我国空间站机械臂系统关键技术发展

王友渔 胡成威 唐自新 高升 熊明华 王耀兵 梁常春 李德伦 张文明 陈磊 曾磊 朱超 刘鑫

(北京空间飞行器总体设计部 空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京 100094)

空间机械臂是在轨构建大型航天器最高效、最安全、最经济的工具之一。第一个用于“国际空间站”建设的大型空间机械臂是由加拿大MDA公司研制的、安装在航天飞机上的加拿大I臂(SRMS)，其主要任务是把通过航天飞机上行的舱段、货物送至“国际空间站”，并完成转运、组装等任务。2001年，另一个在”国际空间站”建设和运营过程中发挥重要作用的大型空间机械臂加拿大Ⅱ臂(SSRMS)被安装至”国际空间站”，主要完成了”国际空间站”舱外检查、来访飞行器捕获和辅助停泊、舱外设备搬运及维修维护以及辅助航天员出舱活动等任务。

随着我国载人航天三期空间站工程的顺利实施，天宫空间站机械臂作为深入开展载人航天活动必不可少的工具，将在我国空间站系统中得到广泛应用[1]。空间站机械臂涉及了机、电、热、控制、光学、动力学、计算机、材料、遥操作与人机交互、算法与软件、仿真及试验验证等多方面的关键技术，是典型的多学科交叉融合的空间一体化智能装备系统。该系统高度集成，构成复杂，接口众多，研制难度巨大[2-3]。

在我国空间站机械臂系统研制过程中，技术人员瞄准国际航天技术前沿，立足于国内工业基础，创造性地开展了从无到有的大型空间机器人领域的创新研制工作，填补了该领域国内空白，依据载人航天工程三期总体方案及任务要求，北京空间飞行器总体设计部从2006年至2021年先后研制出我国空间站机械臂原理样机、缩比样机、工程样机、初样结构臂、初样电性臂、初样鉴定臂以及正样臂7套机械臂及若干核心单机验证产品，开展了大柔性多体系统高精高稳控制、柔性力控制、目标识别和位姿测量、核心部件研制及全工况覆盖地面试验验证等多项关键技术攻关与验证工作[4-6]，实现大型空间“智能装备系统”零的突破，形成了我国空间机器人新型设计验证体系。

2021年4月底，空间站机械臂随着中国空间站第一个舱段——天和核心舱成功发射，该机械臂系统承担了舱段转位与对接、支持航天员出舱活动、悬停飞行器捕获、舱外货物搬运、舱外状态检查、舱外设备安装及维护维修、暴露平台载荷照料等任务，是我国空间站组装建造与运行维护的重要装备之一。这是中国首次实现面向航天器在轨组装建造及维护的空间机器人工程应用。

本文以我国空间站核心舱机械臂为例，论述了我国空间站机械臂系统方案，总结了空间站机械臂的关键技术及在轨应用验证情况[7-12]，并对空间站机械臂的发展提出了建议与展望。

我国空间站机械臂系统需能够承担空间站的建造、运营支持及后续扩展任务，具体可归纳为如下几类：

(1)大型舱段转位与辅助对接任务；

(2)悬停飞行器捕获任务；

(3)舱外货物搬运任务；

(4)支持航天员舱外活动任务；

(5)舱外状态监视与检查任务；

(6)舱外载荷照料任务；

(7)舱外大型设备维修更换任务。

根据任务分解，机械臂需要具备多自由度运动功能、移动操作功能、多模式控制功能、多模式操作功能、末端抓捕和锁紧功能、路径规划功能、视觉测量功能、固定航天员及货物功能等。我国空间站机械臂产品与国际空间机械臂指标对标情况见表1，可以看出，我国空间站机械臂在末端精度、速度等关键指标上与国际一流水平相近。

表1 中国空间站机械臂与国际大型空间机械臂指标对比表Table 1 Specification comparison of the China Space Station manipulator and large scale manipulators abroad

目前在轨应用的空间机械臂主要采用单臂少自由度设计方式，其自由度数量一般不超过6个。通常该类机械臂仅具有固定基座小范围操作能力，自由度数量相对较少，而且其臂杆长度受限于地面发射空间限制设计较短，导致机械臂基座固定操作时的工作空间受到很大约束，特定目标部位受运动干涉约束姿态不可达。“国际空间站”的加拿大机械臂可以实现空间移动，但并不是采用相对灵活的首尾交替互换“爬行”方式，而是选择将机械臂一端固定在滑动导轨底座上“随动”进行大范围移动操作。该方案需要在舱体表面安装大型导轨及支架等附加设施，且仅能照顾空间站一侧空间范围，不能满足我国空间站全空间覆盖操作要求。另外加拿大机械臂采用随航天飞机上行由航天员在轨手动展开并安装到位方案，不具备自动展开能力，且未考虑承载航天员出舱活动故障情况下的人员攀爬返回安全性设计。因此有必要设计一套具有中国特色的空间站机械臂方案。

