大名鼎鼎的加拿大機(jī)械臂

文/ 松堂

提起太空里的機(jī)械臂，大家最先想起的肯定是加拿大臂2，它是國(guó)際空間站的重要組件之一，可以說(shuō)是赫赫有名。此前美國(guó)航天飛機(jī)上的機(jī)械臂也是加拿大研制的，人們習(xí)慣把它叫做“加拿大臂”。過(guò)去的幾十年中，加拿大政府大力支持空間機(jī)械臂的技術(shù)研發(fā)，通過(guò)加拿大臂和加拿大臂2的研制，大大增強(qiáng)了加拿大在空間機(jī)械臂方面的技術(shù)實(shí)力，并開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)未來(lái)行星際探測(cè)的空間機(jī)器人技術(shù)和設(shè)備。

航天飛機(jī)上的加拿大臂

加拿大臂2捕獲龍飛船

加拿大臂2捕獲天鵝座飛船

加拿大機(jī)械手“右手”

第一套空間機(jī)械臂——加拿大臂

1981年，加拿大為美國(guó)宇航局設(shè)計(jì)并制造了航天飛機(jī)遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SRMS），也稱(chēng)加拿大機(jī)械臂，隨航天飛機(jī)一起進(jìn)入太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)。這是人類(lèi)歷史上第一套空間機(jī)械臂。

加拿大臂是6自由度機(jī)械臂，長(zhǎng)15.2米，重410千克。由6個(gè)可控的關(guān)節(jié)組成，分別為肩部（偏轉(zhuǎn)、俯仰）、肘部（俯仰）和腕部（俯仰、偏車(chē)和轉(zhuǎn)動(dòng)），其中肘部和腕部都安裝有相機(jī)系統(tǒng)。肘部的相機(jī)系統(tǒng)可以為隔壁艙、操作臂和有效載荷提供可視圖像，腕部相機(jī)可以配合末端效應(yīng)器和捕獲機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。

它實(shí)際上是一個(gè)遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人操作臂，安裝在航天飛機(jī)前艙的左舷縱梁上。最初的設(shè)計(jì)目的是展開(kāi)和回收有效載荷，幫助軌道飛行器完成停泊或運(yùn)輸任務(wù)，可以通過(guò)肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)在裝載位置和操作位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)裝載位置旋轉(zhuǎn)和鎖定機(jī)械臂。

加拿大臂在多次飛行任務(wù)中表現(xiàn)出色，在維修哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、空間站重要裝配任務(wù)中都充當(dāng)了關(guān)鍵角色，也為后續(xù)空間機(jī)械臂的發(fā)展和研究打下了良好的基礎(chǔ)。

開(kāi)創(chuàng)性的加拿大臂2

加拿大MDA公司研制的加拿大臂2是目前世界上最先進(jìn)的空間機(jī)械臂之一，它包括活動(dòng)基座系統(tǒng)MBS、空間站遙控機(jī)械臂SSRMS和專(zhuān)用靈巧機(jī)械手SPDM三個(gè)部分。其中我們最熟悉的是空間站遙控機(jī)械臂（SSRMS），它長(zhǎng)17.6米，直徑0.35米，重量達(dá)1497千克，可在太空移動(dòng)116噸重的載荷，擁有比加拿大臂更靈活的7自由度。加拿大臂2比人的手臂還要靈活，并為復(fù)雜的國(guó)際空間站操作環(huán)境提供了關(guān)鍵能力。這臺(tái)機(jī)械臂開(kāi)創(chuàng)了太空機(jī)器人的一個(gè)新時(shí)代，歐洲機(jī)械臂和中國(guó)機(jī)械臂在設(shè)計(jì)上都大量參考了加拿大臂2。

加拿大臂2還是機(jī)動(dòng)式機(jī)械臂技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者，可以像“尺蠖”一樣在國(guó)際空間站上移動(dòng)，還可以在移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)上機(jī)動(dòng)。

