文  王 轩

　　空间机械臂是一类仿人类手臂构型的空间机器人，是融合机械、电子、控制、计算机等科学技术为一体的复杂系统。随着空间技术的发展和空间探索的不断深入，空间机械臂已经成为各国深空探测和在轨值守不可或缺的组件之一，在空间站、卫星、深空探测车上得到了广泛的应用。空间机械臂的特点是能够像人类的手臂一样抓取和搬运物体，在太空中对在轨单元进行操作，完成诸如空间舱段搬运与转移、太阳能帆板辅助展开、舱段辅助对接、小卫星捕获、辅助宇航员出舱等多类任务，替代和协助宇航员完成多种危险及无法单靠人力完成的工作，是空间环境中长期值守的核心装备，也是能够反映一个国家科技水平的高尖端航天装备。
　　
　　　　　　
　　目前，加拿大、美国、日本、部分欧洲国家较早地开展了空间机械臂的研究工作，并依托于国际空间站和卫星等载体进行了大量的在轨试验，积累了丰富的技术能力和应用经验。我国近年来对航天事业的投入力度加大，空间机械臂相关技术发展也非常迅速。本文将引领读者一探各国的空间机械臂发展情况，揭开空间机械臂技术的神秘面纱，来看看代替人类伸向深空的手臂为我们带来了怎样的科学认知。
　　

各显神通的空间机械臂

　　空间机械臂根据自身的工作环境不同，可以分为舱外机械臂和舱内机械臂。顾名思义，舱外机械臂就是在空间舱以外工作的机械臂，直接暴露在太空中，对外太空的在轨单元进行操作。因此，舱外机械臂会包裹着保护层，保护结构和电子器件不受强辐射、粒子束和大昼夜温差的影响。与其相反，舱内机械臂则在空间舱内完成太空任务，能够独立或协助宇航员完成舱内各类科学任务。
　　目前正在太空中服役的舱外机械臂仅有一条，那就是加拿大二号机械臂(Canadarm 2)，这条服役于国际空间站的机械臂于2001年4月19日由奋进号航天飞机搭载升空，在NASA航天员斯科特的帮助下，加拿大航天员克里斯将其安装在了国际空间站上。
　　加拿大二号机械臂由麦克唐纳德·特威勒公司制造，其正式名称是“空间站遥控操纵系统”(SSRMS)。该机械臂全长19米，重1.63吨，能够实现大重量物体的转移和搬运，在国际空间站搭建和运行期间起到重要作用。同时多次协助宇航员实现舱外行走，并且利用安装在其末端的灵巧操作器获得了对小尺寸物体的操作能力，能够对轨道上的一些可更换单元进行替换。
　　加拿大二号机械臂在太空中的运动指令是由地面控制中心发出的，其控制中心有两个，包括NASA的约翰逊航天中心和魁北克的圣胡伯特加拿大航天局总部，空间机械臂通过这种遥距离的操作方式，完成着各类在轨任务。
　　日本工程实验七号卫星（EST-VII）上搭载的空间机械臂也是舱外机械臂，是日本航天探测局于1997年11月发射。与加拿大机械臂不同的是，EST-VII作为一颗小卫星，具有自由飞行的特征，其搭载的机械臂尺寸较小，长度约2米，质量约150千克，拥有6个旋转关节，手臂的末端定位精度很高，能够达到1.3毫米，移动速度为50毫米/秒，负载能力超过40牛顿 。
　　该机械臂的主要任务是验证空间机械臂的相关技术。利用这条机械臂，研究人员完成了目标卫星和跟踪卫星的辅助交会对接，并测试了机械臂控制的遥操作模式和预编程模式，解决了地面与太空之间遥距离传输的多个关键技术，尤其是克服了大时延对遥操作性能的影响，对空间机械臂技术的发展做出了重要贡献。  
　　ROKVISS是德国宇航中心（DLR）研制的一款多传感器集成的小型空间机械臂。它的特点是具备多种感知能力，例如通过力/力矩传感器感知机械臂末端的刚性和柔性受力，利用触觉感知接触情况，利用激光测距传感器和立体相机实现位姿感知。利用ROKVISS，研究人员测试了机械臂硬件在空间粒子轰击下的可靠性，并验证了机械臂能在-20℃～60℃的温差下进行稳定工作。在完成了500多项科学实验后，ROKVISS于2015年返回地球，供研究者们研究其服役期间的老化和磨损情况。
　　作为舱内空间机器人的代表，Robonaut 2当仁不让。Robonaut 2是一个拥有双机械臂的仿人型空间机器人，它由美国宇航局和通用汽车公司联合开发设计，设计目标就是要替代宇航员完成太空的高危工作。Robonaunt 2依托于两条灵巧机械臂，能够像人类的宇航员一样使用简单的工具，并完成空间舱内的日常操作任务。此外，机器宇航员手臂上带有各类接口能够与空间舱内的接口实现快速对接。相比起机器宇航员1代，Robonaunt 2每个手指有4个关节，非常接近人类的手指，在仿人程度上更高，能够轻松实现与宇航员握手等动作。
　　