2.1 总体方案

根据总体任务及功能需求，结合我国空间站舱外设备布局特点及资源占用情况，我国空间站机械臂系统方案从6自由度固定基座配合导轨移动的机械臂方案，最终发展为7自由度核心舱大型机械臂(简称大机械臂)和7自由度实验舱小型机械臂(简称小机械臂)相结合的可爬行双臂组合及协同系统方案。其中核心舱机械臂操作半径大且负载能力强(全长超过10.37 m、最大负载能力重达25 t)，主要完成大型舱段搬运及转移、舱段捕获及转位对接等任务；
实验舱机械臂相对灵活小巧(全长5.5 m、最大负载能力仅3 t)，主要完成中小型载荷的精细操作等类型任务。两套机械臂既具有分别独立爬行功能，又能通过串联方式形成组合臂，进行更大范围内的在轨复杂操作任务。机械臂末端预留航天员脚限位器接口，可支持航天员出舱活动并进一步提高其操作能力。

天宫空间站核心舱机械臂采用7自由度对称分布构型，由7个关节、2个末端执行器、2个臂杆、1个中央控制器以及1套视觉相机测量系统组成，结构框图参见图1。该机械臂具体关节的配置采用“肩3+肘1+腕3”布局方案，从机械臂肩部到腕部依次布置了肩部回转关节、肩部偏航关节、肩部俯仰关节、肘部俯仰关节、腕部俯仰关节、腕部偏航关节和腕部回转关节；
为满足运动范围要求，关节采用大偏置结构，且在回转关节及偏航关节之间增加关节延长件；
为满足“爬行”功能要求，首尾分别设置两套模块化末端执行器，分别安装于肩回转关节和腕回转关节上，用于对目标的抓取、机械锁定以及电气连接；
系统配备一套视觉监视与测量系统，包括以太网交换机1台、腕部相机两台、肘部相机(含两自由度云台)1台，肘部相机具有视频监视功能，腕部相机除监视功能外还具备目标识别和位姿测量功能；
中央控制器作为机械臂控制核心，安装在肘部壳体内部，上面布置肘部相机及以太网交换机。具体三维构型模型参见图2。

图1 天宫空间站机械臂结构框图Fig.1 Function of the Tiangong space station manipulator

图2 空间站机械臂模型Fig.2 Model of the China Space Station manipulator

此外为便于航天员借助机械臂沿舱壁活动，机械臂从肩部到腕部设计了专用扶手，通过布局优化实现了机械臂任意构型故障情况下航天员均能够沿扶手安全攀爬返回舱内。

机械臂在发射时处于收拢压紧构型，通过1套压紧释放机构与空间站核心舱小柱段外壁连接；
随天和核心舱发射入轨后，压紧释放机构通过火工品控制解锁释放，展开实现在轨7自由度运动功能。

天宫空间站分布有多个目标适配器供机械臂爬行操作，目标适配器为机械臂提供机、电、热、数据等标准接口，参见图3。核心舱机械臂每次完成在轨任务后“爬行”到最终停泊位置，保持在轨常态构型静止状态。机械臂处于长期在轨静止状态时，肩部末端执行器捕获固定基座适配器通过舱体上电连接器供电，在需要爬行到舱体其他位置时，肩部末端执行器与基座适配器解锁同时腕部末端执行器与目标适配器捕获锁紧，切换到通过腕部捕获的目标适配器进行舱体供电，通过智能供电切换控制策略，实现机械臂系统在空间站舱体表面首尾互换可靠“爬行”移动操作。

图3 目标适配器模型Fig.3 Power and data grapple fixturemodel

2.2 控制方案

我国机械臂采用三级分布式控制体系，包括命令与调度层、整臂运动规划层、部件执行控制层，整个控制系统主要由机械臂操作台、中央控制器(含云台控制)、关节控制器、末端控制器、视觉相机和以太网交换机等组成，各部分功能如图4所示。

