太空中的“麒麟臂”——空间机械臂，宇航员进行舱外任务的好助手

原作者 超超级Loveovergold

在太空极端恶劣的环境下进行舱外活动十分困难，光凭航天员的体力难以胜任，空间机械臂应运而生

美国虽然赢得了登月竞赛的胜利，但在空间站的比拼中，竞争对手苏联在1971年4月19日率先发射了世界上第一个空间站“礼炮1号”！美国奋起直追，通过利旧阿波罗登月项目的火箭、舱体等装备组建空间站，天空实验室（Skylab）项目应运而生。但仓促应战这项目果然命运多舛，发射时微陨石防护罩和空间站内壁间隙超出设计规格半厘米，超音速气流将防护罩撕开并卡死太阳能帆板展开铰链，导致空间站电力供应不足，航天员执行了多次出舱抢修任务，但装备配置明显欠缺，航天员硬是凭血肉之躯在太空失重环境下应对，为了把卡死的太阳能帆板展开，1973年6月7日航天员康拉德上演力拔山兮气盖世的“太空挺举”，用力起身撑拉尼龙绳才让太阳能帆板铰链松动，展开后的太阳能帆板为空间站提供了宝贵电力。虽然创造了3小时25分的太空行走世界纪录，但回到舱内的康拉德等航天员已筋疲力尽……详见《比肩阿波罗13号抢险——拯救天空实验室行动纪实（下）》。

图1.艺术家Paul Fjeld描绘的航天员康拉德的“太空挺举”

在太空极端恶劣的环境下进行舱外活动十分困难，如果没有合适装备，光凭航天员的体力难以胜任，这让正在研发航天飞机的工程师下定决心给航天员配备机器人“帮手”，用于在恶劣的太空环境下，执行航天员难以完成的舱外作业，减轻航天员出舱风险和工作压力，在这个背景下空间机械臂应运而生！

早在1969年，加拿大应美国国家航空航天局（NASA）之邀参加航天飞机计划，但一直未确定具体的合作方向。NASA了解到加拿大DSMA ATCON公司开发了一种机器人，用于坎杜（CANDU）重水核反应堆的燃料装载，这个机器人迅速引起了NASA的兴趣，1975年7月，美国宇航局和加拿大国家研究委员会（NRC）签署了一份谅解备忘录，由加拿大研发和建造航天飞机机械臂，全称为航天飞机遥控机械臂SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)，是人类历史上第一套空间机械臂。NRC将机械臂合同授予加拿大SPAR空天公司（现为MDA），后续也被广泛称为加拿大臂。

一、航天飞机机械臂——第一套空间机械臂

航天飞机需要借机械臂摄像头完成观测检查，在此基础上完成部署和回收有效载荷、补充更换耗材、维修等常见任务，为舱外活动航天员提供用于固定腿部的移动工作面。因此空间机械臂不是简单的太空版挖掘机机械臂，要求功能更为丰富，具有一体化的空间感知、机动和操作能力，同时轻量化上要求苛刻！

（一）超轻的“仿生手臂”

加拿大臂全长15.2米，就像人的手臂一样为上下臂，上臂长约 5米，下臂长约 5.8米，肩部、肘部和腕三个关节赋予他极高的灵活性，具有肩俯仰（上下）和偏航（左右）、肘俯仰和腕俯仰偏航和回转（转动）6个自由度。臂的直径均为38厘米，为了减重由碳纤维复合材料作为结构件，外部包覆凯芙拉保护层，防止因微陨石撞击复合材料出现外伤。上臂由16层碳纤维（每层厚 0.013 cm）组成，总重量不到23 kg；下臂由 11层碳纤维组成，总重量约22.7 kg。

图2.航天飞机的加拿大臂结构图

积极的减重策略让机械臂总重控制在410公斤，但在地球上这是娇贵的机械臂无法承受之重，在验收测试和运输期间必须由专门的地面处理设备做好支撑。但在太空机械臂的表现则出现天壤之别，6个关节内置电机驱动的高减速比行星齿轮箱输出强大驱动力，失重环境下她能以 0.06米/秒的速度操纵高达14.515吨的有效载荷，应急情况下极限操纵重量为 26.581吨，虽为龟速但通过在关节内置的角度测量仪可以精密部署。而空载条件下，SRMS可以达到 0.6米/秒的最大平移速率。

