任務(wù)，同時確定空間機(jī)械臂的功能需求、技術(shù)指標(biāo)要求、任務(wù)窗口要求以及對其他配合系統(tǒng)的接口要求。

2.2 系統(tǒng)控制技術(shù)

系統(tǒng)控制技術(shù)主要包括空間機(jī)械臂的精細(xì)位置控制、柔順控制、力控制等研究內(nèi)容?？臻g機(jī)械臂在自由空間載荷轉(zhuǎn)移通過精細(xì)位置控制實(shí)現(xiàn)，機(jī)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(wù)需要機(jī)械臂能夠主動施加力實(shí)現(xiàn)與被操作對象的可靠連接。

航天飛機(jī)SRMS機(jī)械臂、國際空間站SSRMS機(jī)械臂采用剛性機(jī)械臂的控制技術(shù)，通過降低機(jī)械臂運(yùn)動速度和模態(tài)分析避免激勵機(jī)械臂的柔性振動[23]。日本ETS-VII機(jī)械臂開展了柔順控制和力控制的在軌技術(shù)驗(yàn)證，首次利用柔順控制在軌實(shí)現(xiàn)在軌可更換單元(Orbital Replaceable Unit, ORU)裝配驗(yàn)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(shù)驗(yàn)證，如圖4所示，形成了一套可工程化應(yīng)用的理論體系[26-28]。另外，在ROKVISS的在軌試驗(yàn)中還研究了關(guān)節(jié)摩擦、關(guān)節(jié)剛度、溫度等對機(jī)械臂控制的影響[17-18]。

圖4 ROKVISS控制結(jié)構(gòu)[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(jī)械臂系統(tǒng)，由主臂、小靈巧臂串聯(lián)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(xì)的操作任務(wù)。其控制上主要考慮了精細(xì)操作臂振動的自適應(yīng)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(zhuǎn)移、載荷安裝等空間作業(yè)任務(wù)，空間機(jī)械臂的系統(tǒng)控制技術(shù)需要綜合考慮機(jī)械臂關(guān)節(jié)柔性[30]、關(guān)節(jié)摩擦[17]、臂桿柔性[23]、機(jī)械臂基座特性等對精細(xì)位置控制、柔順控制、力控制的影響。

2.3 路徑規(guī)劃技術(shù)

路徑規(guī)劃技術(shù)考慮空間機(jī)械臂的環(huán)境布局、碰撞干涉、機(jī)械臂操作對基座反作用力/力矩限制、末端運(yùn)動軌跡限制等多目標(biāo)約束，規(guī)劃出空間機(jī)械臂的安全無碰運(yùn)動路徑，保證系統(tǒng)任務(wù)安全可靠實(shí)施。根據(jù)載體航天器姿態(tài)控制情況，可以將空間機(jī)械臂的路徑規(guī)劃分為基座受控和自由漂浮2大類?；芸氐目臻g機(jī)械臂路徑規(guī)劃可直接利用地面機(jī)械臂路徑規(guī)劃的相關(guān)技術(shù)；而基座漂浮的空間機(jī)械臂路徑規(guī)劃需要綜合考慮載體航天器的飛行任務(wù)約束與機(jī)械臂末端的任務(wù)目標(biāo)之間的聯(lián)系[31]。

為完成航天飛機(jī)返航前的隔熱瓦狀態(tài)檢查，航天飛機(jī)機(jī)械臂SRMS與國際空間站姿態(tài)控制系統(tǒng)開展了機(jī)械臂轉(zhuǎn)移航天飛機(jī)路徑的聯(lián)合設(shè)計(jì)以確保機(jī)械臂轉(zhuǎn)移過程系統(tǒng)姿態(tài)可控[3],如圖6所示。ETS-VII機(jī)械臂在軌驗(yàn)證了機(jī)械臂運(yùn)動過程姿態(tài)擾動最小路徑規(guī)劃方法[32-33]。

圖6 航天飛機(jī)軌道器維修機(jī)動[3]Fig.6 Shuttle orbiter repair maneuver[3]