图4 控制系统功能框图Fig.4 Function of control system

(1)关节控制器：接收中央控制器给出的运行命令，通过伺服控制策略，在关节内部形成电流环、速度环、位置环三闭环控制，保证关节运动精度。

(2)末端控制器：接收中央控制器运动控制命令，控制电机完成末端捕获、拖动、锁紧等相关动作控制。

(3)腕部相机：接收中央控制器转发的视频采集和位姿解算参数设置命令，获取运动监视图像，传至以太网交换机；
计算出靶标位姿数据，传至中央控制器进行视觉伺服控制。

(4)肘部相机及云台：接收中央控制器运动控制命令，实现云台指向控制；
获取运动监视图像，发送至机械臂上以太网交换机。

(5)以太网交换机：腕部相机、肘部相机视频图像的汇集，并传送至舱内供监视。

(6)机械臂操作台：提供航天员操作的人机接口，将航天员操作转化为机械臂运动控制命令，发送至机械臂；
同时转发地面发送指令。

2.3 视觉监视与测量方案

为适应空间站机械臂在轨多任务支持、多场景适应、多目标操作对视觉监视与测量的工程需求，视觉相机选用可见光谱段，兼具在轨监视与在轨测量功能；
视觉监视与测量系统由分布在不同空间位置的多台相机与交换机构建而成，通过多相机协同工作扩展并增强视觉系统的监视和测量能力，提高视觉系统可靠性、稳定性和安全性。

相机系统由相机(含集成光源)、云台(两自由度)、视觉标记等组成，共包括两类可见光相机：腕部相机与肘部相机，分别安装在机械臂末端执行器、机械臂肘部上；
视觉标记用于腕部相机对目标的检测、识别和位姿计算。根据功能需求，其中肘部相机采用单目相机组合云台和光源的配置方式，腕部相机采用双目相机组合光源的配置方式。光源用以增强相机对弱光照条件的适应性。肘部相机云台通过自身运动带动肘部相机随动，扩大肘部相机可视范围，辅助肘部相机完成目标监视。

2.4 在轨操作方案

天和核心舱舱内布置一套机械臂操作台，机械臂操作台由操作面板、两个平动手柄和两个转动手柄、电容触摸屏及控制器等组成，通过总线及以太网传输遥测数据及图像到仪表的三台显示器上，辅助航天员进行舱外机械臂在轨操控，如图5所示。

图5 机械臂操作场景模型Fig.5 Operating system model

该机械臂操作台兼容了大机械臂和小机械臂操作系统，可供航天员统一进行在轨操作和在轨训练机械臂任务。目前该操作台已成功应用多次辅助航天员出舱操作任务。

天宫空间站机械臂需考虑工程任务实现与机械臂功能、性能之间协调匹配，系统指标与单机匹配，外部与内部接口匹配，设计与测试、试验匹配，以及扩展方案与未来需求匹配等，涉及机械、电子、热学、控制、光学、材料、动力学、工效学等多学科专业融合，在研制过程中重点突破了以下关键技术。

3.1 柔性机械臂系统高精高稳控制技术

为了解决大惯量、变负载以及机械臂关节大柔性、非线性刚度等因素对空间机械臂控制稳定性以及控制精度影响，在空间机械臂系统控制与关节控制层面分别采取措施，调整机械臂路径规划及整臂控制算法与关节控制参数的匹配关系，实现变负载工况下的整臂运动高精度与平稳性控制。例如采用“速度闭环控制+位置闭环控制”分段控制策略，实现了机械臂从工程样机阶段的“晃晃悠悠”慢速运动和60 mm以上的运动精度，提高到初样正样阶段的高速平稳运动到位精度优于15 mm，达到国际领先水平。

3.2 多约束任务规划与路径规划技术

我国空间站舱外设备众多，空间紧凑，操作范围及资源受限。为解决空间机械臂工作空间、操作时间等多约束条件限制问题，在空间机械臂在逆运动学仿真规划基础上，考虑舱外布局设计、负载特性、避障避碰需求、机械臂动力学耦合奇异等约束条件，开展了自主避障规划、最短路径规划、容错规划等路径规划设计与优化工作。例如针对运动路径高安全性需求，将舱体与机械臂通过递归算法进行层次结构遍历和模型包络点阵化处理，并采用“大范围转移运动”与“短距精准运动”相结合的形式，实现了机械臂路径规划从工程样机阶段的“盲操作”离线规划方式升级为具备实时状态干涉检查的在线规划，解决了复杂空间环境机械臂大范围、高可靠、高精度运动难题。