著名的“右手”小機(jī)械臂

加拿大臂2還可以在一端安裝專(zhuān)用靈巧機(jī)械手（SPDM），也叫做“右手”，用于在國(guó)際空間站執(zhí)行精細(xì)的維護(hù)和維修任務(wù)。它的15自由度微型雙臂配置高度靈巧，可以承擔(dān)諸如安裝、拆卸、維修小型有效載荷和軌道可替換單元的任務(wù)。“右手”還配備了燈光、視頻設(shè)備、一個(gè)工具平臺(tái)和四個(gè)工具架?！坝沂帧蓖ǔＮ挥谝苿?dòng)基座上，用加拿大臂2抓起來(lái)操縱。

夜空中的加拿大臂2和“右手”

加拿大臂2號(hào)末端效應(yīng)器與人體對(duì)比

加拿大臂2的末端效應(yīng)器

被老機(jī)械臂安裝

加拿大臂2是世界上第一個(gè)采用地面打包發(fā)射、在軌拆包使用方式的機(jī)械臂。為了確保順利交付。加拿大航天員克里斯·哈菲爾德和美國(guó)航天員斯科特·帕拉津斯基接受了專(zhuān)門(mén)的強(qiáng)化訓(xùn)練。在美國(guó)宇航局的失重水池中實(shí)施了機(jī)械臂拆包和維護(hù)訓(xùn)練?？死锼埂す茽柕潞鸵獯罄教靻T翁貝托·吉多尼還在模擬器上練習(xí)了加拿大臂2的操作。

和中國(guó)機(jī)械臂以及歐洲機(jī)械臂不同的是，加拿大臂2不是連接在空間站艙段上升空的，而是用航天飛機(jī)發(fā)射，于2001年4月搭載奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)STS-100任務(wù)升空。有意思的是，要想安裝加拿大臂2，離不開(kāi)老款的加拿大臂。當(dāng)“奮進(jìn)號(hào)”到達(dá)國(guó)際空間站附近，加拿大臂將裝有加拿大臂2的金屬托盤(pán)從航天飛機(jī)的貨艙中抬起，把它連接到國(guó)際空間站的命運(yùn)號(hào)實(shí)驗(yàn)艙上。然后航天員哈菲爾德和帕拉津斯基用一根臨時(shí)電纜，把加拿大臂2和國(guó)際空間站連接起來(lái)，提供電力、數(shù)據(jù)和視頻連接。隨后兩人把加拿大臂2從托盤(pán)上卸下，手動(dòng)展開(kāi)，把鉸鏈固定在中間。

在空間站內(nèi)部，美國(guó)宇航局航天員蘇珊·赫爾姆斯和吉姆·沃斯遠(yuǎn)程控制加拿大臂2把其中一個(gè)末端效應(yīng)器伸出來(lái)，連接到“命運(yùn)”上的一個(gè)基座上，然后從金屬托盤(pán)上松開(kāi)，這是它在太空中的第一次機(jī)動(dòng)。然后加拿大臂2把用來(lái)運(yùn)輸自己的托盤(pán)移走，并“傳遞”給加拿大臂，這是兩個(gè)加拿大機(jī)械臂在太空中的首次聯(lián)合行動(dòng)。

加拿大臂2不僅非常靈活而且移動(dòng)能力很強(qiáng)，是建造維護(hù)國(guó)際空間站的得力助手。它參與了國(guó)際空間站的大部分組件和艙段的組裝，廣泛用于空間站組裝建設(shè)、空間站維護(hù)、空間站有效載荷運(yùn)輸和服務(wù)，以及抓取釋放飛船、衛(wèi)星等任務(wù)，并為太空行走提供了支持，在國(guó)際空間站的建造和運(yùn)行中立下了汗馬功勞。

加拿大臂2和“右手”組合狀態(tài)