由于空間機(jī)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(jī)械臂的路徑規(guī)劃技術(shù)在空間機(jī)械臂路徑規(guī)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(xì)位置控制產(chǎn)生了不利影響，需要SPDM在運(yùn)動過程降低對基座的反作用力以實(shí)現(xiàn)自身末端運(yùn)動軌跡和位置精度。部分學(xué)者提出采用增強(qiáng)擾動圖法和零反作用機(jī)動思想開展了相關(guān)研究[34-38]。

路徑規(guī)劃技術(shù)有其工程任務(wù)背景，比如機(jī)械臂捕獲大質(zhì)量艙段后的運(yùn)動會對基座飛行器的姿態(tài)控制產(chǎn)生不利影響，需要機(jī)械臂完成轉(zhuǎn)移任務(wù)的同時降低對基座飛行器的擾動影響。需要關(guān)注的是，這些路徑規(guī)劃技術(shù)的研究對象大多數(shù)為冗余自由度機(jī)械臂，充分利用機(jī)械臂的冗余自由度實(shí)現(xiàn)多約束下的路徑規(guī)劃。

2.4 視覺感知技術(shù)

空間機(jī)械臂視覺感知技術(shù)利用安裝在末端的手眼相機(jī)實(shí)現(xiàn)遙操作監(jiān)控，以及對視場范圍內(nèi)特定目標(biāo)進(jìn)行識別，實(shí)時連續(xù)計(jì)算特定觀測目標(biāo)與機(jī)械臂之間高精度的相對位姿關(guān)系，用于機(jī)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(jī)械臂在軌工程應(yīng)用與技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證采用在操作對象上安裝合作標(biāo)志器，如圖7所示[39]，視覺系統(tǒng)通過對合作標(biāo)志器的測量獲得機(jī)械臂與操作對象間的相對位置和姿態(tài)，引導(dǎo)機(jī)械臂完成操作任務(wù)。其難點(diǎn)是如何在空間復(fù)雜變化光照條件下均能將目標(biāo)從背景中分離出來以實(shí)現(xiàn)正確的圖像分割，以及如何在眾多類似目標(biāo)的區(qū)域中找的真正的目標(biāo)區(qū)域完成目標(biāo)識別都是空間非合作目標(biāo)視覺測量，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光照條件下高魯棒性目標(biāo)識別與特征。

圖7 空間機(jī)械臂的合作標(biāo)志器[39]Fig.7 Cooperative targets for space manipulator[39]

針對非合作目標(biāo)視覺測量，基于空間航天器的對接環(huán)、發(fā)動機(jī)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(biāo)模型約束，研究不同特征組合條件下如何實(shí)現(xiàn)高精度位姿求解是空間非合作目標(biāo)視覺測量要解決的一個關(guān)鍵技術(shù)。另外，傳感器是視覺測量的硬件基礎(chǔ)，既適應(yīng)空間環(huán)境特點(diǎn)又能滿足機(jī)械手操作需求的新型空間傳感器是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。面向空間機(jī)械手操作的視覺感知硬件技術(shù)[39]。

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

2.5 末端執(zhí)行器技術(shù)

空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器分為專用任務(wù)手爪和通用任務(wù)手爪兩類。專用任務(wù)手爪針對單一操作目標(biāo)及特定任務(wù)，夾持能力強(qiáng)，自由度少，結(jié)構(gòu)簡單。通用手爪，例如仿人型手爪，自由度多，通用性強(qiáng)，具備靈巧操作能力，可以解決面向多物體、通用任務(wù)的操作問題。這兩類手爪目前形成空間機(jī)械臂的兩個發(fā)展方向。

空間機(jī)械臂在軌應(yīng)用以專用任務(wù)手爪為主。航天飛機(jī)SRMS機(jī)械臂和國際空間站SSRMS機(jī)械臂的末端執(zhí)行器原理相近，能夠?qū)崿F(xiàn)高剛度連接、大容差捕獲、動目標(biāo)捕獲。SPDM的末端執(zhí)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(shí)現(xiàn)不同的末端功能，完成精細(xì)靈巧作業(yè)，如2014年利用4種不同工具實(shí)現(xiàn)了燃料補(bǔ)加試驗(yàn)RRM[5]，如圖8所示。ETS-VII機(jī)械臂是一個專用手爪，僅能完成與合作目標(biāo)的捕獲連接。機(jī)器人航天員R2采用仿人型通用手爪，在國際空間站艙內(nèi)完成了在軌試驗(yàn)，主要包括：① 自 由空間任務(wù)：頸部運(yùn)動、表演手語；② 接觸任務(wù)：操作任務(wù)面板、使用空氣流量計(jì)[7]，如圖9所示，其最大的特點(diǎn)是能夠使用航天員的工具完成操作任務(wù)。