3.3 目标快速识别和位姿测量技术

空间站机械臂在轨执行任务过程中，相机会随之发生位置和角度的变化，导致相机光轴与太阳光成任意角度，从而引起相机视场范围光照明暗时变、照度差异大等难题。针对上述难题依次开展设计分析、地面试验及在轨评估，从相机镜头光路优选、杂散光分析与抑制、曝光算法、目标检测识别算法、位姿测量优化算法、相机热设计、视觉标记图案设计等设计与分析环节进行方案优化迭代；
从相机标定、三维位姿精度测试、动态目标测量、光照环境模拟等地面试验环节进行功能性能验证；
最终面向在轨任务的相机成像质量、温升、工作时长等在轨应用环节进行评估与预示，进而实现了机械臂视觉测量从工程样机阶段的单目静态测量升级为具备双目立体动态视觉测量及伺服跟踪监视能力，大幅消除了环境杂光及微振动影响。

3.4 柔性多体动力学建模与仿真技术

核心舱机械臂全长达10米多，最大负载重达25 t，造成整机系统刚度极低，一阶频率介于0.02 ～0.38 Hz之间，具有高度非线性、大柔性、强耦合、时变特征明显等特点[9]。针对核心舱机械臂柔性特点，根据关节中电机、行星减速器等部件的工作原理和力学传递原理建立了高精度关节动力学模型，考虑了摩擦、间隙、刚度、负载变化影响等非线性因素；
采用有限元方法建立了臂杆的模态模型；
建立带柔性钢丝绳的末端执行器动力学模型，用于机械臂捕获过程的碰撞仿真验证，重点考虑了末端复杂面相对关系模拟、碰撞力建模、钢丝绳软捕获建模及边界条件设置。在最初机械臂刚体运动学建模与仿真基础上，在正样阶段实现了含接触碰撞全任务过程的全柔性高保真动力学仿真验证。

3.5 核心部件研制与应用技术

空间机械臂需要完成各项复杂运动及操作任务，其中运动涉及的核心部件主要是关节，而操作涉及的核心部件就是末端执行器。上述核心部件均突破国外技术封锁，产品全部实现了国产化，具有完全自主知识产权。

关节内部高度集成了电机组件、电机电源组件、减速器、关节控制器、旋转变压器、热管、快速连接公/母组件等多种部组件，具体组成如图6所示。

图6 关节模型Fig.6 Joint model

通过双电机驱动、四级齿轮传动、轴系内外嵌套集成、大承载固体润滑设计以及低反驱力矩控制技术，解决了关节高刚度、高精度和长寿命难题。正样关节刚度质量比超国际同类产品近一倍。

末端执行器采用绳索缠绕方式实施柔性低冲击捕获，以粗、精两级分步实施校正定位，以四点同步实施大预紧力锁紧的抓取方式，实现了大容差低冲击捕获，高精度对接和高刚度锁紧。末端执行器主要由捕获组件、拖动组件、锁紧组件、壳体组件、末端控制器、六维力传感器和关节快速连接母组件等部分组成，具体如图7所示。正样末端执行器质量83 kg，实现捕获各向位置容差优于105 mm，横向姿态容差优于15°，滚动姿态容差优于10°，解决了大容差低冲击捕获以及高刚度锁紧难题。相似容差情况下，实现容差质量比超过国际同类产品一倍以上(加拿大臂末端质量180 kg，位置容差100 mm，横向姿态容差优于15°，滚动姿态容差优于10°)。

图7 末端执行器模型Fig.7 End-effector model

3.6 地面试验与验证技术

核心舱机械臂最大负载重达25 t，受限地面重力及工装影响，该机械臂难以实现地面全物理试验验证。基于我国空间站机械臂特点，提出了“物理验证+半物理验证+数学仿真验证”相结合的系统验证方案，最终采用参数化机械臂全柔性动力学建模与仿真分析方法，通过地面试验和在轨辨识验证与修正，建立了空间机械臂在轨真实模型验证评估系统。

在单机研制层面：通过元器件级和原材料、单机级等不同物理验证层面，以及环境试验项目和专项验证项目等多种验证方式，确保单机产品物理验证充分性和全面性。

在系统验证层面：首先将系统指标分解至单机或部件验证，对仿真验证不能完全验证单机及部件实现细节的不足进行补充；
将控制器真实物理产品与机械臂实时运动仿真系统组成半物理验证系统，对控制器软、硬件开展全面的测试与验证；
以单机产品的测试与验证数据为基础，结合整臂系统二维特定构型运动对机械臂三维仿真模型进行验证及修正，最终将修正后的机械臂真实仿真模型用于在轨任务验证。

为了充分验证空间机械臂7自由度运动能力，在地面阶段采取了两种全物理验证方案。针对大范围运动任务，采用“多孔质气足整体悬浮+局部悬吊” 相结合的整臂零重力模拟方式，通过末端轨迹实时动态激光跟踪系统完成了二维大范围运动任务地面试验验证，具体如图8所示；
针对首次关键展开任务，采用悬吊式三维运动零重力模拟试验装置为机械臂提供全方位零重力模拟环境，通过多点吊挂随动跟踪重力补偿测试系统完成了在轨三维展开任务地面试验验证，具体如图9所示。