图3.地面上摆放的加拿大臂

（二）一边“看”一边操作

加拿大壁肘部和腕部安装了摄像头，肘部摄像头可为操作臂以及有效载荷提供可视画面，腕部摄像头可以协助末端执行器和捕获机构的操作，航天飞机内的航天员通过舱内工作站的电视画面操作机械臂，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。加拿大臂的具体移动由航天飞机通用计算机 (GPC) 控制，航天员用手柄操作，内置软件会根据指令计算要移动哪些关节、向哪个方向移动、移动速度以及移动的角度，当计算机向每个关节发出命令时，它还会间隔80 毫秒查看每个关节执行情况，如果发生故障，GPC 将自动对所有关节施加制动，并将故障情况通知航天员。为了安全起见，加拿大臂肩部配置了一个火工品抛弃机构，允许航天飞机在机械臂无法收回等应急情况下壮士断“臂”，确保有效载荷舱门关闭。

（三）“血滴子”抓手

机械臂末端的执行器当时考虑到机械手在抓握力方面的稳定性不足、握力不够，采用了滑动钢索套筒和专用夹具对接的方式。滑动钢索套筒酷似中国古代取首级暗器——“血滴子”，机器抓手直径 20.3 厘米、深 10 厘米，能够实现软对接和刚性接驳，其核心利器是下图中的三根钢索。

图4.酷似中国古代取首级暗器——“血滴子”的机器抓手和专用夹具

三根钢索，每根钢索两头固定在两个圆环上，圆环对向旋转将三根钢索中间的三角缝隙缩小，类似于照相机镜头的光圈的工作过程，形成对专用夹具定位探针的对准和固定。

图5. 两个圆环对向旋转将三根钢索中间的三角缝隙缩小

“血滴子”工作过程分为3步，第一步是对接，在摄像头的帮助下和对接目标缓缓靠近，并让对接目标的专用夹具定位探针进入“血滴子”的钢丝圈套；第二步是末端执行器的钢索圈套旋转收紧，将定位探针固定于“血滴子”中心；第三步是收紧，末端执行器拖拽定位器探针，将对接目标拉入“血滴子”套筒。通过这三步，末端执行器可以在夹具上施加约499 kg公斤力并建立紧密连接。

图6.末端执行器和专用定位器配合三步法

机械臂经过近6年的系统的设计开发测试和评估，第一台于1981年4月交付给NASA，1981年11月12日在哥伦比亚号航天飞机第二次飞行任务中顺利通过在轨测试，随即在STS-3上第一次执行任务。NASA又增订了4个加拿大臂作为美国航天飞机的标配并立下汗马功劳，其中包括回收被滞留太空的西联星6、PALAPA B2两颗卫星重返地面给予第二春的太空捞星，也包括在5次维修哈勃太空望远镜发挥的无可替代的作用；在哥伦比亚号航天飞机失事后，其他航天飞机通过腕部摄像头做全身隔热瓦体检，安心回家。

图7.航天员被机械臂提升到哈勃太空望远镜的顶部以安装保护罩

虽然航天飞机的加拿大臂设计寿命为10年或100次任务，但无奈航天飞机时运不济退役，2011年7月的STS-135发射是加拿大臂第90次也是最后一次执行任务——运送Raffaello多用途后勤舱到国际空间站，此后加拿大臂随航天飞机一起退役，不过最后执行任务的这台加拿大臂被运至位于休斯顿的NASA约翰逊航天中心，用作工程学的研究并有可能在未来的任务中重新启用。

二、能行走的机械臂——国际空间站的加拿大臂

上世纪80年代，美国提出了自由号空间站项目，该空间站即后续的国际空间站项目，鉴于航天飞机的机械臂的大获成功，国际空间站上的机械臂也顺理成章的立项并把设计和制造交给了在这方面熟门熟路的加拿大。为适应庞大的空间站工作环境和复杂的任务，这套系统并不仅仅是一个机械臂，整套移动服务系统MSS( Mobile Serving System)用于国际空间站的搭建和维修等任务，由移动基座系统MBS，空间站遥控机械臂SSRMS和专用灵巧机械手SPDM三个部分组成。