不同的构造 不同的任务

　　空间机械臂依靠其不同的构型，能够适应种类各异的空间操作任务。以国际空间站的舱外机械臂Canadarm 2为例，由于其负载能力大，且能够承受外太空的严苛环境，能够完成许多宇航员无法完成的工作，例如进行小卫星捕获、太阳能帆板展开、交会对接等等。当然由于空间机械臂的智能化和自主化还具有局限性，有些场合需要配合宇航员进行，此时机械臂的作用就是辅助宇航员到达指定目标位置，实现机械臂和宇航员的交互作业。
　　为了使得机械臂能够更好地完成在轨任务，需要进行相应的技术积累。空间机械臂在轨完成各种操作，是以获得目标位姿为前提。对象识别和位姿获取技术是空间机械臂的关键技术之一，利用该技术获得任务目标相对于机械臂坐标系的位置和姿态，并通过算法获得机械臂各个关节的运动角度，实现太空中的机械臂运动规划。同时，该技术还可以获取机械臂运动过程中障碍物和非合作目标的位置，从而实现运动过程中的障碍回避。
　　对象识别和位姿获取技术与传感器的应用是分不开的。对于空间机械臂，视觉是获取周围环境信息和操作目标信息的主要途径。依托于图像匹配算法，空间机械臂能够实现对太空环境和自身状态的认知。同时结合激光雷达、结构化光线等手段，使得机械臂获取信息的手段更加丰富。此外，力传感器和触觉传感器也开始在空间机械臂上得到应用，利用六维力传感器，可以清晰地反馈机械臂抓捕和交会过程中的受力情况，从而调整控制策略，减小冲击力。针对捕获自旋运动目标和非合作目标时，则通过视觉引导、触觉感知寻找捕获特征并实现精准抓捕。
　　

我国的研究之路

　　我国空间机械臂的研究起步较晚，研究工作主要集中在国内的一些研究所和高校。中国航天科技集团五院作为空间机械臂研究的先头单位，带领着国内的一批研究单位和人员突破了空间机械臂发展的一个又一个难关。
　　2012年在珠海航展上展出了我国的空间站机械臂原型样机，我国自主研发的空间机械臂将具有7个自由度，且具备爬行功能，长度约为10米，最大负载约25吨，设计寿命10年以上，用于我国空间站的建造、维护和照料。
　　2015年在世界机器人大会上展出了我国自行研制的空间站机械臂样机和采样机械臂样机，说明我国在面向空间站发展的同时，也将目光放远到深空探测当中，月球和火星探测已经纳入我国航天事业发展的规划当中。
　　目前，我国已经完成了卫星搭载机械臂进行相关关键技术的在轨验证，为我国空间站机械臂的研制奠定了坚实的基础。随着我国空间实验室天宫二号的发射成功，大型空间机械臂研制也在加快进行。借鉴国外成熟的技术和发展经验，发展有中国特色的空间机械臂技术具有重大的战略意义和社会经济价值。
　　航空航天技术的不断发展和空间探测的不断深入，使得空间机械臂发挥着越来越重要的作用。作为航空航天领域的明珠，空间机械臂技术集高自主化、高智能化于一体，是一个国家核心科技能力的集中体现。未来的空间机械臂乃至机器人系统，将会在稳定性、智能化和自主化发展的道路上不断迈进，满足在太空中长时间值守需求，且具备一定的自主学习、主动分析和预测能力，成为人类探索宇宙奥秘的得力助手。