文 王 軒

空間機械臂是一類仿人類手臂構(gòu)型的空間機器人，是融合機械、電子、控制、計算機等科學技術(shù)為一體的復雜系統(tǒng)。隨著空間技術(shù)的發(fā)展和空間探索的不斷深入，空間機械臂已經(jīng)成為各國深空探測和在軌值守不可或缺的組件之一，在空間站、衛(wèi)星、深空探測車上得到了廣泛的應用?？臻g機械臂的特點是能夠像人類的手臂一樣抓取和搬運物體，在太空中對在軌單元進行操作，完成諸如空間艙段搬運與轉(zhuǎn)移、太陽能帆板輔助展開、艙段輔助對接、小衛(wèi)星捕獲、輔助宇航員出艙等多類任務，替代和協(xié)助宇航員完成多種危險及無法單靠人力完成的工作，是空間環(huán)境中長期值守的核心裝備，也是能夠反映一個國家科技水平的高尖端航天裝備。

目前，加拿大、美國、日本、部分歐洲國家較早地開展了空間機械臂的研究工作，并依托于國際空間站和衛(wèi)星等載體進行了大量的在軌試驗，積累了豐富的技術(shù)能力和應用經(jīng)驗。我國近年來對航天事業(yè)的投入力度加大，空間機械臂相關技術(shù)發(fā)展也非常迅速。本文將引領讀者一探各國的空間機械臂發(fā)展情況，揭開空間機械臂技術(shù)的神秘面紗，來看看代替人類伸向深空的手臂為我們帶來了怎樣的科學認知。

各顯神通的空間機械臂

空間機械臂根據(jù)自身的工作環(huán)境不同，可以分為艙外機械臂和艙內(nèi)機械臂。顧名思義，艙外機械臂就是在空間艙以外工作的機械臂，直接暴露在太空中，對外太空的在軌單元進行操作。因此，艙外機械臂會包裹著保護層，保護結(jié)構(gòu)和電子器件不受強輻射、粒子束和大晝夜溫差的影響。與其相反，艙內(nèi)機械臂則在空間艙內(nèi)完成太空任務，能夠獨立或協(xié)助宇航員完成艙內(nèi)各類科學任務。

目前正在太空中服役的艙外機械臂僅有一條，那就是加拿大二號機械臂(Canadarm 2)，這條服役于國際空間站的機械臂于2001年4月19日由奮進號航天飛機搭載升空，在NASA航天員斯科特的幫助下，加拿大航天員克里斯將其安裝在了國際空間站上。

加拿大二號機械臂由麥克唐納德·特威勒公司制造，其正式名稱是“空間站遙控操縱系統(tǒng)”(SSRMS)。該機械臂全長19米，重1.63噸，能夠?qū)崿F(xiàn)大重量物體的轉(zhuǎn)移和搬運，在國際空間站搭建和運行期間起到重要作用。同時多次協(xié)助宇航員實現(xiàn)艙外行走，并且利用安裝在其末端的靈巧操作器獲得了對小尺寸物體的操作能力，能夠?qū)壍郎系囊恍┛筛鼡Q單元進行替換。

加拿大二號機械臂在太空中的運動指令是由地面控制中心發(fā)出的，其控制中心有兩個，包括NASA的約翰遜航天中心和魁北克的圣胡伯特加拿大航天局總部，空間機械臂通過這種遙距離的操作方式，完成著各類在軌任務。

日本工程實驗七號衛(wèi)星（ESTVII）上搭載的空間機械臂也是艙外機械臂，是日本航天探測局于1997年11月發(fā)射。與加拿大機械臂不同的是，ESTVII作為一顆小衛(wèi)星，具有自由飛行的特征，其搭載的機械臂尺寸較小，長度約2米，質(zhì)量約150千克，擁有6個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，手臂的末端定位精度很高，能夠達到1.3毫米，移動速度為50毫米/秒，負載能力超過40牛頓 。

該機械臂的主要任務是驗證空間機械臂的相關技術(shù)。利用這條機械臂，研究人員完成了目標衛(wèi)星和跟蹤衛(wèi)星的輔助交會對接，并測試了機械臂控制的遙操作模式和預編程模式，解決了地面與太空之間遙距離傳輸?shù)亩鄠€關鍵技術(shù)，尤其是克服了大時延對遙操作性能的影響，對空間機械臂技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。

ROKVISS是德國宇航中心（DLR）研制的一款多傳感器集成的小型空間機械臂。它的特點是具備多種感知能力，例如通過力/力矩傳感器感知機械臂末端的剛性和柔性受力，利用觸覺感知接觸情況，利用激光測距傳感器和立體相機實現(xiàn)位姿感知。利用ROKVISS，研究人員測試了機械臂硬件在空間粒子轟擊下的可靠性，并驗證了機械臂能在-20℃～60℃的溫差下進行穩(wěn)定工作。在完成了500多項科學實驗后，ROKVISS于2015年返回地球，供研究者們研究其服役期間的老化和磨損情況。

