文/ 松堂

提起太空里的機械臂，大家最先想起的肯定是加拿大臂2，它是國際空間站的重要組件之一，可以說是赫赫有名。此前美國航天飛機上的機械臂也是加拿大研制的，人們習慣把它叫做“加拿大臂”。過去的幾十年中，加拿大政府大力支持空間機械臂的技術研發(fā)，通過加拿大臂和加拿大臂2的研制，大大增強了加拿大在空間機械臂方面的技術實力，并開始著手開發(fā)未來行星際探測的空間機器人技術和設備。

航天飛機上的加拿大臂

加拿大臂2捕獲龍飛船

加拿大臂2捕獲天鵝座飛船

加拿大機械手“右手”

第一套空間機械臂——加拿大臂

1981年，加拿大為美國宇航局設計并制造了航天飛機遙控機械臂系統(tǒng)（SRMS），也稱加拿大機械臂，隨航天飛機一起進入太空執(zhí)行任務。這是人類歷史上第一套空間機械臂。

加拿大臂是6自由度機械臂，長15.2米，重410千克。由6個可控的關節(jié)組成，分別為肩部（偏轉、俯仰）、肘部（俯仰）和腕部（俯仰、偏車和轉動），其中肘部和腕部都安裝有相機系統(tǒng)。肘部的相機系統(tǒng)可以為隔壁艙、操作臂和有效載荷提供可視圖像，腕部相機可以配合末端效應器和捕獲機構進行工作。

它實際上是一個遠程控制的機器人操作臂，安裝在航天飛機前艙的左舷縱梁上。最初的設計目的是展開和回收有效載荷，幫助軌道飛行器完成停泊或運輸任務，可以通過肩部的轉動關節(jié)在裝載位置和操作位置之間轉動，根據(jù)裝載位置旋轉和鎖定機械臂。

加拿大臂在多次飛行任務中表現(xiàn)出色，在維修哈勃空間望遠鏡、空間站重要裝配任務中都充當了關鍵角色，也為后續(xù)空間機械臂的發(fā)展和研究打下了良好的基礎。

開創(chuàng)性的加拿大臂2

加拿大MDA公司研制的加拿大臂2是目前世界上最先進的空間機械臂之一，它包括活動基座系統(tǒng)MBS、空間站遙控機械臂SSRMS和專用靈巧機械手SPDM三個部分。其中我們最熟悉的是空間站遙控機械臂（SSRMS），它長17.6米，直徑0.35米，重量達1497千克，可在太空移動116噸重的載荷，擁有比加拿大臂更靈活的7自由度。加拿大臂2比人的手臂還要靈活，并為復雜的國際空間站操作環(huán)境提供了關鍵能力。這臺機械臂開創(chuàng)了太空機器人的一個新時代，歐洲機械臂和中國機械臂在設計上都大量參考了加拿大臂2。

加拿大臂2還是機動式機械臂技術的開創(chuàng)者，可以像“尺蠖”一樣在國際空間站上移動，還可以在移動平臺系統(tǒng)上機動。

著名的“右手”小機械臂

加拿大臂2還可以在一端安裝專用靈巧機械手（SPDM），也叫做“右手”，用于在國際空間站執(zhí)行精細的維護和維修任務。它的15自由度微型雙臂配置高度靈巧，可以承擔諸如安裝、拆卸、維修小型有效載荷和軌道可替換單元的任務?！坝沂帧边€配備了燈光、視頻設備、一個工具平臺和四個工具架?！坝沂帧蓖ǔＮ挥谝苿踊?，用加拿大臂2抓起來操縱。

夜空中的加拿大臂2和“右手”

加拿大臂2號末端效應器與人體對比

加拿大臂2的末端效應器

被老機械臂安裝

加拿大臂2是世界上第一個采用地面打包發(fā)射、在軌拆包使用方式的機械臂。為了確保順利交付。加拿大航天員克里斯·哈菲爾德和美國航天員斯科特·帕拉津斯基接受了專門的強化訓練。在美國宇航局的失重水池中實施了機械臂拆包和維護訓練?？死锼埂す茽柕潞鸵獯罄教靻T翁貝托·吉多尼還在模擬器上練習了加拿大臂2的操作。

