空间机械臂技术发展综述

刘 宏，蒋再男，刘业超

(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150080)

空间机械臂技术发展综述

刘 宏，蒋再男，刘业超

(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨150080)

介绍了国外载人航天中的航天飞机、国际空间站上的典型空间机械臂系统，概述了用于我国空间站建造和维护任务的空间站机械臂系统，详述了其中核心舱机械臂和实验舱机械臂的任务要求和基本方案，重点阐述了实验舱机械臂的关节、末端作用器、控制器以及遥操作子系统的方案、组成和主要功能，并对我国未来空间机械臂技术的发展提出了建议。

空间机械臂；在轨建造；在轨维护

1 引言

空间机械臂具有一体化的空间感知、机动和操作能力，通过在轨操作、地面遥操作或自主操作方式完成航天器的在轨装配、污染清理、观测与检查、故障模块更换、在轨加注、消耗载荷更换和补充、轨道清理、轨道转移等工作[1]，是航天器在轨组装与维护的核心装备。

国际空间站的搭建和维护经验告诉我们，利用空间机械臂辅助航天员完成空间搭建和载荷维护等任务，大大减轻了航天员出舱风险，减轻了航天员的工作压力，提高了空间探索活动的效率[2-5]。

加拿大、日本、欧洲、美国等较早开展了空间机械臂的研究工作，并基于航天飞机、国际空间站等平台开展了大量的在轨试验和工程应用，积累了丰富的技术能力和应用经验。我国目前已完成了针对合作目标的空间机械臂在轨演示验证，正开展针对我国空间站的机械臂研制。

本文对载人航天中有人参与的空间机械臂进行了综述，分别介绍了国际空间站ISS(International Space Station)的加拿大移动服务系统MSS(Mobile Serving System)、日本实验舱远程机械臂JEMRMS(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System)、欧空局机械臂ERA (European Robotic Arm)以及美国的机器人宇航员R2。针对我国空间站的建设与维护任务需求，介绍了空间站机械臂系统研制的基本情况，最后对我国空间机械臂技术的发展提出了建议。

2 加拿大空间机械臂概况

2.1 加拿大SRMS机械臂

加拿大航天飞机远程机械臂SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)是人类历史上第一套空间机械臂，安装在航天飞机上，主要用来部署和回收固定和自由的有效载荷，转移和支持航天员舱外作业，卫星维修、国际空间站建造以及国际空间站在轨操作的观测辅助任务[6-8]，如图1所示。加拿大臂长约15 m，具有6个自由度，肘部和腕部安装了相机，重约410.5 kg。肘部相机可为隔壁舱、操作臂以及有效载荷提供可视画面，腕部相机可以协助末端执行器和捕获机构的操作。SRMS采用航天员在轨操作方式进行控制，航天飞机内的航天员通过舱内机器人工作站操作SRMS，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。

图1 加拿大SRM S系统Fig·1 Canadian SRMS system

2.2 加拿大MSS机械臂

加拿大的移动服务系统MSS用于国际空间站的搭建和维修等任务，主要由活动基座系统(Mobile Base System，MBS)、空间站遥控机械臂系统(Space Station Remote Manipulator System， SSRMS)以及专用灵巧机械臂(Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM)组成[10-12]。空间站远程操作臂系统SSRMS是由6自由度航天飞机远程机械臂SRMS演变而来的7自由度机械臂系统，长17.6 m，最大载荷质量高达110 000 kg，操作灵活性大为提高，如图2所示[13]。机械臂的杆件和关节柔性振动制约了操作效率和末端定位精度，仍需要进一步优化控制。特殊用途灵巧操作器SPDM是一个双臂机器人系统，可安装在空间站遥控机械臂系统SSRMS的末端，长度约为3.5 m，载荷质量为600 kg，能够实现对载荷的灵巧操作，完成一些可维修航天器的服务任务，如模块更换、燃料加注等[14-16]，如图2(c)。航天员根据反馈的实时视频图像，通过机器人操作台RWS(Robot Work Station)操作面板、手柄等设备实现对MSS的操作控制，如图2(d)。近年来，对于部分常规例行检查任务，MSS主要通过地面遥操作的方式进行控制，减轻航天员工作负担[17]。MSS的操作对象上安装了视觉靶标，属于合作目标操作。