圖8 燃料補(bǔ)加試驗(yàn)工具[5]Fig.8 Tools for robotic refueling mission[5]

從目前在軌任務(wù)來看，絕大多數(shù)空間機(jī)械臂采用專用任務(wù)手爪以保證任務(wù)的可靠性；一些艙內(nèi)機(jī)械臂利用通用仿人型手爪，輔助航天員日常復(fù)雜操作，擴(kuò)大載人航天的效益。

圖9 國際空間站的機(jī)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(shù)

目前空間機(jī)械臂主要通過遙操作控制方式來完成在軌任務(wù)，包括航天員在軌遙操作和任務(wù)專家地面遙操作兩種方式。位于航天飛機(jī)或國際空間站的艙內(nèi)航天員利用機(jī)器人操作臺，可實(shí)現(xiàn)對艙外空間機(jī)械臂的在軌遙操作，適合于對實(shí)時性要求高的任務(wù)，缺點(diǎn)是導(dǎo)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(jī)器人操作臺(圖10所示)，在軌遙操作控制SSRMS對懸浮的貨運(yùn)飛船HTV4進(jìn)行捕獲和輔助對接任務(wù)[40]。

圖10 SSRMS機(jī)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(wù)專家通過地面遙操作系統(tǒng)，利用天地通信鏈路，實(shí)現(xiàn)對空間機(jī)械臂的地面遙操作控制，可用于執(zhí)行常規(guī)例行檢查及大部分工程任務(wù)，大幅減輕航天員的工作負(fù)擔(dān)。SSRMS早期僅能通過國際空間站艙內(nèi)航天員在軌遙操作控制實(shí)現(xiàn)。然而，隨著操作任務(wù)復(fù)雜度增加以及操作經(jīng)驗(yàn)豐富，2005年加拿大航天局首次實(shí)現(xiàn)了SSRMS地面遙操作，從自由空間的小范圍機(jī)動到不限制運(yùn)動范圍的聯(lián)合關(guān)節(jié)運(yùn)動[41]。此后，對于部分常規(guī)例行檢查任務(wù)，SSRMS主要通過地面遙操作方式實(shí)現(xiàn)，減輕航天員工作負(fù)擔(dān)。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(shí)現(xiàn)對機(jī)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(zhàn)。在自主控制模式下，機(jī)械臂接收來自地面仿真驗(yàn)證后的預(yù)編程指令序列，在軌形成遠(yuǎn)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(dāng)國際空間站經(jīng)過德國上空時，才進(jìn)行遙操作控制，時延小于20 ms，實(shí)現(xiàn)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(yàn)[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(fù)雜任務(wù)。

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

從目前操作方式來看，空間機(jī)械臂通常采用在軌遙操作與地面遙操作相結(jié)合方式，實(shí)際應(yīng)用時以地面遙操作為主，主要通過預(yù)編程指令序列的自主控制模式實(shí)現(xiàn)[45]。隨著主從遙操作、力反饋等技術(shù)進(jìn)一步成熟，具有高度臨場感的手動控制模式可用于機(jī)械臂的實(shí)時主從遙操作，解決空間動態(tài)復(fù)雜不確定任務(wù)作業(yè)的操作難題。

2.7 地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

受到關(guān)節(jié)輸出力矩限制，空間機(jī)械臂難以在地面重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的自由運(yùn)動。因此，如何在地面重力環(huán)境下模擬空間機(jī)械臂在微重力環(huán)境下運(yùn)動對在軌任務(wù)驗(yàn)證至關(guān)重要。通常采用全物理、半物理和全數(shù)字相結(jié)合方式，綜合實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂地面驗(yàn)證以覆蓋在軌任務(wù)。