軌道維護(hù)記錄

與航天飛機(jī)上的加拿大臂不同，加拿大臂2要求在太空中使用15年以上（實(shí)際上已經(jīng)超期服役好幾年了）。這就要求加拿大臂2具備一種新能力——允許航天員或其他機(jī)器人系統(tǒng)在軌道上修復(fù)加拿大臂2。因此加拿大臂2也是軌道可替換單元（ORU）技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者?？臻g維修功能在實(shí)際使用中表現(xiàn)出色，到目前為止，加拿大臂2已經(jīng)經(jīng)過(guò)了3次換件維修。

2002年6月，航天員通過(guò)太空行走更換了加拿大臂2的一個(gè)腕關(guān)節(jié)。2017年和2018年，航天員通過(guò)艙外行走更換了它的兩個(gè)末端效應(yīng)器。

機(jī)器人技術(shù)培訓(xùn)中心

為了培訓(xùn)航天員使用加拿大臂2以及“右手”，加拿大航天局在位于魁北克省圣休伯特的總部設(shè)有培訓(xùn)中心。艙外航天員和艙內(nèi)控制員必須在機(jī)器人培訓(xùn)中心接受強(qiáng)化訓(xùn)練。

末端效應(yīng)器的齒圈

加拿大臂2號(hào)捕獲龍飛船的模型

該中心的一個(gè)多媒體教室和一個(gè)仿真工作站，與國(guó)際空間站上的工作站完全相同。在多媒體教室里，航天員和飛行控制員要學(xué)習(xí)機(jī)器人工作原理和安全操作方法。其中設(shè)置了加拿大臂2和“右手”的比例模型，模擬軟件和交互式白板，可以實(shí)施多個(gè)攝像機(jī)角度的視頻會(huì)議和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)。

在課堂上學(xué)習(xí)了理論概念后，航天員們就轉(zhuǎn)移到工作站上進(jìn)行模擬實(shí)操。

機(jī)器人工作站包括：一臺(tái)配有兩個(gè)手動(dòng)控制器的筆記本電腦，用于調(diào)整加拿大臂2的俯仰、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。三個(gè)屏幕顯示來(lái)自加拿大臂2和其他外部攝像頭的視頻。完成這一階段的航天員和飛行控制員將前往美國(guó)休斯頓，進(jìn)行其他部分的訓(xùn)練。

未來(lái)發(fā)展

目前，加拿大正在為美國(guó)的地月軌道空間站研制“加拿大臂3”。為了適應(yīng)遙遠(yuǎn)路途，它的體積變小了，但智能化水平反而更高。加拿大臂3仍然包括機(jī)械臂和靈巧機(jī)械手兩個(gè)部分，但應(yīng)用了更先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)、簡(jiǎn)短的軟件和人工智能系統(tǒng)，可以在無(wú)需航天員遙控干預(yù)的情況下執(zhí)行任務(wù)。

