1.2 国内外研究现状及发展趋势

空间机器人可以长期在空间环境中工作。另外，空间机器人的作用不仅仅局限于辅助或代替航天员完成部分空间操作，更重要的是它能扩展人类进行空间操作的能力。空间机器人在负载能力、精确定位能力和环境适应能力上都优于人类，可以完成诸如空间站舱体装配、精密设备空间安装、有害环境下的空间实验等人类无法胜任的空间操作。

由于空间机器人的适应性和高效性，其已经成为人类探索、开发和利用太空的重要手段，在空间站建设与发展中扮演着重要的角色。美国、加拿大、俄罗斯、欧共体以及日本等都在积极推进空间机器人的研究。国内如中国空间技术研究院、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学和北京理工大学也进行了这方面的研究。

1.2.1空间单臂机器人国内外研究现状

1．德国ROTEX空间机器人

德国空间研究所的空间机器人ROTEX，是典型的舱内服务机器人，如图1.1所示。ROTEX具有6个自由度，工作空间有1.5 m3，安装在空间实验室的导轨上[32][33]。在其手爪上安装有多个传感器：触觉阵列、六轴力/力矩传感器、抓取力传感器、激光探测器和立体摄像机等。此外在机器人操作空间上方还装有两台摄像机，用于提供操作空间的视觉信息[34][35]。

1993年4月，ROTEX搭乘美国“哥伦比亚”号航天飞机进行了多种操作实验，包括航天员借助立体视觉摄像头进行在轨遥操作、借助预测仿真系统进行地-空遥操作、基于传感器进行离线编程操作。在这些操作模式下，机器人成功完成了各种插头的连接/分离、结构组装以及浮游物体抓取等实验[36]。该研究首次验证了机器人代替航天员完成在轨操作任务的可能性。

2．德国ROKVISS机械臂

2005年1月，德国研制的ROKVISS机械臂发射至空间站，并安装在国际空间站俄罗斯服务舱内[37]。ROKVISS机械臂除了执行空间站舱外作业任务，还可以在卫星上执行各种操作任务。ROKVISS在国际空间站运行的主要目的在于验证高集成、小质量模块化关节以及从自动控制到地面远程控制模式下机械臂的运行性能[38～41]。ROKVISS的主要机构如图1.2所示，机器人整体机构较为简单，且体积较小，仅有两个关节、一个长50 cm的手指及两个内置照相机。

3．加拿大SRMS机械臂

美国航天飞机的机械臂SRMS (Shuttle Remote Manipulator System) 由加拿大斯帕公司研制，也称为加拿大臂，如图1.3所示。加拿大臂是人类历史上第一套空间机械臂，自1981年随“哥伦比亚”号航天飞机投入使用以来，完成了辅助卫星入轨、维护故障卫星、修复及升级哈勃太空望远镜、转移和支持航天员舱外作业、国际空间站的在轨建设以及国际空间站在轨操作的观测辅助任务[42][43]。

加拿大臂的制作材料主要是碳纤维，具有较高的强度，已经有三组设备分别应用在美国不同的航天飞机上。加拿大臂由三个关节和两个臂杆组成6自由度机械臂系统 (包括肩关节俯仰、偏航自由度，肘关节俯仰自由度，腕关节俯仰、偏航及滚转自由度)，具体构型如图1.3所示。加拿大臂长15120 mm，直径为330 mm，质量为410 kg，空间负载能力为29 t，空载下移动速度为60 cm/s，满载下移动速度为6 cm/s，航天员可以在航天飞机内通过操作手柄控制机械臂运动，负载情况下末端位置精度为± 50.8 mm，姿态精度为 ± 1°，可完成对目标载荷的精细操作[44][45]。加拿大臂肘部和腕部安装了相机，肘部相机可为操作臂及作业目标提供可视画面，腕部相机可为末端执行器和捕获机构的操作提供辅助。

加拿大臂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加拿大臂，加拿大臂的操作模式包括自动模式、手动增强模式、单关节驱动模式、直接驱动模式和备份驱动模式。

4．加拿大SSRMS机械臂

SSRMS由加拿大斯帕公司研制，于1998年开始部件入轨与安装，主要用于执行大型有效载荷和ORU的相关操作任务，如停泊与脱离、机动及与其他机器人系统共同执行控制转移操作任务[46][47]。SSRMS可以在作业过程中对SPDM进行定位，提供EVA支持，进行国际空间站的外部检查以及自由飞行器的捕获和轨道停靠和脱离[20]。

