劉 宏，蔣再男，劉業(yè)超

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080)

空間機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展綜述

劉 宏，蔣再男，劉業(yè)超

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080)

介紹了國外載人航天中的航天飛機(jī)、國際空間站上的典型空間機(jī)械臂系統(tǒng)，概述了用于我國空間站建造和維護(hù)任務(wù)的空間站機(jī)械臂系統(tǒng)，詳述了其中核心艙機(jī)械臂和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的任務(wù)要求和基本方案，重點(diǎn)闡述了實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的關(guān)節(jié)、末端作用器、控制器以及遙操作子系統(tǒng)的方案、組成和主要功能，并對(duì)我國未來空間機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

空間機(jī)械臂；在軌建造；在軌維護(hù)

1 引言

空間機(jī)械臂具有一體化的空間感知、機(jī)動(dòng)和操作能力，通過在軌操作、地面遙操作或自主操作方式完成航天器的在軌裝配、污染清理、觀測(cè)與檢查、故障模塊更換、在軌加注、消耗載荷更換和補(bǔ)充、軌道清理、軌道轉(zhuǎn)移等工作[1]，是航天器在軌組裝與維護(hù)的核心裝備。

國際空間站的搭建和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，利用空間機(jī)械臂輔助航天員完成空間搭建和載荷維護(hù)等任務(wù)，大大減輕了航天員出艙風(fēng)險(xiǎn)，減輕了航天員的工作壓力，提高了空間探索活動(dòng)的效率[2-5]。

加拿大、日本、歐洲、美國等較早開展了空間機(jī)械臂的研究工作，并基于航天飛機(jī)、國際空間站等平臺(tái)開展了大量的在軌試驗(yàn)和工程應(yīng)用，積累了豐富的技術(shù)能力和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。我國目前已完成了針對(duì)合作目標(biāo)的空間機(jī)械臂在軌演示驗(yàn)證，正開展針對(duì)我國空間站的機(jī)械臂研制。

本文對(duì)載人航天中有人參與的空間機(jī)械臂進(jìn)行了綜述，分別介紹了國際空間站ISS(International Space Station)的加拿大移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)MSS(Mobile Serving System)、日本實(shí)驗(yàn)艙遠(yuǎn)程機(jī)械臂JEMRMS(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System)、歐空局機(jī)械臂ERA (European Robotic Arm)以及美國的機(jī)器人宇航員R2。針對(duì)我國空間站的建設(shè)與維護(hù)任務(wù)需求，介紹了空間站機(jī)械臂系統(tǒng)研制的基本情況，最后對(duì)我國空間機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

2 加拿大空間機(jī)械臂概況

2.1 加拿大SRMS機(jī)械臂

加拿大航天飛機(jī)遠(yuǎn)程機(jī)械臂SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)是人類歷史上第一套空間機(jī)械臂，安裝在航天飛機(jī)上，主要用來部署和回收固定和自由的有效載荷，轉(zhuǎn)移和支持航天員艙外作業(yè)，衛(wèi)星維修、國際空間站建造以及國際空間站在軌操作的觀測(cè)輔助任務(wù)[6-8]，如圖1所示。加拿大臂長約15 m，具有6個(gè)自由度，肘部和腕部安裝了相機(jī)，重約410.5 kg。肘部相機(jī)可為隔壁艙、操作臂以及有效載荷提供可視畫面，腕部相機(jī)可以協(xié)助末端執(zhí)行器和捕獲機(jī)構(gòu)的操作。SRMS采用航天員在軌操作方式進(jìn)行控制，航天飛機(jī)內(nèi)的航天員通過艙內(nèi)機(jī)器人工作站操作SRMS，操作模式包括自動(dòng)模式、手動(dòng)增強(qiáng)模式、單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)模式、直接驅(qū)動(dòng)模式以及備份驅(qū)動(dòng)模式。