加拿大臂 加拿大臂2 加拿大臂3定位 首次進(jìn)入太空的機(jī)械臂 2001年進(jìn)入太空 考慮安裝在美國(guó)地月軌道空間站上安裝位置 每架航天飛機(jī)上都有一臺(tái)，現(xiàn)已退役 國(guó)際空間站上所需位置 地月軌道空間站上所需位置移動(dòng)范圍 固定安裝，能觸及不超過(guò)機(jī)械臂長(zhǎng)度的位置可以在國(guó)際空間站的基點(diǎn)之間爬行，甚至可以安裝在桁架滑車(chē)上，機(jī)動(dòng)到更多位置，能觸及國(guó)際空間站每個(gè)位置和國(guó)際空間站情況類(lèi)似，將可以觸及空間站每個(gè)位置安裝點(diǎn) 航天飛機(jī)貨艙 無(wú)固定安裝點(diǎn) 無(wú)固定安裝點(diǎn)7自由度，更類(lèi)似于人臂： 肩部3個(gè)； 肘部1個(gè)：腕部3個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍 肘部限160度 各關(guān)節(jié)可以旋轉(zhuǎn)270度 各關(guān)節(jié)可以旋轉(zhuǎn)360度自由度6自由度，類(lèi)似于人臂： 肩部2個(gè)； 肘部1個(gè)：腕部3個(gè)7自由度，更類(lèi)似于人臂： 肩部3個(gè)； 肘部1個(gè)：腕部3個(gè)有力-運(yùn)動(dòng)傳感器，有觸覺(jué)，具備避撞功能；具備對(duì)周?chē)矬w的三維成像能力長(zhǎng)度 15米 17米 8.5米直徑 33厘米 33厘米 23厘米運(yùn)動(dòng)速度 無(wú)載荷：每秒60厘米有載荷：每秒6厘米觸覺(jué)能力 無(wú) 有力-運(yùn)動(dòng)傳感器，有觸覺(jué)，具備避撞功能無(wú)載荷：每秒37厘米有載荷：每秒2厘米（地面遙控）或每秒15厘米（在軌控制）無(wú)載荷：每秒10厘米有載荷：待定材料 16層高強(qiáng)度碳纖維 19層高強(qiáng)度碳纖維 待定維修 回地面 在軌維修，模塊可換 在軌維修，模塊存儲(chǔ)在艙內(nèi)控制 航天員控制 地面遙控或航天員控制 主要靠自主運(yùn)行，也可以由航天員或地面控制6個(gè)高清4K攝像頭，肘部?jī)蓚?cè)各1個(gè)360度攝像頭，2個(gè)轉(zhuǎn)環(huán)處1個(gè)，2個(gè)末端效應(yīng)器上各1個(gè)。操作國(guó) 美國(guó) 美國(guó)-加拿大 加拿大攜帶相機(jī) 肘部和腕部各1個(gè) 4個(gè)，肘部?jī)蓚?cè)各1個(gè)，2個(gè)末端效應(yīng)器上各1個(gè)。

加拿大臂3將用在美國(guó)地月軌道空間站

天鵝座飛船（右）和聯(lián)盟飛船并列在國(guó)際空間站上，天鵝座飛船是用機(jī)械臂捕獲的

末端效應(yīng)器特寫(xiě)

美國(guó)航天飛機(jī)上的機(jī)械臂，也是加拿大的產(chǎn)品

機(jī)械臂的真正用武之地：空間服務(wù)

到目前為止，太空中的機(jī)械臂還是稀罕物。但作為世界上最領(lǐng)先的空間機(jī)械臂開(kāi)發(fā)單位，“加拿大臂”的研制方麥克唐納·德特維爾空間與先進(jìn)機(jī)器人公司認(rèn)為，空間機(jī)械臂乃至空間機(jī)器人應(yīng)該被看做一個(gè)更大范疇概念的一部分，也就是空間服務(wù)。它未來(lái)將成為一種普及型設(shè)備，在空間服務(wù)任務(wù)中大行其道。

如果從航天飛機(jī)時(shí)代算起，太空服務(wù)的歷史已經(jīng)有40年了。廣義上的太空服務(wù)包括航天器交會(huì)、檢查和對(duì)接、有效載荷和衛(wèi)星部署、操縱、回收、再補(bǔ)給和維修等在軌活動(dòng)，以及衛(wèi)星的轉(zhuǎn)軌和離軌。這些太空服務(wù)可以用機(jī)器人來(lái)完成，也可以用航天員來(lái)完成?？紤]到人類(lèi)進(jìn)行太空行走的難度和風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)器人系統(tǒng)才是太空服務(wù)的主力。

實(shí)際上，航天服務(wù)機(jī)器人界可能已經(jīng)到了一個(gè)十字路口：從政府主導(dǎo)的航天服務(wù)任務(wù)向商業(yè)化的航天服務(wù)任務(wù)過(guò)渡，不但面臨空間維修需求，還面臨著如何清除軌道碎片和垃圾的問(wèn)題。