图2 加拿大MSS系统Fig·2 Canadian MSS system

3 日本JEMRMS机械臂概述

日本航天局JAXA(原来的NASDA)研制的日本实验舱远程机械臂JEMRMS由主臂MA (Main Arm)和小精细臂SFA(Small Fine Arm)串联组成，安装在国际空间站日本实验舱段[18-19]，用于支持和操作在暴露设施与实验后勤舱暴露部分上进行的实验，还可以支持空间站相应区域的维护任务，以减轻航天员舱外活动的工作负担，如图3所示。主臂长约10 m，具有六个自由度，最大载荷质量可达7 000 kg；小精细臂长约2.2 m，具有六个自由度，柔顺控制模式下最大载荷质量可达80 kg，由主臂操作或者定位，完成一些精细或柔顺作业。航天员根据反馈的实时视频图像，通过舱内操作台相关设备实现对JEMRMS的操作控制，如图3(b)。此外，近年来JEMRMS也可以通过地面遥操作的方式进行控制[20-21]。JEMRMS操作对象也属于合作目标。

图3 日本JEMRMS系统Fig·3 Japanese JEMRMS system

4 欧洲ERA机械臂概述

荷兰空间中心研制的欧洲机械臂ERA，将用来对国际空间站俄罗斯舱段进行装配、维护，并可以利用机械臂末端的红外相机对舱段进行检查[22-24]，如图4所示。ERA机械臂是一个可重定位、完全对称的7关节机械臂，长约11 m，最大载荷质量可达8 000 kg。

ERA系统包括一个可重定位的7自由度机械臂、舱内人机交互设备IMMI，舱外人机交互设备EMMI、中央控制计算机CPC、支撑设施以及工具库。此外，地面部分包括任务准备和训练设备MPTE用来实现对ERA任务的设计、训练、在线操作支持以及评估。航天员在空间站舱内通过IVA-MMI(Intra Vehicular Activity-Man Machine Interface)或舱外通过EVA-MMI(Extra Vehicular Activity-Man Machine Interface)对ERA进行操作，如图4(b)。

图4 欧空局ERAFig·4 ESA ERA

5 美国机器人航天员R2

NASA与通用汽车公司联合开发了面向空间应用的类人型双臂机器人航天员系统R2(Robonaut2)[25]。R2是目前智能化程度最高的空间机器人系统，上肢具有42个自由度，颈部具有3个自由度，R2拥有两个对称的7自由度机械臂，机械臂末端安装了仿人灵巧手，每只手有5个手指，共有12个自由度，具有强大的环境感知和灵巧操作能力[26-29]，如图5(a)。为了能够给R2提供必要的机动能力，NASA目前已安装2个7自由度的仿人型下肢。

图5 美国R2系统Fig·5 NASA R2 system

R2自2011年2月被运送至国际空间站以来，已经完成了一系列任务，验证了其在微重力条件下的功能[30]：1)首次测试时，R2用符号语言向世界人民问好；2)第一个在太空中与航天员(国际空间站指挥官丹·伯班克)握手的人形机器人；3)展示出按按钮、掰开关和旋转旋钮的能力，如图5(b)；4)使用两种航天员的工具开展工作——空气流量计和RFID存储物资扫描仪；5)另一个重要的试验是，航天员利用跟踪器和数据手套等设备临场感遥操作R2机器人捕获了一个在空间站美国实验舱内自由漂浮的物体，如图5 (c)。R2具有通用型仿人手，可以实现非合作目标的操作。

6 中国空间站机械臂

6.1 空间站机械臂系统

中国针对空间站的搭建和维护任务，开始了中国空间站远程机械臂系统CSSRMS(Chinese Space Station Remote Manipulator System)研制[31]。CSSRMS由核心舱机械臂CMM(Core Module Manipulator)和实验舱机械臂EMM(Experimental Module Manipulator)组成(如图6所示)。

图6 中国空间站机械臂系统Fig·6 Manipulator system of Chinese space station

CMM和EMM长度分别约为10 m和5 m，最大载荷分别为25 000 kg和3 000 kg，均具有7个自由度。CMM和EMM可以独立工作，也可以协同工作，共同完成我国空间站的维修维护任务。CSSRMS的操作对象一般为合作目标。

6.2 核心舱机械臂

6.2.1 任务要求

核心舱机械臂主要用来完成重型舱段、载荷的搬运，以及大范围转移等任务，主要任务包括空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员EVA等[32]。

1)空间站舱段转位与辅助对接：空间站三舱基本构型采用对接和转位的方式完成建造，实验舱先对接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过机械臂实现舱段分离、转位、再对接操作，对接于节点舱侧面。