空間機(jī)械臂地面全物理試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括氣浮式、水浮式、飛機(jī)拋物線飛行或落塔式和吊絲配重式系統(tǒng)[46]。SRMS采用氣浮式地面試驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性，其局限性為只能驗(yàn)證機(jī)械臂在二維平面內(nèi)的運(yùn)動特性[47]，如圖12所示。水浮式試驗(yàn)系統(tǒng)一般用于航天員操作訓(xùn)練[48]，如圖13所示，由于流體阻力等因素導(dǎo)致機(jī)械臂試驗(yàn)驗(yàn)證很少采用。飛機(jī)拋物線飛行或落塔試驗(yàn)系統(tǒng)產(chǎn)生微重力的時間較短，國內(nèi)外機(jī)械臂地面試驗(yàn)極少采用。吊絲配重試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)速率需要比機(jī)械臂高至少一個量級[49-50]，且易產(chǎn)生安全隱患，目前機(jī)械臂地面試驗(yàn)也基本較少采用。目前較為流行的是采用半物理驗(yàn)證方法，即機(jī)械臂接觸捕獲環(huán)節(jié)采用物理實(shí)物產(chǎn)品、其他機(jī)械臂運(yùn)動特性采用數(shù)字仿真，這樣利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂三維運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)驗(yàn)證的同時，較難仿真的接觸動力學(xué)采用物理產(chǎn)品真實(shí)驗(yàn)證，最大程度的綜合了物理驗(yàn)證和數(shù)學(xué)驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)[51]。目前SPDM就是采用半物理方法開展地面試驗(yàn)驗(yàn)證的[52]，如圖14所示，這也是未來機(jī)械臂地面驗(yàn)證技術(shù)發(fā)展的趨勢。

圖12 SRMS氣浮試驗(yàn)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(wù)驗(yàn)證系統(tǒng)[52]Fig.14 Task verification system for SPDM[52]

3 中國空間機(jī)械臂發(fā)展概況

中國空間機(jī)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(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，中國空間站機(jī)械臂正處于研制階段。

3.1 試驗(yàn)七號空間機(jī)械臂

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國家“863”計(jì)劃支持下開展了空間機(jī)械臂研究，所研制的試驗(yàn)七號空間機(jī)械臂采用6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別是旋轉(zhuǎn)-俯仰-俯仰-旋轉(zhuǎn)-俯仰-旋轉(zhuǎn)，樣機(jī)如圖15所示[53]。機(jī)械臂由6個完全相同的機(jī)電集成式空間智能旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，關(guān)節(jié)集成了力矩傳感器、關(guān)節(jié)位置傳感器、電機(jī)位置傳感器和溫度傳感器。整個機(jī)械臂的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了模塊化概念，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了研發(fā)成本。機(jī)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(biāo)的有效捕獲和精確定位[54-55]。2013年7月20日，中國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征四號丙”運(yùn)載火箭，成功將試驗(yàn)七號試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，進(jìn)行了一系列空間機(jī)械臂在軌捕獲與操作等空間維護(hù)技術(shù)科學(xué)試驗(yàn)，獲得了重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[56]，突破了空間機(jī)械臂在軌捕獲等關(guān)鍵技術(shù)。

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

3.2 天宮二號空間機(jī)械臂

從中國載人航天和空間機(jī)械臂發(fā)展的角度出發(fā)，為驗(yàn)證和評價空間機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)、為空間機(jī)械臂輔助航天員開展在軌維修積累經(jīng)驗(yàn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位開展了天宮二號空間機(jī)械臂在軌維修的論證和研制工作[57-58]。

根據(jù)在軌維修試驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證需求，通過系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃，天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室搭載了機(jī)械臂、機(jī)械手、手眼相機(jī)、控制器、全局相機(jī)、模擬維修單機(jī)等設(shè)備。模擬維修單機(jī)提供了機(jī)械臂在軌操作的各試驗(yàn)對象，包括電連接器、多層、螺釘和電動工具的固定裝置。機(jī)械臂控制器是機(jī)械臂操作終端的信息中樞，接收指令控制機(jī)械臂操作終端動作，同時存儲機(jī)械臂控制器收集的機(jī)械臂、機(jī)械手、手眼相機(jī)和全局相機(jī)等傳感器數(shù)據(jù)，如圖16所示。