不但如此，一些酒店運(yùn)營(yíng)公司已經(jīng)制定了建造軌道太空酒店的計(jì)劃和藍(lán)圖。根據(jù)美國(guó)宇航局的一項(xiàng)研究，太空旅行和娛樂(lè)市場(chǎng)很容易發(fā)展成為每年數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。這里還沒(méi)有考慮天基太陽(yáng)能、天基制造和空間資源開(kāi)采等市場(chǎng)。這些市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，都需要大量空間基礎(chǔ)設(shè)施的存在，而如何去搭建和維護(hù)它們，就是個(gè)決定性的因素?？紤]到人類(lèi)太空行走的巨大風(fēng)險(xiǎn)，必須靠各種類(lèi)型的空間機(jī)器人來(lái)實(shí)施在軌服務(wù)。要盡可能減少人在回路中的干預(yù)，需要機(jī)器人具備處理非合作目標(biāo)和非合作有效載荷的自適應(yīng)能力，并擁有智能視覺(jué)和控制系統(tǒng)等。

如果上述技術(shù)能夠得到逐步突破，那么在未來(lái)的商業(yè)航天中，機(jī)器人和機(jī)械臂肯定會(huì)扮演非常重要的角色。

責(zé)任編輯：夏丹

相關(guān)鏈接

國(guó)際空間站上的其他機(jī)械臂

日本實(shí)驗(yàn)艙遠(yuǎn)程機(jī)械手系統(tǒng)

在國(guó)際空間站的日本“筑波”上也有一個(gè)機(jī)械臂，叫做日本實(shí)驗(yàn)艙遠(yuǎn)程機(jī)械手系統(tǒng)（JEMRMS），用于支持在“筑波”上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，或支持“筑波”在太空中的維護(hù)任務(wù)。這個(gè)型號(hào)雖然已經(jīng)在天上運(yùn)行了不少年，但國(guó)內(nèi)媒體對(duì)它介紹不多。

JEMRMS是日本第三個(gè)太空遙控機(jī)械臂系統(tǒng)，第一個(gè)是1997年8月日本的操縱器飛行演示，第二個(gè)是1997年11月的工程試驗(yàn)衛(wèi)星VII上的機(jī)械臂。JEMRMS由主臂和小細(xì)臂兩部分組成。艙內(nèi)還設(shè)置了控制工作站。

其中10米長(zhǎng)的主臂轉(zhuǎn)移（抓斗和移動(dòng)）大型物體，2米長(zhǎng)的小細(xì)臂用于精確、精細(xì)和微調(diào)操作。主臂和小細(xì)臂都有6個(gè)關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)和人類(lèi)手臂類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)。航天員可以在加壓艙內(nèi)控制JEMRMS，同時(shí)在控制臺(tái)上的電視監(jiān)視器上觀看手臂攝像頭拍攝的圖像。

借助這些機(jī)械臂，航天員可以執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括交換外置桁架和暴露試驗(yàn)單元。

按設(shè)計(jì)JEMRMS要在軌道上運(yùn)行10年以上，因此在發(fā)生故障時(shí)可更換或可修復(fù)。這些儀器可以通過(guò)艙內(nèi)或艙外活動(dòng)進(jìn)行修復(fù)，但是主臂的維修只能通過(guò)艙外活動(dòng)進(jìn)行。

表2 JEMRMS（主臂和小細(xì)臂）的參數(shù)

從筑波艙看日本機(jī)械臂

測(cè)試中的日本機(jī)械臂

日本機(jī)械臂的安裝位置

JEMRMS系統(tǒng)由5個(gè)部分組成：

1.主臂

主臂由吊桿、關(guān)節(jié)、電視攝像機(jī)、攝像機(jī)云臺(tái)單元、燈和末端效應(yīng)器（抓斗夾具）組成。共有3個(gè)主臂吊桿，分別編號(hào)為1、2、3。視覺(jué)設(shè)備（電視攝像機(jī)、傳輸設(shè)備和燈光）連接在吊桿2和吊桿3上。

