空間機械臂是一個機、電、熱、控一體化高度集成的空間機電系統，其本身實際上是一個智能機器人。空間機械臂的主體機械結構分為根部、中段和端部三部分。可以輔助空間飛行器完成交會對接、對空間目標的捕獲釋放、在軌服務、空間觀測等任務。
1954年，美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，目前國際上使用的機械臂大多仍是這種工作方式。第二代機械臂即具有如視覺、觸覺等外部感覺功能的機械臂。第三代機器臂目前還處于研究階段，距離實際應用還有一段距離。隨著載人航天、火星探測、在軌服務、星球基地等技術的發展，人類在探索宇宙的活動中開始應用空間機械臂代替或輔助航天員工作。
根據安裝位置不同，空間機械臂分為艙內和艙外兩大類，艙內機械臂因為受艙內空間的限制，尺寸和運動范圍都受到了制約，主要的用途是艙內組件的裝配、零部件的更換、對漂浮物體的抓取，空間科學試驗等。艙外機械臂針對不同任務而設計，長度從幾米到十幾米不等。
歷史沿革
機械臂是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動，以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作，以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和核能等部門。
第一代機械臂
1954年，美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念，借助伺服技術控制機器人的關節，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人。目前國際上使用的機械臂大多仍是這種工作方式。由于這種工作方式只能按照事先示教的位置和姿態重復動作而對周圍環境毫無感覺的功能，其應用范圍受到一定的限制，主要應用于材料的搬運、噴漆、電焊等工作。
第二代機械臂
第二代機械臂即具有如視覺、觸覺等外部感覺功能的機械臂。這種情況由于具有外部的感覺功能，因此可以根據外界的情況修改自身的動作，從而完成較為復雜的動作。這類機械臂除了具有外部感覺功能外，還具有規劃和決策功能，從而可以適應由于環境的變化而自主進行的工作。
第三代機械臂
第三代機器臂還處于研究階段，距離實際應用還有一段距離。隨著載人航天、火星探測、在軌服務、星球基地等技術的發展，人類在探索宇宙的活動中開始應用空間機械臂代替或輔助航天員工作。針對不同任務的需求，自由度為5～10個，安裝載體有航天飛機、空間站及小型飛行器或空間機器人。它主要完成輔助對接、目標搬運、在軌建設、攝像、對衛星等空間合作或非合作目標的捕獲釋放等。此外，還可以作為航天員出艙活動的輔助設備。
基本結構
繩驅空間機械臂的主體機械結構分為根部、中段和端部三部分。其中，根部用于連接機械臂和漂浮基座;中段主要包含五組臂桿，每組臂桿由六根相同的臂段串聯而成，全部臂段通過萬向節進行相連:端部用于放置機械臂的載荷。除30根臀桿之外，機械臂還包括15根驅動繩索和60根聯動繩索。驅動繩索穿過臂桿的過孔并帶動臂桿進行運動。對于同一組臂段而言，其組內的萬向節由聯動繩索來保證轉角的同步性，該同步性使得機械臂在運動時具有呈分段等曲率的幾何特征，從而增強機械臂的操控性能。
應用領域
航天飛機
SRMS是由加拿大為美國航空航天局研制制造的，是加拿大航天局研制的第一代空間機械臂，又稱為“加拿大機械臂”，于1981年安裝在美國的航天飛機上，并多次成功執行任務，也是第一個成功應用的空間機械臂系統，標志著空間機器人進人空間使用階段。SRMS可以用于部署和回收衛星、抓獲目標、鉆探樣品，也可以作為航天員太空行走的一個移動工作平臺SRMS具有6個自由度，其中腕關節具有3個自由度（側轉、偏轉和滾動），肘關節具有1個自由度（側轉），肩關節具有2個自由度（偏轉、側轉）。