圖1 加拿大SRM S系統(tǒng)Fig·1 Canadian SRMS system

2.2 加拿大MSS機(jī)械臂

加拿大的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)MSS用于國際空間站的搭建和維修等任務(wù)，主要由活動(dòng)基座系統(tǒng)(Mobile Base System，MBS)、空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)(Space Station Remote Manipulator System， SSRMS)以及專用靈巧機(jī)械臂(Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM)組成[10-12]。空間站遠(yuǎn)程操作臂系統(tǒng)SSRMS是由6自由度航天飛機(jī)遠(yuǎn)程機(jī)械臂SRMS演變而來的7自由度機(jī)械臂系統(tǒng)，長17.6 m，最大載荷質(zhì)量高達(dá)110 000 kg，操作靈活性大為提高，如圖2所示[13]。機(jī)械臂的桿件和關(guān)節(jié)柔性振動(dòng)制約了操作效率和末端定位精度，仍需要進(jìn)一步優(yōu)化控制。特殊用途靈巧操作器SPDM是一個(gè)雙臂機(jī)器人系統(tǒng)，可安裝在空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)SSRMS的末端，長度約為3.5 m，載荷質(zhì)量為600 kg，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)載荷的靈巧操作，完成一些可維修航天器的服務(wù)任務(wù)，如模塊更換、燃料加注等[14-16]，如圖2(c)。航天員根據(jù)反饋的實(shí)時(shí)視頻圖像，通過機(jī)器人操作臺(tái)RWS(Robot Work Station)操作面板、手柄等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)MSS的操作控制，如圖2(d)。近年來，對(duì)于部分常規(guī)例行檢查任務(wù)，MSS主要通過地面遙操作的方式進(jìn)行控制，減輕航天員工作負(fù)擔(dān)[17]。MSS的操作對(duì)象上安裝了視覺靶標(biāo)，屬于合作目標(biāo)操作。

圖2 加拿大MSS系統(tǒng)Fig·2 Canadian MSS system

3 日本JEMRMS機(jī)械臂概述

日本航天局JAXA(原來的NASDA)研制的日本實(shí)驗(yàn)艙遠(yuǎn)程機(jī)械臂JEMRMS由主臂MA (Main Arm)和小精細(xì)臂SFA(Small Fine Arm)串聯(lián)組成，安裝在國際空間站日本實(shí)驗(yàn)艙段[18-19]，用于支持和操作在暴露設(shè)施與實(shí)驗(yàn)后勤艙暴露部分上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，還可以支持空間站相應(yīng)區(qū)域的維護(hù)任務(wù)，以減輕航天員艙外活動(dòng)的工作負(fù)擔(dān)，如圖3所示。主臂長約10 m，具有六個(gè)自由度，最大載荷質(zhì)量可達(dá)7 000 kg；小精細(xì)臂長約2.2 m，具有六個(gè)自由度，柔順控制模式下最大載荷質(zhì)量可達(dá)80 kg，由主臂操作或者定位，完成一些精細(xì)或柔順作業(yè)。航天員根據(jù)反饋的實(shí)時(shí)視頻圖像，通過艙內(nèi)操作臺(tái)相關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)JEMRMS的操作控制，如圖3(b)。此外，近年來JEMRMS也可以通過地面遙操作的方式進(jìn)行控制[20-21]。JEMRMS操作對(duì)象也屬于合作目標(biāo)。

圖3 日本JEMRMS系統(tǒng)Fig·3 Japanese JEMRMS system

4 歐洲ERA機(jī)械臂概述

荷蘭空間中心研制的歐洲機(jī)械臂ERA，將用來對(duì)國際空間站俄羅斯艙段進(jìn)行裝配、維護(hù)，并可以利用機(jī)械臂末端的紅外相機(jī)對(duì)艙段進(jìn)行檢查[22-24]，如圖4所示。ERA機(jī)械臂是一個(gè)可重定位、完全對(duì)稱的7關(guān)節(jié)機(jī)械臂，長約11 m，最大載荷質(zhì)量可達(dá)8 000 kg。