主臂主要用于交換外置桁架有效載荷（使用標(biāo)準(zhǔn)有效載荷包，尺寸為1.85m ×1.0m×0.8m，重 量 小 于500kg）。外置桁架有效載荷由主臂末端效應(yīng)器移動(dòng)。

2.小細(xì)臂

小細(xì)臂由電子設(shè)備、吊桿、接頭、稱(chēng)為“工具”的末端執(zhí)行器和電視攝像機(jī)組成。當(dāng)小細(xì)臂被主臂末端效應(yīng)器抓取時(shí)，使用小細(xì)臂。

日本機(jī)械臂的發(fā)射狀態(tài)

小細(xì)臂主要用于精確、精細(xì)和微調(diào)的任務(wù)，包括交換外置桁架上的軌道替換單元，軌道替換單元的最大重量為80 kg。

小細(xì)臂在航天飛機(jī)STS-85任務(wù)期間曾經(jīng)實(shí)施了在軌驗(yàn)證，機(jī)組人員能夠輕松操作手臂。它具備的柔順功能，可以利用手臂上的扭矩/力傳感器來(lái)感知何時(shí)接觸目標(biāo)，之后自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)。

2.JEMRMS控制臺(tái)

JEMRMS控制臺(tái)由管理數(shù)據(jù)處理器、筆記本電腦、手控制器、電視監(jiān)視器和保持/釋放電子設(shè)備組成。數(shù)據(jù)處理器通過(guò)與作業(yè)控制程序、國(guó)際空間站的控制命令和控制多路復(fù)用器通信來(lái)控制JEMRMS系統(tǒng)。筆記本電腦和手控制器用于操縱JEMRMS。電視監(jiān)視器顯示從外部攝像機(jī)拍攝的圖像。保持/釋放電子設(shè)備用于操作保持和釋放機(jī)構(gòu)。

4.小型細(xì)臂收納設(shè)備

小型細(xì)臂收納設(shè)備是在小細(xì)臂不工作時(shí)收納之用，安裝在外置桁架上。

5.保持和釋放機(jī)構(gòu)

當(dāng)主臂發(fā)射到國(guó)際空間站時(shí)，機(jī)組人員將操縱JEMRMS控制臺(tái)上的保持/釋放電子設(shè)備，從保持和釋放機(jī)構(gòu)上釋放鎖定的主臂，然后將主臂展開(kāi)。

德國(guó)機(jī)械臂

除日本機(jī)械臂外，另一個(gè)我們不太熟悉的機(jī)械臂是空間站上的德國(guó)機(jī)械臂（ROKVISS）。德國(guó)機(jī)械臂2005年1月發(fā)射升空，安裝在國(guó)際空間站俄羅斯服務(wù)艙內(nèi)。與其他機(jī)械臂相比，德國(guó)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，體積也較小，僅有兩個(gè)關(guān)節(jié)和一個(gè)長(zhǎng)50厘米的手指，配有兩個(gè)內(nèi)置照相機(jī)。

發(fā)射德國(guó)機(jī)械臂升空的主要目的，是為了驗(yàn)證高集成模塊化的關(guān)節(jié)，研究自動(dòng)控制和地面遠(yuǎn)程控制模式下機(jī)械臂的運(yùn)行性能。它在空間上的主要工作除了執(zhí)行空間站艙外任務(wù)外，還可以在衛(wèi)星上執(zhí)行操作任務(wù)。

德國(guó)機(jī)械臂的設(shè)計(jì)壽命為一年，一年的在軌運(yùn)行為后續(xù)更復(fù)雜的機(jī)械臂設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和思路。