2)悬停飞行器捕获与辅助对接：采用机械臂实现来访飞行器捕获，并将其转移至空间站停泊口或对接口处，完成来访飞行器与空间站对接。

3)支持航天员出舱活动：航天员通过脚限位器可以将自己固定于机械臂末端，在机械臂的支持下，进行大范围转移完成既定任务。

6.2.2 基本方案

核心舱机械臂由以下部分组成[32]：

1)舱内部分

舱内部分由机械臂操作台和空间站为机械臂提供的接口组成，为机械臂提供电源、数据、指令、操作控制的保障。

2)舱外部分

锁紧释放机构，用以完成机械臂发射或轨道机动阶段的锁紧和入轨或姿态稳定后的解锁释放。

机械臂本体由7个关节、2个末端执行器、2个臂杆、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”方案，即肩部依次设置肩回转关节、肩偏航关节和肩俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部依次设置腕俯仰关节、腕偏航关节和腕回转关节。这种对称的结构可在空间站舱体表面实现肩、腕互换的位置转移，即“爬行”。

关节是机械臂的核心部分，是机械臂实现各种运动的直接执行部件。末端执行器能够实现对目标适配器的捕获、锁紧和释放，是完成抓握目标的主要工具。核心舱机械臂配备3台视觉相机，肩部、肘部、腕部各1台，肩部和腕部相机可对目标实现识别和位姿测量功能，肘部相机具有视频监视功能。臂杆是机械臂的结构部分，用来连接与支撑关节、末端执行器、中央控制器等部件。中央控制器是机械臂控制核心，依据在轨路径规划与算法或地面注入运动规划实现指定运动；它还集成了以太网络交换机，能够对视觉相机的视频信号进行集中管理。目标适配器是末端执行器抓取的目标，布置在空间站舱体表面用于“爬行”，或布置在目标物体上用于抓取物体。

3)遥操作平台

地面系统主要由遥操作平台组成，实现天、地通信，用于机械臂在轨任务的地面规划以及运动控制，同时具有机械臂故障检测与在轨诊断的能力。

6.3 实验舱机械臂

6.3.1 任务要求

实验舱机械臂的主要任务包括暴露实验平台实验载荷照料、光学平台照料、支持航天员EVA以及载荷搬运等。

1)暴露实验平台实验载荷照料：(1)有源暴露载荷的操作，如出舱、安装、照料、拆卸和回收等；(2)无源暴露载荷的安装、更换和回收等；(3)试验载荷搬运、安装及拆卸。

2)空间站光学平台照料：(1)光学平台控制模块定期更换和故障维修，货运飞船上行控制模块备件由机械臂从货舱中取出，搬运至实验舱II光学平台，更换后的控制模块废件由机械臂送入货运飞船中存储；(2)光学平台遮光罩的维护，需航天员参与，在机械臂的支持下完成维护任务；(3)光学平台开口处舱体横梁的移除，为了增大光学相机的视场范围，将实验舱II舱体横梁结构移除，避免光学平台视场遮挡。

3)实验舱机械臂支持航天员EVA：(1)实验舱太阳翼及驱动机构维修维护；(2)机械臂关节及末端作用器维修更换；(3)舱门和舷窗的维修。

4)舱外状态检查：(1)实验舱舱体状态检查；(2)实验舱太阳翼及驱动机构维修维护；(3)配合核心舱机械臂完成空间站大范围检查。

5)舱外载荷与设备的搬运、安装、维护和更换：(1)大体积暴露实验载荷；(2)太阳翼的搬运和维护；(3)桁架结构的搬运和安装。

6.3.2 基本方案

实验舱机械臂系统包括实验舱机械臂、舱内操作设备及地面遥操作设备，其中舱内操作设备及地面遥操作设备与核心舱机械臂共用，舱内操作设备置于核心舱内。实验舱机械臂由7个关节、2个末端作用器、2个臂杆、控制器、2套手眼相机、肘部相机等组成，如图7所示。机械臂采用7自由度对称构型，两端各1个末端作用器。其中，一个末端作用器用于实验舱机械臂与实验舱的连接，作为实验舱机械臂工作的基座；另一个末端作用器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。实验舱机械臂控制器安装在臂杆上，随机械臂移动。