圖16 天宮二號空間機(jī)械臂系統(tǒng)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?？刻鞂m二號空間實(shí)驗(yàn)室的組合體期間，空間實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)成功完成了機(jī)械臂操作終端的人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)，圓滿完成了在軌辨識、招手、抓小球測試試驗(yàn)，并針對一臺單機(jī)的維修任務(wù)、成功實(shí)現(xiàn)旋擰電連接器、撕多層、旋擰螺釘維修試驗(yàn)項(xiàng)目，如圖17所示。

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

通過人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了通過合理的人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃，采用基于視覺測量修正、視覺伺服閉環(huán)定位結(jié)合機(jī)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(wù)。此外，針對精細(xì)操作機(jī)械臂關(guān)節(jié)摩擦與剛度的模型和參數(shù)進(jìn)行了在軌辨識，積累了寶貴的在軌數(shù)據(jù)。

天宮二號空間機(jī)械臂在軌維修試驗(yàn)作為中國載人航天的空間機(jī)械臂在軌服務(wù)的首次在軌試驗(yàn)，其成功實(shí)施將為中國后續(xù)空間站機(jī)械臂的研制和應(yīng)用積累一定的經(jīng)驗(yàn)和在軌數(shù)據(jù)。

3.3 中國空間站機(jī)械臂

中國載人航天工程進(jìn)入第三階段，將在2022年前后完成中國空間站建造并開始運(yùn)營，空間站機(jī)械臂是中國空間站建造、運(yùn)營、維修及拓展等任務(wù)的關(guān)鍵裝備之一[59]。中國空間站機(jī)械臂由核心艙機(jī)械臂和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂組成。兩個機(jī)械臂可獨(dú)立或協(xié)同工作，也可組合為一個機(jī)械臂，擴(kuò)大作業(yè)范圍?？臻g機(jī)械臂可完成艙段捕獲、轉(zhuǎn)移、設(shè)備安裝、維修、更換、載荷操作、航天員輔助轉(zhuǎn)移及艙外狀態(tài)監(jiān)視等任務(wù)。

核心艙機(jī)械臂的任務(wù)包括艙段轉(zhuǎn)移、設(shè)備安裝、維修更換、輔助航天員轉(zhuǎn)移及艙外狀態(tài)監(jiān)視等。核心艙機(jī)械臂由艙內(nèi)部分和艙外部分構(gòu)成：①艙內(nèi)部分由機(jī)械臂操作臺和空間站為機(jī)械臂提供的接口組成,為機(jī)械臂提供電源、數(shù)據(jù)、指令、操作控制的保障; ②艙外部分主要指機(jī)械臂本體，包括7個關(guān)節(jié)、2個末端執(zhí)行器、2個臂桿、1個中央控制器及1套視覺系統(tǒng)組成。機(jī)械臂呈對稱結(jié)構(gòu)，可在空間站艙外表面實(shí)現(xiàn)肩、腕互換的位置轉(zhuǎn)移，即“爬行”[60-61]。

實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的主要任務(wù)包括載荷照料、支持航天員艙外活動(Extra-Vehicular Activity, EVA)及艙外狀態(tài)檢查。載荷照料是由機(jī)械臂進(jìn)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(jī)械臂進(jìn)行航天員的艙外轉(zhuǎn)移、任務(wù)作業(yè)等操作。艙外狀態(tài)檢查利用機(jī)械臂末端的相機(jī)對空間站艙體表面進(jìn)行狀態(tài)檢查。

實(shí)驗(yàn)艙機(jī)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(jī)、肘部相機(jī)等組成，如圖18所示。機(jī)械臂采用7自由度對稱構(gòu)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(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂與實(shí)驗(yàn)艙的連接，作為實(shí)驗(yàn)艙機(jī)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(shí)現(xiàn)與核心艙機(jī)械臂的對接，以構(gòu)成更長的組合機(jī)械臂。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂控制器安裝在臂桿上，隨機(jī)械臂移動[62]。

