1.2.1 國外典型空間機械臂發展現狀

從20世紀60年代開始，美國、加拿大、日本、歐洲航天局等國家與機構在空間機械臂相關領域取得了較大的進步，并成功研發了多套空間機械臂。下面對國外具有代表性的空間機械臂進行簡要介紹。

1. 在軌操作空間機械臂

（1）航天飛機遙控機械臂系統

航天飛機遙控機械臂系統（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）[2]又稱加拿大1號臂（Canadarm1），由加拿大MD Robotic公司生產，1981年首次安裝在美國航天飛機“哥倫比亞號”上執行任務，如圖1-4所示。SRMS具有6個自由度，長約15.2 m，總質量約410 kg，最大負載30000 kg。SRMS主要用于將航天飛機上的有效載荷放入預定軌道，協助航天員對發生故障的航天器進行維修，以及校正偏離預定軌道的人造衛星等。隨著2011年航天飛機項目的終止，SRMS暫時結束了其航天使命。

（2）空間站遙控機械臂系統

空間站遙控機械臂系統（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS）[3]又稱加拿大2號臂（Canadarm 2），由加拿大MD Robotic公司和美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）聯合研制，于2001年成功發射，如圖1-5所示。SSRMS具有7個自由度，長約17.6 m，總質量約1800 kg，最大負載116000 kg。SSRMS安裝于空間站的桁架基座裝置上，可用于執行電池組與軌道單元的更換、空間站載運物的回收和軌道器的對接與分離等任務。

（3）專用靈巧機械臂

專用靈巧機械臂（Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM）[4]又稱Dextre，于2008年發射到國際空間站。如圖1-6所示，SPDM是個雙臂機器人，每條手臂具有7個自由度，長約3.7 m，質量約1660 kg，最大負載600 kg，可執行諸如空間站表面的小部件移除等高精度要求任務。它既可作為SSRMS的操作終端，也能夠獨立作業，用于輔助宇航員的艙外活動，從而降低宇航員出艙行走的危險。

（4）日本實驗艙遙控機械臂系統

日本實驗艙遙控機械臂系統（Japanese Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS）[5]由日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制，于2008年發射，如圖1-7所示。JEMRMS由主臂和小臂串聯組成，主臂和小臂均具有6個自由度，總長約12 m，最大負載6400 kg。JEMRMS安裝在國際空間站的日本“希望號”實驗艙上，主要用于執行實驗艙的輔助裝配、暴露實驗平臺的負載更換等任務。

（5）歐洲機械臂

歐洲機械臂（European Robotic Arm，ERA）[6]由歐洲航天局（European Space Agency，ESA）研制，如圖1-8所示。ERA具有7個自由度，長約11.3 m，總質量約580 kg，最大負載8000 kg。ERA將隨俄羅斯“科學號”實驗艙發射并被安裝于國際空間站的俄羅斯艙段部分，主要用于執行在軌裝配任務和其他艙外服務，如對空間站的外表面進行監測等。

（6）小型空間機械臂系統

小型空間機械臂系統（Robot Technology Experiment on Spacelab D2-Mission，ROTEX）[7]是原德國航天飛行管理局（Deutsche Agentur für Raumfahrtangelegenheiten，DARA）針對艙內作業開發的第一個小型智能遙操作空間機械臂，于1993年成功發射，如圖1-9所示。ROTEX具有6個自由度，長約1 m。ROTEX在國際空間站上能夠以地面預編程方式、地面重編程方式、地面遙操作方式、宇宙飛船內遙操作方式、基于虛擬環境的遙傳感器編程方式、自主方式等多種工作模式執行小型機械桁架構建、軌道可替換單元（Orbital Replacement Units，ORU）部件替換、漂浮物體捕獲等任務。

（7）“軌道快車”系統機械臂

“軌道快車”系統（Orbital Express System，OES）[8]由美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）牽頭研制，包括自主空間傳送機器人軌道器（Autonomous Space Transport Robotic Orbiter，ASTRO）和下一代服務衛星（NEXT Generation Serviceable Satellite，NEXTSat）2部分，于2007年發射升空，如圖1-10所示。ASTRO上安裝有由加拿大MD Robotic公司生產的空間機械臂，其具有7個自由度，長約3 m，用于執行NEXTSat的維護和捕獲任務。研究人員利用ASTRO上的空間機械臂在太空中完成了一系列驗證試驗，如控制其成功捕獲了NEXTSat，并完成了針對后者的燃料補給與電池安裝任務。

（8）工程試驗衛星機械臂

工程試驗衛星（Engineering Test Satellite VII，ETS-VII）[9]由日本東芝公司研制，于1997年發射，如圖1-11所示。ETS-VII上搭載一條具有6個自由度的機械臂，其長約2.4 m，質量約400 kg。機械臂手部關節和末端執行器均安裝有攝像機，能夠將畫面傳送至地面控制實驗室，利于地面實驗人員實施相關操作。研究人員可利用ETS-VII上的機械臂完成機械臂與衛星姿態的協同控制和對在軌衛星及其ORU部件的捕獲等實驗。

2. 星表探測空間機械臂

（1）Rocky 7探測車機械臂

Rocky 7探測車是美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）[10]于1997年研發的火星探測車地面樣機，主要用于驗證火星表面長距離行走（50 km）所需的技術。Rocky 7探測車前端搭載一條具有2個自由度的輕型機械臂，其質量約650 g，長約32 cm，如圖1-12所示。該機械臂攜帶類似于鏟子的末端執行器，主要用于樣品的挖掘與運輸。

（2）“機遇號”和“勇氣號”探測車機械臂

IDD（Instrument Deployment Device）是美國JPL于2003年為火星探測車“機遇號”（Opportunity，MER-B）與“勇氣號”（Spirit，MER-A）所設計的輕型機械臂[11]，如圖1-13所示。IDD具有5個自由度，長約1 m，自重約4 kg，最大負載2 kg，末端定位誤差小于±5 mm，重復定位誤差小于±4 mm。該機械臂末端攜帶穆斯堡爾譜儀（MB）、阿爾法粒子X射線譜儀（APXS）、顯微成像儀（MI）、巖石研磨工具（RAT）等科研儀器，可對火星表面土壤樣品進行采樣分析。

（3）NASA“鳳凰號”探測車機械臂

NASA“鳳凰號”[12]探測車于2008年在火星北極圈一處平坦的永久凍土地帶著陸，其可利用氣象儀、立體照相機、鋁鈦合金機械臂等裝置開展各種探測，如圖1-14所示。安裝在該探測車上的機械臂具有4個自由度，長約2.35 m，其末端裝有鋸齒形刀片和波紋狀尖錐，能從堅硬的極區凍土表面鉆取土壤樣品。

（4）“好奇號”探測車機械臂

“好奇號”探測車（Curiosity）[13]是美國火星科學實驗室（Mars Science Laboratory，MSL）研制的新型火星探測車，于2011年發射。該探測車上安裝有長約2.1 m的機械臂，攜帶有化學和礦物學分析儀、火星樣本分析儀等設備，用于輔助完成巖石和土壤樣品的獲取、加工、分析等操作，如圖1-15所示。

（5）Marsokhod探測車機械臂

Marsokhod探測車[14]是由俄羅斯和NASA艾姆斯研究中心（Armes Research Center，ARC）共同開發的一款地面試驗樣機，如圖1-16所示。其配備具有5個自由度的機械臂，最大伸展長度約1 m。該機械臂將隨Marsokhod探測車先后對月球和火星進行探測并完成星體表面土壤的挖掘、收集等任務。