1.2　空间机械臂国内外发展现状

欧洲、美国、加拿大、日本等较早开启了空间探索征程，并从20世纪60年代开始，在空间机械臂领域取得了较大的进步，研制了多套具有代表性的空间机械臂，并基于航天飞机、国际空间站等平台开展了一系列空间试验与工程应用。与国外空间机械臂的发展相比，我国在这方面的研究工作起步相对较晚，20世纪80年代才开始逐渐开展空间机械臂的基础研究，经过40多年的技术发展与沉淀，已卓有成效。本节主要针对加拿大、美国、欧洲、日本和我国的典型空间机械臂展开相关介绍。

1.2.1　国外典型空间机械臂

1.加拿大航天飞机远程机械臂系统

图1-2所示的加拿大航天飞机远程机械臂系统（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）也称加拿大1号臂（Canadarm1），于1975年开始研制，1981年首次安装在美国航天飞机“哥伦比亚号”上执行空间任务，直到2011年结束其航天使命。SRMS具有6个自由度，臂长15.2 m，自重约410.5 kg，最大负载质量可达30 000 kg，肘部和腕部安装有相机，以提供操作臂、末端执行器等部位的可视画面。SRMS主要用于部署和回收有效载荷，转移和支持航天员舱外作业，维修卫星、国际空间站，辅助观测国际空间站等空间任务。SRMS主要由航天飞机内的航天员在轨控制，操作模式包括自动模式、手动增强模式、单关节驱动模式、直接驱动模式以及备份驱动模式等。

2.国际空间站远程机械臂系统

图1-3所示的国际空间站远程机械臂系统（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS）又称加拿大2号臂（Canadarm2），由加拿大MD Robotic公司和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）联合研制，于2001年随美国“奋进号”航天飞机进入太空，服役至今。SSRMS具有7个自由度，臂长17.6 m，总质量为1800 kg，最大负载质量可达116 000 kg。SSRMS安装于空间站的桁架基座装置上，可用于执行电池组与轨道单元的更换、空间站载运物的回收和轨道器的对接与分离等空间任务。

3.专用灵巧机械臂

图1-4所示的专用灵巧机械臂（Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM）又称Dextre，于2008年发射到国际空间站。SPDM是双臂机器人，每条手臂具有7个自由度，长3.7 m，质量为1660 kg，最大负载质量可达600 kg。它既可作为SSRMS的操作终端，执行诸如空间站表面的小部件移除、模块更换等高精度灵巧操作，也能够独立作业，用于辅助航天员的舱外活动，从而降低航天员出舱作业的风险。

4.日本实验舱遥控机械臂系统

图1-5所示的日本实验舱遥控机械臂系统（Japanese Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS）由日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制。JEMRMS由主臂和小臂串联组成，主臂和小臂均具有6个自由度，主臂长10 m，最大负载质量可达7000 kg，小臂长2.2 m，最大负载质量可达80 kg。JEMRMS安装在国际空间站的日本“希望号”实验舱上，主要用于执行实验舱的辅助装配、曝露实验平台的载荷更换等空间任务以及承担国际空间站部分区域的维护任务。

5.欧洲机械臂

图1-6所示的欧洲机械臂（European Robotic Arm，ERA）由欧洲空间局（European Space Agency，ESA）研制，于2021年与“科学号”多功能实验舱一起发射。ERA是一个完全对称、可重定位的机械臂，具有7个自由度，长11.3 m，总质量为630 kg，最大负载质量可达8000 kg，操作精度可达5 mm。ERA安装于国际空间站俄罗斯舱段，主要用于执行在轨装配任务和提供其他舱外服务（如对国际空间站的外表面进行监测等）。

6.“轨道快车”系统机械臂

“轨道快车”系统（Orbital Express System，OES）由美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）牵头研制，包括自主空间传送机器人轨道器（Autonomous Space Transport Robotic Orbiter，ASTRO）和下一代服务卫星（NEXT Generation Serviceable Satellite，NEXTSat）两部分，于2007年发射升空，如图1-7所示。ASTRO上安装有由加拿大MD Robotic公司生产的空间机械臂，其具有7个自由度，臂长3 m，用于执行NEXTSat的维护和捕获任务。研究人员利用ASTRO上的空间机械臂在太空中完成了一系列验证试验，如控制其成功捕获了NEXTSat，并完成了针对后者的燃料补给与电池安装任务。