图7 实验舱机械臂组成Fig·7 Configuration of EMM

6.3.3 关节子系统

关节是空间机械臂运动的核心部件，关节主要由谐波减速器、电机组件、关节力矩传感器、关节输出位置传感器、关节限位机构、电气控制箱、热控元件等组成，如图8所示。

图8 关节组成Fig·8 Configuration of joint

关节除了要满足输出力矩、速度、工作范围、精度、寿命等主要技术指标外，还具有如下功能：

1)通过标准、通用、可在轨更换的机电接口界面，实现关节与关节、关节与臂杆、关节与末端作用器的机电连接，构成整个机械臂；

2)控制和驱动电机，按照所要求的位姿精度移动末端操作器到指定的位姿；

3)采集关节信息，以应答或定期发送的方式传给小臂控制器；

4)采集温度敏感器信号，实现对关节的主动热控；

5)完成电气自检、程序自检、关节运动测试；

6)具备航天员手动驱动能力、航天员扶手；

7)支持关节模块在轨更换操作；

8)具有发射锁紧机械接口；

9)实现机械臂系统内电源、通讯、图像等电气连线传输。

6.3.4 末端作用器子系统

末端作用器是机械臂捕获操作的装置。实验舱机械臂的末端作用器采用三爪式捕获锁紧机构，有三个在圆周上均匀分布的捕获手指、三套锁紧手指以及与实验舱机械臂连接的接口[33-34]。末端作用器采用一个带有三根捕获手指和三套锁紧手指的结构，外壳和顶盖板装配在一起，形成整个作用器的支撑结构。外壳上安装有手柄、手眼相机、航天员脚限制器接口，还留有一个锁紧接口。顶盖板上安装有阻尼器、电连接器和微动开关，分别与捕获接口底板啮合面上的对应部分相匹配。除支撑结构外，末端作用器还包括捕获机构、锁紧机构、定位机构、动力输出机构、EVA驱动轴、EVA手柄、小臂连接接口以及电气系统等，如图9所示。

图9 末端作用器组成Fig·9 Configuration of end effector

末端作用器除了满足位姿容差、预紧力、抓取时间等主要技术要求外，还具备如下功能：

1)通过标准、通用、可在轨更换的机电接口界面，实现与末端关节腕力传感器机电连接[35]，构成整个机械臂；

2)控制和驱动电机，按照所要求的位姿实现末端操作器对目标的捕获操作；

3)末端作用器与捕获接口之间能够实现刚性连接，以便为机械臂提供足够高的刚度和强度，实现其基点功能；

4)末端作用器具有动力输出功能，以对空间任务单元执行动力驱动工作；

5)收集末端作用器信息，以应答或定期发送的方式传给机械臂控制器；

6)采集温度敏感器信号，实现对末端作用器的主动热控；

7)完成电气自检、程序自检、末端作用器运动测试；

8)支持末端作用器模块在轨更换操作；

9)系统应能够提供紧急解锁接口，具有意外情况下的手动驱动功能；

10)具有发射锁紧机械接口；

11)具有手眼相机机械、电气接口；

12)实现机械臂对外(舱体、载荷等)电源、通讯、图像等电气连线传输；

13)末端作用器与捕获接口之间能够实现无应力条件下的电连接器连接，以便传递二者之间的电源、数据和信号。

6.3.5 控制器子系统

机械臂控制器是空间站实验舱机械臂系统的重要组成部分，主要完成对空间站实验舱机械臂的通讯、控制、电源管理等任务。控制器安装在实验舱机械臂外表面，由处理器模块、容错模块、电源分配模块、总线背板以及机箱组成。

实验舱机械臂控制器采用“二次电源+计算机OBC双模冷备+容错双模冷热备+供配电切换”的体系结构，如图10所示，除机箱和总线板外，控制器由以下模块组成，并对应完成相关功能。

图10 控制器组成Fig·10 Configuration of controller

1)计算机模块OBC：OBC正常模式下计算、控制、接口通讯的核心，OBC采用冷备份双模，分为OBCA和OBCB，可以由地面遥控直接切换当班机，或FT自主切换当班机；

2)容错模块FT：负责监视OBC工作状态，当OBCA故障时，负责OBCA至OBCB的自主切换。FT采用双模冷备，分为FTA模块、FTB模块，FT只能由地面遥控直接指令进行切换；