關(guān)節(jié)是實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的核心功能部件，主要由諧波減速器、電機(jī)及驅(qū)動組件、關(guān)節(jié)端力矩傳感器、關(guān)節(jié)輸出端位置傳感器、關(guān)節(jié)制動器及關(guān)節(jié)控制器等組成。關(guān)節(jié)除了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動所需的力矩、速度、精度、工作范圍等主要技術(shù)指標(biāo)外，還需具備:① 標(biāo)準(zhǔn)通用可在軌更換的機(jī)電接口，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)與臂桿、關(guān)節(jié)與末端作用器之間的機(jī)電連接，構(gòu)成整個機(jī)械臂系統(tǒng)；② 控制和驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)，按照中央控制器的指令實(shí)現(xiàn)位姿精度移動末端作用器至指定的位姿；③ 采集關(guān)節(jié)的參數(shù)信息，反饋至中央控制器閉環(huán)控制和下行地面；④ 對關(guān)節(jié)實(shí)施主動溫度控制；⑤ 具備航天員手動驅(qū)動能力；⑥ 支持關(guān)節(jié)模塊在軌更換維修；⑦ 實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂系統(tǒng)內(nèi)部電源、通信、圖像的電纜傳輸。

末端作用器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的捕獲操作功能。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂末端作用器采用三爪式捕獲鎖緊機(jī)構(gòu)，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(jī)、航天員腳限位器接口。末端作用器處理滿足位姿容差、預(yù)緊、抓取等主要功能要求外，還具備：① 標(biāo)準(zhǔn)通用可在軌更換的機(jī)電接口實(shí)現(xiàn)與關(guān)節(jié)的機(jī)電連接構(gòu)成整個機(jī)械臂；② 控制和驅(qū)動電機(jī)，按照中央控制器指令實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的捕獲操作；③ 實(shí)現(xiàn)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(shù)信息，反饋至中央控制器閉環(huán)控制和下行地面；⑤ 對末端作用器實(shí)施主動溫度控制；⑥ 具備航天員手動驅(qū)動能力；⑦ 支持末端作用器模塊在軌更換維修；⑧ 實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂系統(tǒng)內(nèi)部電源、通信、圖像的電纜傳輸。

控制器是實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂控制、信息和電源管理功能，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的路徑規(guī)劃、整臂控制、碰撞檢測，并能夠?qū)崿F(xiàn)與空間站平臺或者核心艙機(jī)械臂的通信。

實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂可通過地面操作和在軌操作進(jìn)行操作。① 地面操作：地面通過指令控制機(jī)械臂按預(yù)先設(shè)定動作執(zhí)行操作任務(wù)，地面根據(jù)遙測和航天員的反饋確認(rèn)在軌試驗(yàn)狀態(tài)，稱之為自主操作模式。另外，地面還可以對機(jī)械臂進(jìn)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(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(jī)械臂狀態(tài)進(jìn)行預(yù)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(nèi)操作平臺對機(jī)械臂進(jìn)行在軌操作。機(jī)械臂的運(yùn)動指令通過機(jī)械臂專用總線轉(zhuǎn)發(fā)至實(shí)驗(yàn)艙機(jī)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(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的中央控制器負(fù)責(zé)收集機(jī)械臂內(nèi)遙測數(shù)據(jù)，并發(fā)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(nèi)外空間機(jī)械臂發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析，目前空間機(jī)械臂技術(shù)存在以下問題：

1) 空間機(jī)械臂的柔性環(huán)節(jié)影響高性能運(yùn)動控制?？臻g機(jī)械臂通常采用的諧波傳動、關(guān)節(jié)力矩傳感器、長臂桿給系統(tǒng)引入了柔性環(huán)節(jié)，屬于典型的剛?cè)狁詈戏蔷€性系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的控制特性與動力學(xué)特性之間存在復(fù)雜的相互耦合關(guān)系，對其高性能運(yùn)動控制提出了挑戰(zhàn)。因此，如何深入分析柔性環(huán)節(jié)影響，設(shè)計(jì)行之有效的控制器，減小機(jī)械臂在操作過程中產(chǎn)生的振動，實(shí)現(xiàn)高性能的運(yùn)動控制，是需要解決的難題。目前，航天飛機(jī)SRMS機(jī)械臂、國際空間站SSRMS通過降低機(jī)械臂運(yùn)動速度和模態(tài)分析避免激勵機(jī)械臂的柔性振動，尚需要進(jìn)一步研究其柔性行為特征，從而提高空間機(jī)械臂的控制性能。

