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空间机械臂不同于地面机械臂，其应用常常受到太空环境特点、自身特性及所执行的任务特点等多方面的影响。本节将从这3个方面出发对空间机械臂的应用特点进行分析。
空间机械臂工作于地外空间中，从设计阶段到发射阶段再到使用阶段，均需要考虑微重力、真空、高低温交变、紫外辐射、电离效应、原子氧、空间碎片等诸多特殊环境因素的影响。
① 微重力：空间环境中由重力或其他外力引起的加速度不超过1×10 - 5 ～1×10 - 4 g （ g 为地面的重力加速度）。
② 真空：空间环境的真空度通常可以达到1×10 - 2 ～1×10 - 11 Pa，该环境下材料干摩擦、冷焊以及液体润滑材料挥发等效应较为显著。
③ 高低温交变：由于空间热传导和热辐射等热交换能力差，光照面和阴影面存在较大温差，这样极端的温度交变会对空间机械臂机构运动产生一定影响。
④ 紫外辐射：太阳辐射出的紫外线可导致空间机械臂高分子聚合材料的弹性和强度降低。
⑤ 电离效应：在电离效应（包括空间重离子及质子效应）的影响下，空间机械臂上的电子器件易出现性能下降、工作不稳定甚至完全失效现象。
⑥ 原子氧：原子氧与空间机械臂发生相互作用可能引起空间机械臂材料的剥蚀老化。
⑦ 空间碎片：人类空间活动产生的火箭推进器、废弃失效卫星，以及空间碰撞事故产生的碎块等，会严重影响空间机械臂的运行安全。
空间机械臂工作面临的部分环境如图1-16所示。由此可见，特殊的工作环境给空间机械臂结构设计、材料选取、规划控制等带来挑战。为保证空间任务执行过程中空间机械臂的正常运行，需从各个方面全面提升空间机械臂的可靠性。通常来讲，空间机械臂的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性两类，前者是指在设计与制造过程中所赋予空间机械臂的固有属性，后者则是指实际使用过程中空间机械臂所表现出的可靠性。通过在空间机械臂服役过程中引入规划与控制策略，可以延缓空间机械臂固有可靠性的衰减，并保持与提升使用可靠性，使得空间机械臂具备较强的空间环境适应能力。
图1-16 空间机械臂工作面临的部分环境
空间机械臂通常具有结构组成复杂、柔性特征明显、基座姿态存在扰动等特点 [1] ，具体分析如下。
① 结构组成复杂。由于应用环境特殊，空间机械臂在太空服役过程中的维护、维修成本极高，若关节发生故障，将导致空间任务无法顺利完成。为保障空间机械臂具备足够的容错能力以应对空间任务，往往将冗余备份技术引入空间机械臂的关节设计中，通过为关节内部结构设置冗余备份项，提高关节可靠性，进而提升空间机械臂固有容错性能 [2-3] 。然而，过多的驱动单元和复杂的机械结构，会使机械臂自身运动耦合特性与非线性增强，增加空间机械臂规划控制的复杂性，且复杂的机械结构也会使故障发生的概率提升。
② 柔性特征明显。为降低火箭升空过程中空间机械臂所带来的运载负担，空间机械臂常由高刚度轻质材料制造，具备轻量化的特点；为扩大空间机械臂的操作空间，拓展操作范围，空间机械臂还具有跨度大的特点。这些特点使得空间机械臂的柔性特征凸显，加之大负载操作任务使机械臂处于受力状态，连杆易产生弹性形变，影响空间机械臂的系统性能（如末端操作精度）。
③ 基座姿态存在扰动。微重力环境下，空间机械臂属于非完整约束多体系统，其基座常处于自由漂浮状态。由于机械臂与基座间存在运动耦合，机械臂运动会引起基座的位置与姿态发生改变，导致系统运动呈现不确定性。此外，基座姿态的改变会影响安装于其上的设备（如太阳帆板、通信天线等）的正常工作，影响航天器的能量获取与对地通信等。因此，在规划与控制机械臂执行空间任务时，需考虑基座的姿态扰动。
上述空间机械臂自身特性如图1-17所示。
图1-17 空间机械臂自身特性
除考虑上述特性外，关节角/关节速度/关节加速度极限、关节输出力矩极限等约束也会制约空间机械臂的操作能力。由此可见，空间机械臂结构特点、关节运动和输出力矩极限约束等特性对机械臂执行空间任务存在制约，空间机械臂复杂的机械结构会增大控制的复杂性和故障发生的概率；其结构的柔性特征使得其末端操作精度等性能易受连杆弹性形变影响；机械臂和自由漂浮基座间存在的耦合关系使得系统运动存在不确定性，同时空间任务的执行受基座姿态扰动的影响。因此，在规划和控制空间机械臂执行任务时，应充分考虑机械臂自身结构特点和关节输出力矩极限等约束的影响，设计相应的轨迹规划和控制方法，减小或消除机械臂结构的柔性特征对系统性能的不利影响，减少基座姿态扰动，使得空间机械臂尽可能顺利执行任务，并提升空间机械臂的使用可靠性。
空间机械臂通常要承担多种任务（如在轨装配、在轨维护等），且任务对象涵盖范围较广，不仅包括飞行器、舱段、模块、设备等合作目标，还包括空间碎片、微流星等非合作目标。从国内外空间机械臂发展历程来看，空间机械臂承担的空间任务类型和部分空间任务示意分别如表1-1和图1-18所示。
表1-1 空间机械臂承担的空间任务类型
图1-18 空间机械臂所承担的部分空间任务示意
从表1-1中可看出，空间机械臂所需执行的空间任务是复杂多样的，且单个空间任务往往包含多个基本操作，例如空间机械臂对任务对象的抓取、搬运等。此外，不同的工况条件对空间机械臂也提出了相应的性能要求，例如空间机械臂在搬运任务目标时，针对不同载荷质量的搬运任务，空间机械臂需具备不同的承载能力。由于空间机械臂所执行的任务复杂多样，这些空间任务对机械臂多方面的性能提出要求，当关节发生故障时，空间机械臂往往会因为某些性能不满足空间任务要求，无法执行任务。因此，在空间机械臂的设计与使用中，需要充分考虑空间任务的特点以设计相应的容错策略，使空间机械臂在关节发生故障后仍能尽最大可能继续执行空间任务。