图8.国际太空站的机械臂系统的3个组成部分

（一）更大、更强而且会行走的“双面手”机械臂

国际空间站上使用的机械臂可以说是加拿大研制的第二代机械臂，同航天飞机上的机械臂相比，国际空间站上的机械臂更大、更先进，总长达到17.6米，总重1497公斤，直径35厘米，最大负载超过116吨，甚至可以把装满货物的航天飞机拖到国际空间站对接口；平移定位精度65毫米。但从结构上看，二代加拿大臂做了重大改进，外形上更像是一个圆规，中间关节+对称长臂+“双面手”，每只手有3个关节实现3个自由度，加上中间关节可以达到7个自由度。随着中间关节的运动，赋予这个机械臂成为“太空尺蠖”，可以在空间站爬行！

图9. 铰接的“双面手”有7个自由度

爬行的秘诀在于对“手”的末端执行器进行改造，这种闭锁式末端执行器多了4个插头用于传输电力和控制指令和视频数据，只要接驳国际空间站各个舱段上的“地插”（PDGF，Power Data Grapple Fixtures）后可以取电和信息传输，因此二代加拿大臂可以在空间站各个“地插”间头尾互换移动爬行。

图10.“血滴子”周围多了4个插头和固定机构，用于取电和数据传输

（二）专用灵巧机械手

专用灵巧机械手 (SPDM) 是一套双臂精细操纵系统，包括两个 3.51米长的7自由度小机械臂，小臂上有工具切换机构更换工具，并带有近距离观察的摄像头和光源，随身带有多种专用工具和附件，重1710 公斤，带载能力为600公斤，定位精度为 2 毫米，非常灵活精准，可部分替代航天员在舱外执行非常精细的任务。

图11. 专用灵巧机械手可以执行精细太空任务

（三）移动基座系统

移动基座系统好比是二代加拿大臂的工具车，使其能够在空间站108米主桁架上左右移动赶赴工地，这比爬行来的快捷的多。基座上有4个“地插”（PDGF），四个顶角各一个，均可以用作机械臂和专用灵巧机械手的基座，移动基座加上机械臂和灵巧机械手，总质量为4900 公斤，可以说是国际空间站上最大的活动部件。当移动基座沿着桁架移动时，底座及其附件会断电，但当她们在新工地锁定到位时，就会继续通电并开始工作。

图12. 移动基座系统可以在空间站主桁架上左右移动

移动基座也可以支撑航天员舱外活动，它有存放工具和设备、脚踏板、扶手和安全系绳连接点以及相机组件的位置。如有需要，航天员甚至可以在移动基座上以每分钟约 1.5 米的最高速度“飚车”。

二代加拿大臂、移动基座和专用灵巧机械手分别于2001年4月、2002年6月、2008年3月由航天飞机送达并安装在国际空间站上，辅助航天员完成空间站搭建和载荷维护等任务，提高了空间探索活动的效率。近年来，大多数操作改由地面控制员远程轮班指挥作业，尽管谨小慎微的操作速度较慢，但可以比航天员更灵活机动的完成任务，而航天员主要负责实时性要求高的机械臂操作，比如到访飞船的捕获对接或者支持舱外的太空行走任务。

前述专用灵巧机械手甚至还进行了轨道加注的工作，2013年 1 月 25 日机械手成功的为空间站外部的模拟卫星在轨加注，创造了太空历史：机械手取下卫星的两个安全帽，剪断两组固定系绳，最后将少量液体乙醇加注到洗衣机大小的贮箱中。这最后一步特别棘手，因为在太空失重状态中加注液体需要完美的精度以防止危险的泄漏，量身定做的专用工具使灵巧机械手能够密封加注枪和贮箱阀门间的连接，以消除泄漏的可能性。这项实验性的操作为后续MEV-1在地球静止轨道加注实践奠定了基础，将在后续延续大量卫星的寿命，使卫星运营商省去建造和发射新的替代卫星的巨额成本。

可以说加拿大研发的整套空间站机械臂/手系统在国际空间站的搭建和运行中发挥了举足轻重的作用。

三、其他国家的空间机械臂发展的怎么样？

航天飞机和国际空间站几乎成了加拿大空间机械臂成长的摇篮，这也引发了其他国家奋起直追！日本实验模块远程机械臂系统（JEMRMS，Japanese Experiment Module Remote Manipulator System）和欧洲机械臂（ERA，European Robotic Arm）也陆续登场。

日本航天局JAXA研制的日本实验舱远程机械臂JEMRMS（日本实验模块遥控机械臂系统）由主臂MA( Main Arm) 和小精细臂SFA( Small Fine Arm) 串接组成，2008 年 6 月由发现号航天飞机上发射上天并安装固定在国际空间站日本实验舱段，主臂长约10米，具有六个自由度，最大带载质量可达7 000公斤，定位偏差为50毫米; 小臂长约2.2米，具有六个自由度，定位偏差缩小到10毫米，相对与主臂可执行更灵巧的操作，而且其末端工具上配置了力/力矩传感器可用于柔顺操作，带载能力80公斤。