作為艙內(nèi)空間機器人的代表，Robonaut 2當仁不讓。Robonaut 2是一個擁有雙機械臂的仿人型空間機器人，它由美國宇航局和通用汽車公司聯(lián)合開發(fā)設計，設計目標就是要替代宇航員完成太空的高危工作。Robonaunt 2依托于兩條靈巧機械臂，能夠像人類的宇航員一樣使用簡單的工具，并完成空間艙內(nèi)的日常操作任務。此外，機器宇航員手臂上帶有各類接口能夠與空間艙內(nèi)的接口實現(xiàn)快速對接。相比起機器宇航員1代，Robonaunt 2每個手指有4個關節(jié)，非常接近人類的手指，在仿人程度上更高，能夠輕松實現(xiàn)與宇航員握手等動作。

加拿大的canadarm 2機械臂正在太空中服役

不同的構(gòu)造 不同的任務

空間機械臂依靠其不同的構(gòu)型，能夠適應種類各異的空間操作任務。以國際空間站的艙外機械臂Canadarm 2為例，由于其負載能力大，且能夠承受外太空的嚴苛環(huán)境，能夠完成許多宇航員無法完成的工作，例如進行小衛(wèi)星捕獲、太陽能帆板展開、交會對接等等。當然由于空間機械臂的智能化和自主化還具有局限性，有些場合需要配合宇航員進行，此時機械臂的作用就是輔助宇航員到達指定目標位置，實現(xiàn)機械臂和宇航員的交互作業(yè)。

為了使得機械臂能夠更好地完成在軌任務，需要進行相應的技術(shù)積累。空間機械臂在軌完成各種操作，是以獲得目標位姿為前提。對象識別和位姿獲取技術(shù)是空間機械臂的關鍵技術(shù)之一，利用該技術(shù)獲得任務目標相對于機械臂坐標系的位置和姿態(tài)，并通過算法獲得機械臂各個關節(jié)的運動角度，實現(xiàn)太空中的機械臂運動規(guī)劃。同時，該技術(shù)還可以獲取機械臂運動過程中障礙物和非合作目標的位置，從而實現(xiàn)運動過程中的障礙回避。

對象識別和位姿獲取技術(shù)與傳感器的應用是分不開的。對于空間機械臂，視覺是獲取周圍環(huán)境信息和操作目標信息的主要途徑。依托于圖像匹配算法，空間機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)對太空環(huán)境和自身狀態(tài)的認知。同時結(jié)合激光雷達、結(jié)構(gòu)化光線等手段，使得機械臂獲取信息的手段更加豐富。此外，力傳感器和觸覺傳感器也開始在空間機械臂上得到應用，利用六維力傳感器，可以清晰地反饋機械臂抓捕和交會過程中的受力情況，從而調(diào)整控制策略，減小沖擊力。針對捕獲自旋運動目標和非合作目標時，則通過視覺引導、觸覺感知尋找捕獲特征并實現(xiàn)精準抓捕。

我國的研究之路

我國空間機械臂的研究起步較晚，研究工作主要集中在國內(nèi)的一些研究所和高校。中國航天科技集團五院作為空間機械臂研究的先頭單位，帶領著國內(nèi)的一批研究單位和人員突破了空間機械臂發(fā)展的一個又一個難關。

2012年在珠海航展上展出了我國的空間站機械臂原型樣機，我國自主研發(fā)的空間機械臂將具有7個自由度，且具備爬行功能，長度約為10米，最大負載約25噸，設計壽命10年以上，用于我國空間站的建造、維護和照料。

2015年在世界機器人大會上展出了我國自行研制的空間站機械臂樣機和采樣機械臂樣機，說明我國在面向空間站發(fā)展的同時，也將目光放遠到深空探測當中，月球和火星探測已經(jīng)納入我國航天事業(yè)發(fā)展的規(guī)劃當中。

目前，我國已經(jīng)完成了衛(wèi)星搭載機械臂進行相關關鍵技術(shù)的在軌驗證，為我國空間站機械臂的研制奠定了堅實的基礎。隨著我國空間實驗室天宮二號的發(fā)射成功，大型空間機械臂研制也在加快進行。借鑒國外成熟的技術(shù)和發(fā)展經(jīng)驗，發(fā)展有中國特色的空間機械臂技術(shù)具有重大的戰(zhàn)略意義和社會經(jīng)濟價值。

航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展和空間探測的不斷深入，使得空間機械臂發(fā)揮著越來越重要的作用。作為航空航天領域的明珠，空間機械臂技術(shù)集高自主化、高智能化于一體，是一個國家核心科技能力的集中體現(xiàn)。未來的空間機械臂乃至機器人系統(tǒng)，將會在穩(wěn)定性、智能化和自主化發(fā)展的道路上不斷邁進，滿足在太空中長時間值守需求，且具備一定的自主學習、主動分析和預測能力，成為人類探索宇宙奧秘的得力助手。