ERA系統(tǒng)包括一個(gè)可重定位的7自由度機(jī)械臂、艙內(nèi)人機(jī)交互設(shè)備IMMI，艙外人機(jī)交互設(shè)備EMMI、中央控制計(jì)算機(jī)CPC、支撐設(shè)施以及工具庫。此外，地面部分包括任務(wù)準(zhǔn)備和訓(xùn)練設(shè)備MPTE用來實(shí)現(xiàn)對(duì)ERA任務(wù)的設(shè)計(jì)、訓(xùn)練、在線操作支持以及評(píng)估。航天員在空間站艙內(nèi)通過IVA-MMI(Intra Vehicular Activity-Man Machine Interface)或艙外通過EVA-MMI(Extra Vehicular Activity-Man Machine Interface)對(duì)ERA進(jìn)行操作，如圖4(b)。

圖4 歐空局ERAFig·4 ESA ERA

5 美國機(jī)器人航天員R2

NASA與通用汽車公司聯(lián)合開發(fā)了面向空間應(yīng)用的類人型雙臂機(jī)器人航天員系統(tǒng)R2(Robonaut2)[25]。R2是目前智能化程度最高的空間機(jī)器人系統(tǒng)，上肢具有42個(gè)自由度，頸部具有3個(gè)自由度，R2擁有兩個(gè)對(duì)稱的7自由度機(jī)械臂，機(jī)械臂末端安裝了仿人靈巧手，每只手有5個(gè)手指，共有12個(gè)自由度，具有強(qiáng)大的環(huán)境感知和靈巧操作能力[26-29]，如圖5(a)。為了能夠給R2提供必要的機(jī)動(dòng)能力，NASA目前已安裝2個(gè)7自由度的仿人型下肢。

圖5 美國R2系統(tǒng)Fig·5 NASA R2 system

R2自2011年2月被運(yùn)送至國際空間站以來，已經(jīng)完成了一系列任務(wù)，驗(yàn)證了其在微重力條件下的功能[30]：1)首次測(cè)試時(shí)，R2用符號(hào)語言向世界人民問好；2)第一個(gè)在太空中與航天員(國際空間站指揮官丹·伯班克)握手的人形機(jī)器人；3)展示出按按鈕、掰開關(guān)和旋轉(zhuǎn)旋鈕的能力，如圖5(b)；4)使用兩種航天員的工具開展工作——空氣流量計(jì)和RFID存儲(chǔ)物資掃描儀；5)另一個(gè)重要的試驗(yàn)是，航天員利用跟蹤器和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備臨場(chǎng)感遙操作R2機(jī)器人捕獲了一個(gè)在空間站美國實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)自由漂浮的物體，如圖5 (c)。R2具有通用型仿人手，可以實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)的操作。

6 中國空間站機(jī)械臂

6.1 空間站機(jī)械臂系統(tǒng)

中國針對(duì)空間站的搭建和維護(hù)任務(wù)，開始了中國空間站遠(yuǎn)程機(jī)械臂系統(tǒng)CSSRMS(Chinese Space Station Remote Manipulator System)研制[31]。CSSRMS由核心艙機(jī)械臂CMM(Core Module Manipulator)和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂EMM(Experimental Module Manipulator)組成(如圖6所示)。

圖6 中國空間站機(jī)械臂系統(tǒng)Fig·6 Manipulator system of Chinese space station

CMM和EMM長度分別約為10 m和5 m，最大載荷分別為25 000 kg和3 000 kg，均具有7個(gè)自由度。CMM和EMM可以獨(dú)立工作，也可以協(xié)同工作，共同完成我國空間站的維修維護(hù)任務(wù)。CSSRMS的操作對(duì)象一般為合作目標(biāo)。