和中國機械臂以及歐洲機械臂不同的是，加拿大臂2不是連接在空間站艙段上升空的，而是用航天飛機發(fā)射，于2001年4月搭載奮進號航天飛機STS-100任務升空。有意思的是，要想安裝加拿大臂2，離不開老款的加拿大臂。當“奮進號”到達國際空間站附近，加拿大臂將裝有加拿大臂2的金屬托盤從航天飛機的貨艙中抬起，把它連接到國際空間站的命運號實驗艙上。然后航天員哈菲爾德和帕拉津斯基用一根臨時電纜，把加拿大臂2和國際空間站連接起來，提供電力、數(shù)據(jù)和視頻連接。隨后兩人把加拿大臂2從托盤上卸下，手動展開，把鉸鏈固定在中間。

在空間站內(nèi)部，美國宇航局航天員蘇珊·赫爾姆斯和吉姆·沃斯遠程控制加拿大臂2把其中一個末端效應器伸出來，連接到“命運”上的一個基座上，然后從金屬托盤上松開，這是它在太空中的第一次機動。然后加拿大臂2把用來運輸自己的托盤移走，并“傳遞”給加拿大臂，這是兩個加拿大機械臂在太空中的首次聯(lián)合行動。

加拿大臂2不僅非常靈活而且移動能力很強，是建造維護國際空間站的得力助手。它參與了國際空間站的大部分組件和艙段的組裝，廣泛用于空間站組裝建設、空間站維護、空間站有效載荷運輸和服務，以及抓取釋放飛船、衛(wèi)星等任務，并為太空行走提供了支持，在國際空間站的建造和運行中立下了汗馬功勞。

加拿大臂2和“右手”組合狀態(tài)

軌道維護記錄

與航天飛機上的加拿大臂不同，加拿大臂2要求在太空中使用15年以上（實際上已經(jīng)超期服役好幾年了）。這就要求加拿大臂2具備一種新能力——允許航天員或其他機器人系統(tǒng)在軌道上修復加拿大臂2。因此加拿大臂2也是軌道可替換單元（ORU）技術的開創(chuàng)者?？臻g維修功能在實際使用中表現(xiàn)出色，到目前為止，加拿大臂2已經(jīng)經(jīng)過了3次換件維修。

2002年6月，航天員通過太空行走更換了加拿大臂2的一個腕關節(jié)。2017年和2018年，航天員通過艙外行走更換了它的兩個末端效應器。

機器人技術培訓中心

為了培訓航天員使用加拿大臂2以及“右手”，加拿大航天局在位于魁北克省圣休伯特的總部設有培訓中心。艙外航天員和艙內(nèi)控制員必須在機器人培訓中心接受強化訓練。

末端效應器的齒圈

加拿大臂2號捕獲龍飛船的模型

該中心的一個多媒體教室和一個仿真工作站，與國際空間站上的工作站完全相同。在多媒體教室里，航天員和飛行控制員要學習機器人工作原理和安全操作方法。其中設置了加拿大臂2和“右手”的比例模型，模擬軟件和交互式白板，可以實施多個攝像機角度的視頻會議和遠程學習。

在課堂上學習了理論概念后，航天員們就轉移到工作站上進行模擬實操。

機器人工作站包括：一臺配有兩個手動控制器的筆記本電腦，用于調(diào)整加拿大臂2的俯仰、擺動和旋轉。三個屏幕顯示來自加拿大臂2和其他外部攝像頭的視頻。完成這一階段的航天員和飛行控制員將前往美國休斯頓，進行其他部分的訓練。

未來發(fā)展

目前，加拿大正在為美國的地月軌道空間站研制“加拿大臂3”。為了適應遙遠路途，它的體積變小了，但智能化水平反而更高。加拿大臂3仍然包括機械臂和靈巧機械手兩個部分，但應用了更先進的機器視覺、簡短的軟件和人工智能系統(tǒng)，可以在無需航天員遙控干預的情況下執(zhí)行任務。