2) 空間機(jī)械臂在軌工作環(huán)境地面不能準(zhǔn)確模擬。機(jī)械臂氣浮式地面二維平面全物理驗(yàn)證和局部硬件在環(huán)半物理驗(yàn)證的建設(shè)成本高、驗(yàn)證周期長，而且難以準(zhǔn)確模擬空間機(jī)械臂在軌工作的微重力、復(fù)雜光照等環(huán)境。因此，在軌任務(wù)應(yīng)用的機(jī)械臂模型和控制參數(shù)仍需要根據(jù)實(shí)際在軌條件進(jìn)行調(diào)整。特別是針對一些精細(xì)操作任務(wù)，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)摩擦特性、機(jī)械臂載體特性受天地重力差異影響較大，將進(jìn)一步影響機(jī)械臂的系統(tǒng)性能，從而影響機(jī)械臂操作任務(wù)的可靠性。

3) 空間機(jī)械臂非合作目標(biāo)識別與測量、非合作目標(biāo)捕獲等技術(shù)尚未開展技術(shù)驗(yàn)證和工程化應(yīng)用。目前國內(nèi)外空間機(jī)械臂絕大多數(shù)采用合作靶標(biāo)、合作捕獲接口實(shí)現(xiàn)被操作對象的識別、相對位姿測量和目標(biāo)捕獲。這些特殊設(shè)計(jì)要求增加了空間飛行器在軌可維護(hù)設(shè)計(jì)的資源開銷、限制了空間機(jī)械臂在軌維護(hù)操作的應(yīng)用范圍。因此，開展非合作目標(biāo)識別與測量、非合作目標(biāo)捕獲等技術(shù)的在軌驗(yàn)證，對空間機(jī)械臂在軌服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)更加廣泛的工程應(yīng)用具有重要意義。

針對中國空間機(jī)械臂的發(fā)展現(xiàn)狀，對中國未來空間機(jī)械臂發(fā)展提出以下建議：

1) 開展空間機(jī)械臂柔性行為控制的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究。未來空間機(jī)械臂任務(wù)將面臨操作空間范圍更大、末端負(fù)載質(zhì)量特性更大、精度要求更高的特點(diǎn)，這導(dǎo)致機(jī)械臂的柔性更為明顯，這些因素將對機(jī)械臂的精細(xì)控制帶來更大的挑戰(zhàn)。如何規(guī)劃最優(yōu)的運(yùn)動軌跡、尋找優(yōu)化的控制策略實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)精度好、對基座的擾動力矩小等目標(biāo)，需要進(jìn)一步研究。

2) 開展空間機(jī)械臂天地差異條件下的性能影響分析與控制技術(shù)研究。基于在軌/地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開展空間機(jī)械臂在天地環(huán)境差異條件下的性能影響分析，掌握空間機(jī)械臂關(guān)鍵指標(biāo)如末端精度、柔順特性等天地差異，進(jìn)而提出相應(yīng)的控制策略。相關(guān)分析成果和控制技術(shù)有助于后續(xù)空間機(jī)械臂的在軌應(yīng)用和地面試驗(yàn)分析。

3) 開展機(jī)械臂在軌服務(wù)技術(shù)與航天器在軌可維護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)的交叉研究。機(jī)械臂在軌服務(wù)技術(shù)和航天器在軌可維護(hù)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)航天器在軌自主維護(hù)的兩個重要方面，兩者技術(shù)的發(fā)展相輔相成。中國現(xiàn)有的航天器考慮可維護(hù)設(shè)計(jì)較少，考慮接受機(jī)械臂維護(hù)的設(shè)計(jì)則更少，從長遠(yuǎn)來看非但不能享受在軌維護(hù)技術(shù)的先進(jìn)成果，反而限制了該技術(shù)的發(fā)展。因此，機(jī)械臂在軌維護(hù)技術(shù)與航天器可維護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)需要交叉進(jìn)行研究，提升中國航天器可維護(hù)能力和維護(hù)水平，降低在軌服務(wù)的難度、費(fèi)用和風(fēng)險。

4) 開展基于中國空間站平臺的空間機(jī)械臂技術(shù)在軌試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)劃。國外絕大多數(shù)空間機(jī)械臂技術(shù)都在國際空間站或航天飛機(jī)上開展，如早期的ROTEX、ROKVISS，近期的機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)。中國空間站目前處于研制階段，有必要適時、合理地規(guī)劃基于中國空間站平臺的空間機(jī)械臂技術(shù)在軌試驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步促進(jìn)中國空間機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展。