图8 机械臂地面二维运动试验Fig.8 2D ground test of manipulator

图9 机械臂地面三维运动试验Fig.9 3D ground test of manipulator

2020年底空间站核心舱机械臂完成了包括上述大型二维、三维运动试验在内的160多项地面试验验证项目，顺利交付总体并转入发射场测试阶段。

随着中国空间站天和核心舱成功发射后，空间站核心舱机械臂完成了在轨解锁展开、关键部件测试、爬行测试、在轨辨识、在轨停泊、主备份测试等16项在轨测试项目，完成30余次爬行及核心舱、载人飞船、货运飞船舱外设备在轨巡检任务，完成四次支持航天员出舱活动任务，完成转位货运飞船及辅助二次对接任务。整个任务测试期间，核心舱机械臂各项功能和性能得到了充分验证，均满足总体任务要求。具体情况如下。

4.1 关键任务执行满足情况

我国空间站核心舱机械臂的主要飞行任务完成情况如下。

1)机械臂及适配器压紧解锁及小角度展开

机械臂压紧释放机构41个压紧点及折叠目标适配器均成功完成了解锁释放，完成机械臂关节小角度展开。

2)机械臂性能测试及在轨辨识

完成机械臂遍历核心舱3个目标适配器的爬行测试，完成机械臂在轨标定及参数辨识测试、主备份切换测试，功能性能指标满足总体要求。测试过程如图10所示。

图10 机械臂在轨测试任务Fig.10 On orbit task of manipulator

3)机械臂在轨巡检任务

完成机械臂核心舱、载人飞船及货运飞船在轨巡检任务，机械臂到位准确且图像清晰。

4)机械臂辅助航天员出舱任务

完成机械臂辅助神舟十二号航天员出舱活动的全景相机A抬升任务和全景相机D抬升及扩展泵组安装等任务，以及辅助神舟十三号航天员完成双臂组合转接件及其悬挂装置安装、全景相机C抬升等任务，机械臂转移人员、货物及操作助力等功能正常，机械臂路径规划安全合理，功能性能满足要求，舱内、外航天员和机械臂协同关系匹配。

5)机械臂转位货运飞船任务

完成机械臂捕获天舟二号货船机械式目标适配器，大范围转位移动天舟二号货船，并辅助完成与核心舱二次对接任务，机械臂路径规划安全合理，运动精度、负载能力及动力学特性等功能性能满足任务要求。

4.2 关键功能性能评估满足情况

空间站核心舱机械臂关键功能性能评估情况见表2。

表2 我国空间站大型机械臂主要性能验证情况Table 2 Performance of the Chinese Space Station manipulator

“国际空间站”在完成大型空间机械臂在轨应用后，陆续开展了(SPDM)灵巧双臂机器人在轨加注试验以及类人型双臂智能机器人舱内操作试验等任务，并取得了大量研究成果。目前在我国空间站核心舱大型机械臂及实验舱小型机械臂在轨成功应用基础上，已完成双臂串联组合形成了14自由度超冗余空间组合机械臂系统，扩展了机械臂操作范围，提升末端了灵巧操作能力，后续将基于组合臂完成一系列大中小空间载荷安装、搬运及维护任务。

根据任务需要，后续可借助空间站机械臂系统，在我国空间站上搭建通用空间试验验证平台，开展面向空间基础科学与应用技术研究；
针对在轨组装、建造及在轨服务等复杂操控任务，开展类人型机器人、软体机器人、飞行机器人等新型空间机器人关键技术验证与工程应用[13-14]；
同时深入开展基于人工智能、机器学习等控制理论与算法研究，强化自主决策与智能控制能力，进一步提高空间机械臂智能化操控水平，实现我国航天器空间智能操控技术更新换代。

本文介绍了我国天宫空间站机械臂系统总体方案、关键技术及在轨性能评估情况，并与国外同类产品进行了对标。我国天宫空间站机械臂是空间机器人技术的典型代表和标志性产品，该机械臂在我国首次实现了重大工程任务的在轨应用，并在爬行操作、运动精度等功能性能指标方面达到了国际领先水平，标志着我国已经初步突破并掌握了空间机器人核心关键技术，具备了研制大型空间智能机器人系统的能力，为后续我国航天器智能化操控技术的发展奠定了重要基础。未来随着新的空间任务需求的不断提出和科学技术的不断发展，会有功能更多、适应能力更强、智能化程度更高的空间机器人进入空间技术领域。

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