如图1.4所示，空间站遥操作机械臂系统SSRMS是由6自由度航天飞机远程机械臂SRMS演变而来的机械臂系统 (故又称为加拿大臂Ⅱ)，操作灵活性大为提高。机械臂臂长17600 mm，臂直径为350 mm，质量为1800 kg，空间负载能力为116 t，平均能耗为435 W，共有7个自由度 (包括肩关节俯仰、偏航及滚转自由度，肘关节俯仰自由度，腕关节俯仰、偏航及滚转自由度)。机械臂可通过任意一端附着在空间站上作为基座进行固定基作业操作。机械臂末端位置精度为45 mm，空载最大移动速度为37 cm/s，满载移动速度为1.2 cm/s，可操作的最大载荷为116 t。有4个摄像头，配备有触觉传感器，具有自动视觉捕捉、自动避撞等功能[48]。

航天员根据反馈的实时视频图像，通过机器人操作台 (Robot Work Station, RWS) 操作面板、手柄等设备实现对MSS的操作控制。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，以减轻航天员的工作负担。

5．欧空局Eurobot机器人

欧空局 (全称欧洲航天局，European Space Agency, ESA)主持研制的三臂爬行机器人Eurobot是多臂空间爬行机器人的典型代表[49][50]。如图1.5所示，它由3个大小和力量与人类手臂相似的7自由度机械臂组成，在每个手臂的末端装有一台相机。该机器人共有4种末端执行机构，通过机械臂末端快速更换接口可以实现不同末端执行机构的快速更换[51]。当安装手爪时，机器人可以通过对空间站上的EVA把手进行牢固抓握和3个臂的交替移位实现其空间站的移动，到达工作位置后，可以根据执行任务的不同，安装不同的执行机构来完成任务，所有的执行机构都装在机器人的身上。该机器人由蓄电池提供动力源，并且可在轨进行替换[52]。

6．欧洲臂 (ERA)

1994年4月，欧洲航天局与俄罗斯航天局合作研制欧洲臂(European Robotic Arm, ERA) 项目，用于维护国际空间站俄罗斯舱段的运行[53]。如图1.6所示，ERA是第二个到达ISS的机器人系统，欧洲臂由2个臂杆和7个关节组成，共有7个自由度。该机械臂机构对称，两端分别是肩部和腕部，各有3个自由度(俯仰、偏转和转动自由度)，通过2个碳纤维材料的臂杆和1个肘部转动关节把肩部和腕部连接在一起。机械臂臂长11.2 m，自重630 kg，末端最大移动速度为10 cm/s，定位精度可达5 mm，最大可操作载荷为8 t。ERA在俄罗斯舱段主要用于安装、展开或更换太阳动力平台上的太阳翼，操作有效载荷以及辅助航天员执行出舱维修任务[54][55]。

机械臂工作时，一个末端固定作为基座，另一个末端执行操作任务；爬行运动通过两个末端交替在舱外附着点上运动实现。欧洲臂上共有4个相机和4个照明单元，每个末端执行器上和每个臂上都分别有1个，以精确运送执行出舱作业任务的航天员到达作业位置。在摄像机的辅助下，欧洲臂可以完成关节、任务空间运动行为，并完成靠近运动等[56]。它主要有全自动模式、部分人工模式和全人工模式3种模式。

(1) 全自动模式：操作者使用由单个命令组成的专用任务命令集和自动序列来控制ERA。

(2) 部分人工模式：操作者使用预先编程的通用微小自动序列来控制ERA。

(3) 全人工模式：操作者直接控制ERA单关节的旋转或笛卡儿空间参数。

7．国内空间单臂机器人研究现状

图1.7所示为中国航天科技集团公司五院总体部研制的大型空间机械臂，是由7个模块化关节、2个臂杆和2个末端执行器组成的7自由度冗余机械臂系统，机械臂全长10 m，最大负载为25 t，具有类似空间站遥操作机械臂系统SSRMS的自主爬行及扩展能力，通过头尾互换可以实现机械臂大范围空间的灵活应用，通过爬行达到每一个角落。可进行地面遥操作，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。该机械臂主要用于未来中国空间站建造、日常维护和部件更换、维修任务[57]。