7.工程试验卫星机械臂

工程试验卫星（Engineering Test Satellite Ⅶ，ETS-Ⅶ）由日本东芝公司研制，于1997年发射。工程试验卫星上搭载一条具有6个自由度的机械臂，长2.4 m，质量达400 kg，如图1-8所示。机械臂手部关节和末端执行器均安装有摄像机，能够将画面传送至地面控制实验室，利于地面研究人员实施相关操作。研究人员可利用工程试验卫星上的机械臂完成机械臂与卫星姿态的协同控制和对在轨卫星及其在轨替换单元（Orbital Replacement Unit，ORU）部件的捕获等任务。

8.“机遇号”和“勇气号”火星探测车机械臂

“机遇号”和“勇气号”火星探测车机械臂IDD（Instrument Deployment Device）是美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）于2003年为火星探测车“机遇号”（Opportunity或MER-B）与“勇气号”（Spirit或MER-A）所设计的轻型机械臂，如图1-9所示。IDD具有5个自由度，长1 m，自重4 kg，最大负载质量为2 kg，末端定位误差小于5 mm，重复定位误差小于4 mm。该机械臂末端携带穆斯堡尔谱仪、阿尔法粒子X射线光谱仪、显微成像仪、岩石研磨工具等科研仪器，可对火星表面土壤进行采样分析。

9.“好奇号”与“毅力号”火星探测车机械臂

“好奇号”（Curiosity）是美国火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）研制的火星探测车，于2011年发射。该火星探测车上安装有长度为2.1 m的机械臂，携带有化学和矿物学分析仪、火星样本分析仪等设备，用于辅助完成岩石和土壤样品的获取、加工、分析等操作，如图1-10所示。

“毅力号”（Perseverance）为NASA研制的新一代火星探测车，于2020年发射。如图1-11所示，该火星探测车上搭载一条具有5个自由度的机械臂，长2.1 m，其末端携带相机、矿物和化学分析仪、旋转冲击式钻机等，可以进行岩芯提取、显微图像拍摄、土壤采样等操作，以辅助“毅力号”完成其光荣使命——搜寻火星远古生命存在的迹象，研究陨坑地质结构，采集并保存几十个火星样本。

1.2.2　国内空间机械臂发展概况

随着相关研究的深入和技术进步，空间机械臂已经在我国载人航天工程和深空探测工程中发挥了重要作用。我国载人航天工程实行“三步走”战略：第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船并开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造空间站，解决有较大规模、长期有人照料的空间应用问题。2022年，中国空间站全面建成，载人航天工程“三步走”战略圆满收官。

在空间站建造的过程中，空间机械臂不可或缺。中国空间站远程机械臂系统（Chinese Space Station Remote Manipulator System，CSSRMS）包括核心舱机械臂（Core Module Manipulator，CMM）和实验舱机械臂（Experiment Module Manipulator，EMM），如图1-12和图1-13所示。

CMM具有7个自由度，长度为10.5 m，最大负载为25 000 kg。机械臂本体由7个关节、2个末端执行器、2根连杆、1个中央控制器以及1套视觉相机系统组成。关节的配置采用“肩3+肘1+腕3”的方案，即肩部依次设置回转、偏航和俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部依次设置俯仰、偏航和回转关节。这种对称结构可使得机械臂在空间站舱体表面实现肩/腕互换的位置转移，即“爬行”。CMM主要用于完成空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接以及支持航天员出舱活动等空间任务。

EMM具有7个自由度，长度为5.5 m，最大负载为3000 kg。机械臂本体由7个关节、2个末端执行器、2根连杆、2个控制器、2套手眼相机等组成。除此之外，该机械臂结构对称，两端安装的末端执行器，1个作为实验舱机械臂工作时的基座，用于实现实验舱机械臂与实验舱的连接；1个作为手臂抓捕操作的工具，也可实现与核心舱机械臂的对接，以构成更长的串联机械臂。EMM控制器安装在连杆上，随机械臂移动。EMM主要用于完成曝露平台实验载荷照料、空间站光学平台照料、支持航天员舱外状态检查、舱外设备组装等空间任务。

开展探月工程是我国深空探测领域的第一步重大举措，采取“绕、落、回”三步走战略，目前已圆满收官。在探月工程中，空间机械臂是支撑探月工程顺利实施的关键之一。“嫦娥三号”探测器是三步走战略第二步中的关键装备，于2013年12月发射并执行月面巡视勘察等空间任务。搭载在“嫦娥三号”探测器上的“玉兔号”月球车（见图1-14）前端机械臂具有3个自由度，长为0.5 m，主要用于辅助探测分析月球表面土壤，其展开后的控制精度可达毫米级别；“嫦娥五号”探测器（见图1-15）是三步走战略第三步中的关键装备，其承担了月表采样返回任务。搭载在“嫦娥五号”探测器上的表取采样机械臂，正是执行月表采样返回任务的关键设备，其能够克服规划动作多、取样返回难度大等技术难题。