人類伸向深空的「手臂」——空間機械臂

空間機械臂

看起來好像很厲害的樣子

這是什麼？它有什麼用？

今日小科就為你揭開它的面紗~

定義及工作原理

空間機械臂是一類仿人類手臂構型的空間機器人，是融合機械、電子、控制、計算機等科學技術為一體的複雜系統。

空間機械臂根據自身的工作環境不同，可以分為艙外機械臂和艙內機械臂。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，保護結構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，艙內機械臂則在空間艙內完成太空任務，能夠獨立或協助宇航員完成艙內各類科學任務。

目前只有加拿大機械臂在太空服役

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(Canadarm2)，這條服役於國際空間站的機械臂於2001年4月19日由奮進號太空梭搭載升空，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。

圖1 加拿大臂SSRMS和末端的靈巧操作器

加拿大二號機械臂由麥克唐納德·特威勒公司製造，其正式名稱是「空間站遙控操縱系統」(SSRMS，Space Station Remote Manipulator system)。該機械臂全長19米，重1.63噸，能夠實現大重量物體的轉移和搬運，在國際空間站搭建和運行期間起到重要作用。同時多次協助宇航員實現艙外行走，並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，能夠對軌道上的一些可更換單元進行替換。

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聖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。

日本的艙外機械臂

日本工程實驗七號衛星（EST-VII）衛星上搭載的空間機械臂也是艙外機械臂，是日本航天探測局於1997年11月發射（圖2）。與加拿大機械臂不同的是，EST-VII作為一顆小衛星，具有自由飛行的特徵，其搭載的機械臂尺寸較小，長度約2米，質量約150千克，擁有六個旋轉關節，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 。

圖2 日本ETSVII衛星上的機械臂

該機械臂的主要任務是驗證空間機械臂的相關技術。利用這條機械臂，研究人員完成了目標衛星和跟蹤衛星的輔助交會對接，並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的多個關鍵技術，尤其是克服了大時延對遙操作性能的影響，對空間機械臂技術的發展做出了重要貢獻。

德國的空間機械臂

圖3 德國宇航中心研製的ROKVISS

ROKVISS是德國宇航中心(DLR)研製的一款多感測器集成的小型空間機械臂（圖3）。ROKVISS的特點是具備多種感知能力，例如通過力/力矩感測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，利用激光測距感測器和立體相機實現位姿感知。利用ROKVISS，研究人員測試了機械臂硬體在空間粒子轟擊下的可靠性，並驗證了機械臂能在-20℃-60℃的溫差下進行穩定工作。在完成了500多項科學實驗後，ROKVISS於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。

美國的艙內機器人

圖4 美國研製的機器宇航員2號

作為艙內空間機器人的代表，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合開發設計，設計目標就是要替代宇航員完成太空的高危工作。Robonaunt 2依託於兩條靈巧機械臂，能夠像人類的宇航員一樣使用簡單的工具，並完成空間艙內的日常操作任務。此外，機器宇航員手臂上帶有各類介面能夠與空間艙內的介面實現快速對接。相比起機器宇航員1代，Robonaunt 2每個手指有4個關節，非常接近人類的手指，在仿人程度上更高，能夠輕鬆實現與宇航員握手等動作（圖4）。

我國空間機械臂的發展

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目前，我國已經完成了衛星搭載機械臂進行相關關鍵技術的在軌驗證，為我國空間站機械臂的研製奠定了堅實的基礎。隨著我國空間實驗室天宮二號的發射成功，大型空間機械臂研製也在加快進行。借鑒國外成熟的技術和發展經驗，發展具有中國特色的空間機械臂技術重大的戰略意義和社會經濟價值。

航空航天技術的不斷發展和空間探測的不斷深入，使得空間機械臂發揮著越來越重要的作用。作為航空航天領域的明珠，空間機械臂技術集高自主化、高智能化於一體，是一個國家核心科技能力的集中體現。未來的空間機械臂乃至機器人系統，將會在穩定性、智能化和自主化發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。

素材：今日科協

編輯：陳文潔

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