SRMS總長約為15.2m，直徑為38cm，質量為410kg，設計載荷為29484kg。SRMS配備兩個相機，肘部和腕部各有一個。肘部的相機可以為一般的隔壁艙、操作臂及有效載荷提供可視畫面，腕部相機可以協助末端器和抓取結構的操作。
國際空間站
SSRMS是由加拿大為美國航空航天局設計制造的空間站遙控機械臂系統，該系統是SRMS的二代產品，因此又稱為“加拿大機械臂2”，SSRMS有7個自由度，操作臂總長17.6m，質量1800kg，最大載荷為116t，配備了4個彩色相機，2個肘側各1個，另外2個安裝在末端執行器上。
SSRMS主要用于執行大型有效載荷和ORU的相關操作任務，包括停泊與脫離、機動，以及與其他機器人系統共同執行控制轉交操作。SSRMS還能在工位上實現對SPDM的定位，提供EVA支持，進行國際空間站的外部檢查。其他能力包括對自由飛行器的捕獲和軌道停靠（脫離）等。專用靈巧手裝置（SPDM），或稱加拿大手，是個更小的機械裝置，用于在太空行走時，替代完成現在由航天員進行的精密裝配的工作。SPDM由2個3.5m長、帶有7個關節的操作臂和1個基座組成，2個臂和1個基座的自由度關節共計15個，這些關節使該系統格外靈巧。基座上安裝有2個相機，這使得機械臂操作的準確性大大提高。SPDM質量約1662kg，負載能力可達600kg，定位重復性誤差為0.125cm。SPDM具備執行靈巧操作的能力，因此其主要功能是進行維修和有效載荷服務，還能為出艙航天員提供照明和監視服務。
實驗艙
JEMRMS是由日、歐、俄聯合研制試驗，在國際空間站日本艙內進行搬運、更換試驗設備和輔助試驗等作業的機器人系統。該機械臂系統總質量約為1000kg，由主體臂（MA）和精細臂（SFA）兩個連接臂組成，主體臂連接在高壓艙上，自由度為6個，長度約為99m，載荷能力約為7000kg，主要用作大負載的處理，如JEM的組裝和外露設施相關試驗等。精細臂是一個約2m長的子機械臂，連接在主體臂的末端器上，有6個自由度主要執行一些靈巧操作任務。精細臂的最大負載能力約為300kg。
在軌服務
日本于1997年發射工程試驗衛星ETS-，主要用來進行在軌操作試驗配置了一臺6自由度機械臂，其長度約2m，每個關節由直流無刷電動機、諧波轉動齒輪和一個解調器組合驅動。一個手眼攝像機裝在末端效應器上，另一個監視攝像機安裝在第一個關節上。機械管安裝在衛星對著地球的面上，利用地球的反射光作光源。
基本分類
空間機械臂分為艙內和艙外兩大類，艙內機械臂因為受艙內空間的限制，尺寸和運動范圍都受到了制約，主要的用途是艙內組件的裝配、零部件的更換、對漂浮物體的抓取，空間科學試驗等。艙外機械臂針對不同任務而設計，長度從幾米到十幾米不等，可以輔助空間飛行器完成交會對接、對空間目標的捕獲釋放、在軌服務、空間觀測等任務。
關鍵技術
任務規劃技術
任務規劃技術綜合考慮任務本身的特點、流程和環境等因素，將這些因素作為約束條件，合理規劃出完成任務所需的行為決策和動作序列。主要解決空間機械臂的總體方案、操作流程、程序設計以及控制策略設計等。空間機械臂有其應用或驗證的明確目標:如實現國際空間站組裝、運營和維護任務，驗證機械臂本體設計、控制策略、遙操作等技術。空間機械臂的任務規劃根據機械臂需要完成的任務需求和約束條件，建立合理的飛行方案。
系統控制技術
系統控制技術通過精細位置控制實現，機械臂與被操作對象的安全接觸操作主要由柔順控制來保證，還有部分任務需要機械臂能夠主動施加力實現與被操作對象的可靠連接。
路徑規劃技術
路徑規劃技術考慮空間機械臂的環境布局，碰撞干涉、機械臂操作對基座反作用力/力矩限制、末端運動軌跡限制等多目標約束，規劃出空間機械臂的安全無碰運動路徑，保證系統任務安全可靠實施。根據載體航天器姿態控制情況，可以將空間機械臂的路徑規劃分為基座受控和自由漂浮2大類。基座受控的空間機械臂路徑規劃可直接利用地面機械臂路徑規劃的相關技術;而基座漂浮的空間機械臂路徑規劃需要綜合考慮載體航天器的飛行任務約束與機械臂末端的任務目標之間的聯系。
參考資料 >
技術派|太空巧手，中國空間機械臂技術領先世界.澎湃新聞.2024-01-05