6.2 核心艙機(jī)械臂

6.2.1 任務(wù)要求

核心艙機(jī)械臂主要用來完成重型艙段、載荷的搬運(yùn)，以及大范圍轉(zhuǎn)移等任務(wù)，主要任務(wù)包括空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對(duì)接、懸停飛行器捕獲與輔助對(duì)接、支持航天員EVA等[32]。

1)空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對(duì)接：空間站三艙基本構(gòu)型采用對(duì)接和轉(zhuǎn)位的方式完成建造，實(shí)驗(yàn)艙先對(duì)接于核心艙節(jié)點(diǎn)艙的軸向端口，然后通過機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)艙段分離、轉(zhuǎn)位、再對(duì)接操作，對(duì)接于節(jié)點(diǎn)艙側(cè)面。

2)懸停飛行器捕獲與輔助對(duì)接：采用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)來訪飛行器捕獲，并將其轉(zhuǎn)移至空間站停泊口或?qū)涌谔?，完成來訪飛行器與空間站對(duì)接。

3)支持航天員出艙活動(dòng)：航天員通過腳限位器可以將自己固定于機(jī)械臂末端，在機(jī)械臂的支持下，進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)移完成既定任務(wù)。

6.2.2 基本方案

核心艙機(jī)械臂由以下部分組成[32]：

1)艙內(nèi)部分

艙內(nèi)部分由機(jī)械臂操作臺(tái)和空間站為機(jī)械臂提供的接口組成，為機(jī)械臂提供電源、數(shù)據(jù)、指令、操作控制的保障。

2)艙外部分

鎖緊釋放機(jī)構(gòu)，用以完成機(jī)械臂發(fā)射或軌道機(jī)動(dòng)階段的鎖緊和入軌或姿態(tài)穩(wěn)定后的解鎖釋放。

機(jī)械臂本體由7個(gè)關(guān)節(jié)、2個(gè)末端執(zhí)行器、2個(gè)臂桿、1個(gè)中央控制器以及1套視覺相機(jī)系統(tǒng)組成。關(guān)節(jié)的配置采用“肩3+肘1+腕3”方案，即肩部依次設(shè)置肩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩偏航關(guān)節(jié)和肩俯仰關(guān)節(jié)，肘部設(shè)置肘俯仰關(guān)節(jié)，腕部依次設(shè)置腕俯仰關(guān)節(jié)、腕偏航關(guān)節(jié)和腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)可在空間站艙體表面實(shí)現(xiàn)肩、腕互換的位置轉(zhuǎn)移，即“爬行”。

關(guān)節(jié)是機(jī)械臂的核心部分，是機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的直接執(zhí)行部件。末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)適配器的捕獲、鎖緊和釋放，是完成抓握目標(biāo)的主要工具。核心艙機(jī)械臂配備3臺(tái)視覺相機(jī)，肩部、肘部、腕部各1臺(tái)，肩部和腕部相機(jī)可對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)識(shí)別和位姿測(cè)量功能，肘部相機(jī)具有視頻監(jiān)視功能。臂桿是機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)部分，用來連接與支撐關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器、中央控制器等部件。中央控制器是機(jī)械臂控制核心，依據(jù)在軌路徑規(guī)劃與算法或地面注入運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)動(dòng)；它還集成了以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，能夠?qū)σ曈X相機(jī)的視頻信號(hào)進(jìn)行集中管理。目標(biāo)適配器是末端執(zhí)行器抓取的目標(biāo)，布置在空間站艙體表面用于“爬行”，或布置在目標(biāo)物體上用于抓取物體。

3)遙操作平臺(tái)

地面系統(tǒng)主要由遙操作平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)天、地通信，用于機(jī)械臂在軌任務(wù)的地面規(guī)劃以及運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)具有機(jī)械臂故障檢測(cè)與在軌診斷的能力。