图13. 安装在日本实验舱段的日本JEMRMS机械臂

欧洲的机械臂ERA命运多舛，起了个大早赶了个晚集！该计划始于1980年代，原计划用于欧洲海尔曼斯欧洲航天飞机，但随着海尔曼斯航天飞机项目取消，转而与俄罗斯合作研发用于和平2号空间站机械臂，不过1993年和平2号空间站也被取消……欧空局分析了形势，决定和俄罗斯继续开展合作，项目停滞3年后于1996 年和俄罗斯航天局签署了合作协议，ERA成为国际空间站俄罗斯舱体的功能模块！ERA的正式研发始于1998 年，安装在科学号实验舱的ERA本计划于 2001 年在航天飞机上发射，后被推迟到2002年，随后的哥伦比亚号航天飞机灾难以及科学号实验舱的取消，让ERA长年坐冷板凳。由于国际空间站的俄罗斯舱段并未配备加拿大机械臂的地插接口造成很多不便，2004年俄罗斯推出新一代科学号多功能实验舱，并和欧空局合作在该舱段安装ERA。

接下来又遇到科学号多功能实验舱拮据的资金与一系列技术问题、质子火箭无数次发射推迟、新型冠状病毒等等等等的插曲，ERA最终在2021年7月21日，也就是项目启动近40年后在质子火箭上与科学号多功能实验舱发射升空，并在多次险情后于7月29日和国际空间站对接成功，后续需要五次太空行走来组装调测机械臂以适应太空作业，满足俄罗斯舱段的太空任务需求。

图14. ERA具有和二代加拿大臂非常类似的结构

ERA在结构上和二代加拿大臂基本一致，都具备在空间站“爬行”能力，可以看成是mini版的二代加拿大臂，长 11.3 米，比二代加拿大臂短 6.3米，重量也减轻了近一吨，带载质量为8吨。但在具体设计上有后发优势，据称ERA 能够可编程实现全自动或半自动运行，也可以从空间站内或地面指挥，这比二代加拿大臂的全人工控制要先进，定位精度为5毫米，这也让我们期待好事多磨的ERA在国际空间站俄罗斯舱段能大显身手。

航天强国美国的关注点则从偏重体力的机械臂转移到了更有前途的机器人航天员研发，NASA 与通用汽车公司联合开发了外号R2（Robonaut 2）的机器人，采用类人形设计，头部安装两摄像头立体相机作为视觉系统，具备和人可以比拟的肩、肘、腕、手关节灵活度，尤其是手，拇指、食指、中指均有3个关节，上肢有合计42 个自由度并配有350个传感器，其中每个手指都有一个六轴力传感器，每个关节都有力传感器来检测施加的力，形成触觉，可反馈遥控工具的力度，这是目前前智能化程度最高的空间机器人系统。

图15. 注意观察Robonaut高度拟人的手指关节

美国的机器人航天员分阶段推进，一开始上天的是R2的上肢躯体，2011年150公斤重的R2机器人送到国际空间站，在地面遥控下可以进行按按钮、掰开关和旋转旋钮等工作，另外一个实验是航天员员头戴MR显示器，3D 视觉叠加显示力矩、扭矩等测量数据，佩戴数据手套进行遥控，R2捕获了一个在空间站舱内自由漂浮的物体。后续在2014 年为增加机动性决定进行复杂而冒险的升级——装上腿，努力从实验过渡到一个真正有前途的机器替换人的阶段。但该项目可能过于先进，装上腿之后由于在天上难以解决的故障处于瘫痪状态。

加拿大、欧洲、日本、美国等国较早开展了空间机械臂的研究工作，并基于航天飞机、国际空间站等平台开展了大量的在轨试验和工程应用，我国也不甘落后，在空间机械臂涉及的机械、电子、热控、视觉、动力学等多学科上取得巨大进步，目前机械臂随“天和号”空间站已经上天，构型和二代加拿大臂类似可“爬行”，臂长10.2米，末端执行器创新采用一个带有三根捕获手指和三套锁紧手指的结构，带载能力25吨，完全可以满足我国的空间站建设重任，这标志着我国向航天航空强国方向迈下坚实的一步！