3)供配电切换模块：负责根据OBC指令进行48路100 V电源供配电切换；

4)二次电源模块：通过一次电源产生OBC双机使用二次电源+5.5 V、±12 V和双份容错FT使用的二次电源+5.5 V。

6.3.6 在轨操作与地面遥操作

空间站机械臂可通过在轨操作和地面操作的方式进行操作。航天员通过操作舱内操作平台上的“地面操作”(默认状态)按键或通过地面指令，可切换至地面操作方式。在轨操作与地面遥操作的系统结构如图11所示。

图11 在轨操作与地面遥操作Fig·11 On-orbit operation and ground teleoperation

1)在轨操作：航天员通过舱内操作平台在轨对机械臂进行操作。机械臂的运动指令通过机械臂专用1553B总线转发至实验舱机械臂中央控制器，由中央控制器发送至关节控制器、末端控制器等终端设备执行。实验舱机械臂的中央控制器负责收集机械臂内遥测数据，发送至在轨操作平台。

2)地面遥操作：地面任务专家通过地面遥操作平台对机械臂的操作与维护。与在轨操作不同，地面遥操作系统在高度逼真的三维可视化场景及下行图像和遥测数据辅助下，利用在线模型修正与预测仿真技术对机械臂状态进行预测，消除或减轻通讯时延对操作的影响。此外，地面遥操作系统承担着空间站机械臂任务前的设计、规划与验证，任务中的监控和执行，以及任务后的分析与评价。

在地面遥操作方式下，机械臂的运动指令由地面操作平台产生，通过上行信道发送至空间站数管分系统，再由数管分系统通过1553B总线发送至在轨操作平台，进而发送至机械臂的中央控制器分发执行。实验舱机械臂的中央控制器负责收集机械臂内遥测数据，并发送至在轨操作平台，通过数管分系统处理后下传地面观测。同时，数管分系统将相应数据发送至仪器仪表分系统进行显示处理。

7 中国空间机械臂发展建议

在调研国内外空间机械臂的发展动态基础上，对我国未来空间机械臂技术发展提出了以下几个建议：

1)开展空间机械臂柔性行为控制的基础科学问题研究

空间机械臂的柔性行为是指由于柔性关节和柔性臂杆导致的在刚性运动过程中伴随有变形和振动的运动，对在轨操作任务的执行精度产生重要影响。空间环境的复杂性和在轨操作任务的复杂性导致运动关联的机械臂关节和臂杆包含时间频率高低尺度及空间范围大小尺度的不同时空尺度特性运动，多元构成要素、运动耦合关联、平台运动、多臂在轨操作以及臂长变化使柔性行为的激发与演化过程异常复杂。柔性行为控制不仅要探索如何认识空间机械臂柔性行为的运动规律，而且还要研究如何对柔性行为施加外部影响保证空间机械臂执行在轨操作任务按期望要求得以实现。

2)加快开展非合作目标的自主维护技术研究

我国对非合作目标的研究刚刚起步，与国外同类技术具有非常大的差距。针对非合作目标的识别、测量等相关基础理论方法，以及针对空间变化的光照环境下视觉识别方法的适应性等关键技术，有必要加快开展相关基础科学问题研究和重要关键技术的攻关工作。

3)面向精细操作的机械臂在轨维护技术与航天器可维护设计技术的研究交叉进行

机械臂在轨自主维护技术和航天器在轨可维护设计是实现航天器在轨自主维护的两个重要方面，两者技术的发展相辅相成。我国现有的航天器基本没有考虑可维护设计，性能的提升和燃料提前耗尽问题只能通过发射新的替代航天器来加以解决，从长远来看非但不能享受在轨维护技术的先进成果，反而限制了该技术的发展。因此，面向精细操作的机械臂在轨维护技术与航天器可维护设计技术需要交叉进行研究，共同发展，从而降低服务操作的难度、费用和风险。

4)充分利用我国空间站试验平台进行在轨演示试验

美国在国际空间站上进行了多次针对非合作目标的在轨加注验证试验，并发射了类人型双臂智能机器人航天员，取得了大量研究成果。我国空间站目前处于建设阶段，非常有必要适时规划燃料加注、非合作目标精细维护、机器人航天员等代表技术发展方向的重要项目，进一步推动我国空间机器人在轨维护技术的快速发展。

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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

国家自然科学基金资助项目(51905097)；国家基础研究发展规划资助项目(973-2013CB733103)

刘 宏(1966-)，男，博士，教授，博士生导师，教育部长江学者特聘教授，研究方向为空间机器人技术。E-mail：dlrhitlab＠aliyun.com