6.3 實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂

6.3.1 任務(wù)要求

實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的主要任務(wù)包括暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)載荷照料、光學(xué)平臺(tái)照料、支持航天員EVA以及載荷搬運(yùn)等。

1)暴露實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)載荷照料：(1)有源暴露載荷的操作，如出艙、安裝、照料、拆卸和回收等；(2)無源暴露載荷的安裝、更換和回收等；(3)試驗(yàn)載荷搬運(yùn)、安裝及拆卸。

2)空間站光學(xué)平臺(tái)照料：(1)光學(xué)平臺(tái)控制模塊定期更換和故障維修，貨運(yùn)飛船上行控制模塊備件由機(jī)械臂從貨艙中取出，搬運(yùn)至實(shí)驗(yàn)艙II光學(xué)平臺(tái)，更換后的控制模塊廢件由機(jī)械臂送入貨運(yùn)飛船中存儲(chǔ)；(2)光學(xué)平臺(tái)遮光罩的維護(hù)，需航天員參與，在機(jī)械臂的支持下完成維護(hù)任務(wù)；(3)光學(xué)平臺(tái)開口處艙體橫梁的移除，為了增大光學(xué)相機(jī)的視場(chǎng)范圍，將實(shí)驗(yàn)艙II艙體橫梁結(jié)構(gòu)移除，避免光學(xué)平臺(tái)視場(chǎng)遮擋。

3)實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂支持航天員EVA：(1)實(shí)驗(yàn)艙太陽翼及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修維護(hù)；(2)機(jī)械臂關(guān)節(jié)及末端作用器維修更換；(3)艙門和舷窗的維修。

4)艙外狀態(tài)檢查：(1)實(shí)驗(yàn)艙艙體狀態(tài)檢查；(2)實(shí)驗(yàn)艙太陽翼及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)維修維護(hù)；(3)配合核心艙機(jī)械臂完成空間站大范圍檢查。

5)艙外載荷與設(shè)備的搬運(yùn)、安裝、維護(hù)和更換：(1)大體積暴露實(shí)驗(yàn)載荷；(2)太陽翼的搬運(yùn)和維護(hù)；(3)桁架結(jié)構(gòu)的搬運(yùn)和安裝。

6.3.2 基本方案

實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂、艙內(nèi)操作設(shè)備及地面遙操作設(shè)備，其中艙內(nèi)操作設(shè)備及地面遙操作設(shè)備與核心艙機(jī)械臂共用，艙內(nèi)操作設(shè)備置于核心艙內(nèi)。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂由7個(gè)關(guān)節(jié)、2個(gè)末端作用器、2個(gè)臂桿、控制器、2套手眼相機(jī)、肘部相機(jī)等組成，如圖7所示。機(jī)械臂采用7自由度對(duì)稱構(gòu)型，兩端各1個(gè)末端作用器。其中，一個(gè)末端作用器用于實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂與實(shí)驗(yàn)艙的連接，作為實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂工作的基座；另一個(gè)末端作用器作為手臂抓捕操作的工具，也可實(shí)現(xiàn)與核心艙機(jī)械臂的對(duì)接，以構(gòu)成更長的串聯(lián)機(jī)械臂。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂控制器安裝在臂桿上，隨機(jī)械臂移動(dòng)。

圖7 實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂組成Fig·7 Configuration of EMM

6.3.3 關(guān)節(jié)子系統(tǒng)

關(guān)節(jié)是空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的核心部件，關(guān)節(jié)主要由諧波減速器、電機(jī)組件、關(guān)節(jié)力矩傳感器、關(guān)節(jié)輸出位置傳感器、關(guān)節(jié)限位機(jī)構(gòu)、電氣控制箱、熱控元件等組成，如圖8所示。