1.2.2 空间站多臂机器人国内外研究现状

单臂空间机器人能够完成的任务有限，很多复杂的任务无法完成，因此，针对空间复杂结构环境以及移动作业任务需求，设计适合空间站移动作业的多臂机器人也是当前空间机器人研究的重点，如仿人机器人Robonaut 2、仿生机器人SpiderFab等。

1．美国空间仿人机器人Robonaut 2

空间机械臂主要应用于大型空间装配以及维修，无法涵盖航天器的每个部位，也不适用于精确的小型装配和维护操作。为此NASA研制了一种能在空间站上攀爬移动并从事精确细小操作的仿人机器人航天员Robonaut。Robonaut 2 (简写为R2)为其第二代产品，已于2011年2月进驻国际空间站，如图1.8所示。

R2是目前智能化程度最高的空间机器人系统，由NASA、通用动力公司以及海洋工程空间系统机构负责研制，最终于约翰逊航天中心装配成功。它是面向空间应用的类人型双臂机器人航天员系统，用于代替航天员执行空间危险任务[58]。R2是一款空间站人形机器人，上肢有42个自由度，颈部有3个自由度。R2拥有2个对称的7自由度机械臂，机械臂末端都安装了仿人灵巧手，每只手有5个手指，共有12个自由度，能举起44 kg的物体，具有强大的环境感知和灵巧操作能力[59][60]。为了提升R2在空间站工作中的灵活性，NASA为R2安装了一双可攀爬的仿人双腿。这双腿拥有7个关节，双脚部分则由“末端执行器”代替，可以让机器人吸附到特定的扶手或其他设备上。每个末端执行器都有单独的视觉系统即摄像头，从而可以进行准确的攀爬及抓取运动。通过仿人双腿，R2可以方便地移动于舱内外执行空间作业。

R2自2011年2月被运送至国际空间站以来，完成了一系列空间作业实验，验证了其在微重力环境下的作业能力：用符号语言向世界人民问好；在太空中与航天员握手；按按钮、掰开关和旋转旋钮的能力展示；用航天员的工具——空气流量计和RFID存储物资扫描仪开展工作；航天员利用跟踪器和数据手套等设备临场感遥操作R2机器人捕获在空间站美国实验舱内自由漂浮的物体。

2．卡耐基·梅隆大学的Skywalker

卡耐基·梅隆大学机器人实验室与NASA合作，开发了名为Skywalker的在轨装配、检测与维护机器人系统 (见图1.9)，用于大型有效载荷的运输和装配任务，计划完成太阳能电池阵的组装工作。该机器人有4种不同的关节，共11个自由度，臂杆长度为1 m和0.5 m两种，移动速度为10 cm/s。机器人具有自主爬行移动与自主移动载荷的能力，并能够借助正在建造的结构进行移动，覆盖范围可达数千米[61]。

3. SpiderFab机器人

美国系绳无线公司 (TUI) 与商业卫星公司 (SSL) 共同研发了机器人SpiderFab，用于在轨制造和集成大型航天器的关键部件，如大型太阳能电池阵列的支撑桁架、天线反射器和光学遮罩器等。在轨建造设施、设备将比在地面建造发射到太空的拥有更新、更简单和更现代化的设计，而且它们不需要经受严酷的发射环境，将大大降低设计复杂度，同时减小系统质量，可以节省大量成本费用。

如图1.10所示，SpiderFab机器人能像蜘蛛吐丝结网一样，挤压出高性能机构元件并将它们组装成更大的结构。该空间机器人为多臂机器人，通过多条机械臂能够在当前建造的机构上灵活爬行，实现大范围的移动作业[62]。

4．国内空间站多臂机器人

随着我国大型空间站即将建成，空间仿人机器人的研究也逐渐成为国内各大高校、研究所的研究热点。我国的航天八院805所、航天五院501所[64]、哈尔滨工业大学[65][66]、沈阳自动化研究所[67]、北京理工大学[68～70]均研制了相应的机器人航天员 (参见图1.11)，并针对机器人航天员在空间站复杂环境下的移动与作业相关技术开展了研究，为将来机器人航天员辅助或代替航天员在空间站服务提供理论基础。