圖8 關(guān)節(jié)組成Fig·8 Configuration of joint

關(guān)節(jié)除了要滿足輸出力矩、速度、工作范圍、精度、壽命等主要技術(shù)指標(biāo)外，還具有如下功能：

1)通過標(biāo)準(zhǔn)、通用、可在軌更換的機(jī)電接口界面，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)與臂桿、關(guān)節(jié)與末端作用器的機(jī)電連接，構(gòu)成整個(gè)機(jī)械臂；

2)控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，按照所要求的位姿精度移動(dòng)末端操作器到指定的位姿；

3)采集關(guān)節(jié)信息，以應(yīng)答或定期發(fā)送的方式傳給小臂控制器；

4)采集溫度敏感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)的主動(dòng)熱控；

5)完成電氣自檢、程序自檢、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)試；

6)具備航天員手動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力、航天員扶手；

7)支持關(guān)節(jié)模塊在軌更換操作；

8)具有發(fā)射鎖緊機(jī)械接口；

9)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂系統(tǒng)內(nèi)電源、通訊、圖像等電氣連線傳輸。

6.3.4 末端作用器子系統(tǒng)

末端作用器是機(jī)械臂捕獲操作的裝置。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的末端作用器采用三爪式捕獲鎖緊機(jī)構(gòu)，有三個(gè)在圓周上均勻分布的捕獲手指、三套鎖緊手指以及與實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂連接的接口[33-34]。末端作用器采用一個(gè)帶有三根捕獲手指和三套鎖緊手指的結(jié)構(gòu)，外殼和頂蓋板裝配在一起，形成整個(gè)作用器的支撐結(jié)構(gòu)。外殼上安裝有手柄、手眼相機(jī)、航天員腳限制器接口，還留有一個(gè)鎖緊接口。頂蓋板上安裝有阻尼器、電連接器和微動(dòng)開關(guān)，分別與捕獲接口底板嚙合面上的對(duì)應(yīng)部分相匹配。除支撐結(jié)構(gòu)外，末端作用器還包括捕獲機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、定位機(jī)構(gòu)、動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)、EVA驅(qū)動(dòng)軸、EVA手柄、小臂連接接口以及電氣系統(tǒng)等，如圖9所示。

圖9 末端作用器組成Fig·9 Configuration of end effector

末端作用器除了滿足位姿容差、預(yù)緊力、抓取時(shí)間等主要技術(shù)要求外，還具備如下功能：

1)通過標(biāo)準(zhǔn)、通用、可在軌更換的機(jī)電接口界面，實(shí)現(xiàn)與末端關(guān)節(jié)腕力傳感器機(jī)電連接[35]，構(gòu)成整個(gè)機(jī)械臂；

2)控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，按照所要求的位姿實(shí)現(xiàn)末端操作器對(duì)目標(biāo)的捕獲操作；

3)末端作用器與捕獲接口之間能夠?qū)崿F(xiàn)剛性連接，以便為機(jī)械臂提供足夠高的剛度和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)其基點(diǎn)功能；

4)末端作用器具有動(dòng)力輸出功能，以對(duì)空間任務(wù)單元執(zhí)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工作；

5)收集末端作用器信息，以應(yīng)答或定期發(fā)送的方式傳給機(jī)械臂控制器；

6)采集溫度敏感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)末端作用器的主動(dòng)熱控；

7)完成電氣自檢、程序自檢、末端作用器運(yùn)動(dòng)測(cè)試；

8)支持末端作用器模塊在軌更換操作；

9)系統(tǒng)應(yīng)能夠提供緊急解鎖接口，具有意外情況下的手動(dòng)驅(qū)動(dòng)功能；

10)具有發(fā)射鎖緊機(jī)械接口；

11)具有手眼相機(jī)機(jī)械、電氣接口；

12)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)外(艙體、載荷等)電源、通訊、圖像等電氣連線傳輸；

13)末端作用器與捕獲接口之間能夠?qū)崿F(xiàn)無應(yīng)力條件下的電連接器連接，以便傳遞二者之間的電源、數(shù)據(jù)和信號(hào)。

6.3.5 控制器子系統(tǒng)

機(jī)械臂控制器是空間站實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對(duì)空間站實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的通訊、控制、電源管理等任務(wù)。控制器安裝在實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂外表面，由處理器模塊、容錯(cuò)模塊、電源分配模塊、總線背板以及機(jī)箱組成。

實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂控制器采用“二次電源+計(jì)算機(jī)OBC雙模冷備+容錯(cuò)雙模冷熱備+供配電切換”的體系結(jié)構(gòu)，如圖10所示，除機(jī)箱和總線板外，控制器由以下模塊組成，并對(duì)應(yīng)完成相關(guān)功能。

圖10 控制器組成Fig·10 Configuration of controller

1)計(jì)算機(jī)模塊OBC：OBC正常模式下計(jì)算、控制、接口通訊的核心，OBC采用冷備份雙模，分為OBCA和OBCB，可以由地面遙控直接切換當(dāng)班機(jī)，或FT自主切換當(dāng)班機(jī)；

2)容錯(cuò)模塊FT：負(fù)責(zé)監(jiān)視OBC工作狀態(tài)，當(dāng)OBCA故障時(shí)，負(fù)責(zé)OBCA至OBCB的自主切換。FT采用雙模冷備，分為FTA模塊、FTB模塊，F(xiàn)T只能由地面遙控直接指令進(jìn)行切換；

3)供配電切換模塊：負(fù)責(zé)根據(jù)OBC指令進(jìn)行48路100 V電源供配電切換；

4)二次電源模塊：通過一次電源產(chǎn)生OBC雙機(jī)使用二次電源+5.5 V、±12 V和雙份容錯(cuò)FT使用的二次電源+5.5 V。

6.3.6 在軌操作與地面遙操作

空間站機(jī)械臂可通過在軌操作和地面操作的方式進(jìn)行操作。航天員通過操作艙內(nèi)操作平臺(tái)上的“地面操作”(默認(rèn)狀態(tài))按鍵或通過地面指令，可切換至地面操作方式。在軌操作與地面遙操作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 在軌操作與地面遙操作Fig·11 On-orbit operation and ground teleoperation

1)在軌操作：航天員通過艙內(nèi)操作平臺(tái)在軌對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行操作。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)指令通過機(jī)械臂專用1553B總線轉(zhuǎn)發(fā)至實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂中央控制器，由中央控制器發(fā)送至關(guān)節(jié)控制器、末端控制器等終端設(shè)備執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的中央控制器負(fù)責(zé)收集機(jī)械臂內(nèi)遙測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)送至在軌操作平臺(tái)。

2)地面遙操作：地面任務(wù)專家通過地面遙操作平臺(tái)對(duì)機(jī)械臂的操作與維護(hù)。與在軌操作不同，地面遙操作系統(tǒng)在高度逼真的三維可視化場(chǎng)景及下行圖像和遙測(cè)數(shù)據(jù)輔助下，利用在線模型修正與預(yù)測(cè)仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械臂狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，消除或減輕通訊時(shí)延對(duì)操作的影響。此外，地面遙操作系統(tǒng)承擔(dān)著空間站機(jī)械臂任務(wù)前的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與驗(yàn)證，任務(wù)中的監(jiān)控和執(zhí)行，以及任務(wù)后的分析與評(píng)價(jià)。

在地面遙操作方式下，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)指令由地面操作平臺(tái)產(chǎn)生，通過上行信道發(fā)送至空間站數(shù)管分系統(tǒng)，再由數(shù)管分系統(tǒng)通過1553B總線發(fā)送至在軌操作平臺(tái)，進(jìn)而發(fā)送至機(jī)械臂的中央控制器分發(fā)執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的中央控制器負(fù)責(zé)收集機(jī)械臂內(nèi)遙測(cè)數(shù)據(jù)，并發(fā)送至在軌操作平臺(tái)，通過數(shù)管分系統(tǒng)處理后下傳地面觀測(cè)。同時(shí)，數(shù)管分系統(tǒng)將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至儀器儀表分系統(tǒng)進(jìn)行顯示處理。

7 中國空間機(jī)械臂發(fā)展建議

在調(diào)研國內(nèi)外空間機(jī)械臂的發(fā)展動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)上，對(duì)我國未來空間機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展提出了以下幾個(gè)建議：

1)開展空間機(jī)械臂柔性行為控制的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究

空間機(jī)械臂的柔性行為是指由于柔性關(guān)節(jié)和柔性臂桿導(dǎo)致的在剛性運(yùn)動(dòng)過程中伴隨有變形和振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)在軌操作任務(wù)的執(zhí)行精度產(chǎn)生重要影響?？臻g環(huán)境的復(fù)雜性和在軌操作任務(wù)的復(fù)雜性導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)和臂桿包含時(shí)間頻率高低尺度及空間范圍大小尺度的不同時(shí)空尺度特性運(yùn)動(dòng)，多元構(gòu)成要素、運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)聯(lián)、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、多臂在軌操作以及臂長變化使柔性行為的激發(fā)與演化過程異常復(fù)雜。柔性行為控制不僅要探索如何認(rèn)識(shí)空間機(jī)械臂柔性行為的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且還要研究如何對(duì)柔性行為施加外部影響保證空間機(jī)械臂執(zhí)行在軌操作任務(wù)按期望要求得以實(shí)現(xiàn)。

2)加快開展非合作目標(biāo)的自主維護(hù)技術(shù)研究

我國對(duì)非合作目標(biāo)的研究剛剛起步，與國外同類技術(shù)具有非常大的差距。針對(duì)非合作目標(biāo)的識(shí)別、測(cè)量等相關(guān)基礎(chǔ)理論方法，以及針對(duì)空間變化的光照環(huán)境下視覺識(shí)別方法的適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)，有必要加快開展相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究和重要關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)工作。

3)面向精細(xì)操作的機(jī)械臂在軌維護(hù)技術(shù)與航天器可維護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究交叉進(jìn)行

機(jī)械臂在軌自主維護(hù)技術(shù)和航天器在軌可維護(hù)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)航天器在軌自主維護(hù)的兩個(gè)重要方面，兩者技術(shù)的發(fā)展相輔相成。我國現(xiàn)有的航天器基本沒有考慮可維護(hù)設(shè)計(jì)，性能的提升和燃料提前耗盡問題只能通過發(fā)射新的替代航天器來加以解決，從長遠(yuǎn)來看非但不能享受在軌維護(hù)技術(shù)的先進(jìn)成果，反而限制了該技術(shù)的發(fā)展。因此，面向精細(xì)操作的機(jī)械臂在軌維護(hù)技術(shù)與航天器可維護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)需要交叉進(jìn)行研究，共同發(fā)展，從而降低服務(wù)操作的難度、費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。

4)充分利用我國空間站試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行在軌演示試驗(yàn)

美國在國際空間站上進(jìn)行了多次針對(duì)非合作目標(biāo)的在軌加注驗(yàn)證試驗(yàn)，并發(fā)射了類人型雙臂智能機(jī)器人航天員，取得了大量研究成果。我國空間站目前處于建設(shè)階段，非常有必要適時(shí)規(guī)劃燃料加注、非合作目標(biāo)精細(xì)維護(hù)、機(jī)器人航天員等代表技術(shù)發(fā)展方向的重要項(xiàng)目，進(jìn)一步推動(dòng)我國空間機(jī)器人在軌維護(hù)技術(shù)的快速發(fā)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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51905097)；國家基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(973-2013CB733103)

劉 宏(1966-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，教育部長江學(xué)者特聘教授，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)器人技術(shù)。E-mail：dlrhitlab＠aliyun.com