加拿大臂 加拿大臂2 加拿大臂3定位 首次進入太空的機械臂 2001年進入太空 考慮安裝在美國地月軌道空間站上安裝位置 每架航天飛機上都有一臺，現(xiàn)已退役 國際空間站上所需位置 地月軌道空間站上所需位置移動范圍 固定安裝，能觸及不超過機械臂長度的位置可以在國際空間站的基點之間爬行，甚至可以安裝在桁架滑車上，機動到更多位置，能觸及國際空間站每個位置和國際空間站情況類似，將可以觸及空間站每個位置安裝點 航天飛機貨艙 無固定安裝點 無固定安裝點7自由度，更類似于人臂： 肩部3個； 肘部1個：腕部3個關節(jié)活動范圍 肘部限160度 各關節(jié)可以旋轉270度 各關節(jié)可以旋轉360度自由度6自由度，類似于人臂： 肩部2個； 肘部1個：腕部3個7自由度，更類似于人臂： 肩部3個； 肘部1個：腕部3個有力-運動傳感器，有觸覺，具備避撞功能；具備對周圍物體的三維成像能力長度 15米 17米 8.5米直徑 33厘米 33厘米 23厘米運動速度 無載荷：每秒60厘米有載荷：每秒6厘米觸覺能力 無 有力-運動傳感器，有觸覺，具備避撞功能無載荷：每秒37厘米有載荷：每秒2厘米（地面遙控）或每秒15厘米（在軌控制）無載荷：每秒10厘米有載荷：待定材料 16層高強度碳纖維 19層高強度碳纖維 待定維修 回地面 在軌維修，模塊可換 在軌維修，模塊存儲在艙內(nèi)控制 航天員控制 地面遙控或航天員控制 主要靠自主運行，也可以由航天員或地面控制6個高清4K攝像頭，肘部兩側各1個360度攝像頭，2個轉環(huán)處1個，2個末端效應器上各1個。操作國 美國 美國-加拿大 加拿大攜帶相機 肘部和腕部各1個 4個，肘部兩側各1個，2個末端效應器上各1個。

加拿大臂3將用在美國地月軌道空間站

天鵝座飛船（右）和聯(lián)盟飛船并列在國際空間站上，天鵝座飛船是用機械臂捕獲的

末端效應器特寫

美國航天飛機上的機械臂，也是加拿大的產(chǎn)品

機械臂的真正用武之地：空間服務

到目前為止，太空中的機械臂還是稀罕物。但作為世界上最領先的空間機械臂開發(fā)單位，“加拿大臂”的研制方麥克唐納·德特維爾空間與先進機器人公司認為，空間機械臂乃至空間機器人應該被看做一個更大范疇概念的一部分，也就是空間服務。它未來將成為一種普及型設備，在空間服務任務中大行其道。

如果從航天飛機時代算起，太空服務的歷史已經(jīng)有40年了。廣義上的太空服務包括航天器交會、檢查和對接、有效載荷和衛(wèi)星部署、操縱、回收、再補給和維修等在軌活動，以及衛(wèi)星的轉軌和離軌。這些太空服務可以用機器人來完成，也可以用航天員來完成?？紤]到人類進行太空行走的難度和風險，機器人系統(tǒng)才是太空服務的主力。

實際上，航天服務機器人界可能已經(jīng)到了一個十字路口：從政府主導的航天服務任務向商業(yè)化的航天服務任務過渡，不但面臨空間維修需求，還面臨著如何清除軌道碎片和垃圾的問題。

不但如此，一些酒店運營公司已經(jīng)制定了建造軌道太空酒店的計劃和藍圖。根據(jù)美國宇航局的一項研究，太空旅行和娛樂市場很容易發(fā)展成為每年數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。這里還沒有考慮天基太陽能、天基制造和空間資源開采等市場。這些市場的開發(fā)，都需要大量空間基礎設施的存在，而如何去搭建和維護它們，就是個決定性的因素。考慮到人類太空行走的巨大風險，必須靠各種類型的空間機器人來實施在軌服務。要盡可能減少人在回路中的干預，需要機器人具備處理非合作目標和非合作有效載荷的自適應能力，并擁有智能視覺和控制系統(tǒng)等。

如果上述技術能夠得到逐步突破，那么在未來的商業(yè)航天中，機器人和機械臂肯定會扮演非常重要的角色。

責任編輯：夏丹

相關鏈接

國際空間站上的其他機械臂

日本實驗艙遠程機械手系統(tǒng)

在國際空間站的日本“筑波”上也有一個機械臂，叫做日本實驗艙遠程機械手系統(tǒng)（JEMRMS），用于支持在“筑波”上進行的實驗，或支持“筑波”在太空中的維護任務。這個型號雖然已經(jīng)在天上運行了不少年，但國內(nèi)媒體對它介紹不多。

JEMRMS是日本第三個太空遙控機械臂系統(tǒng)，第一個是1997年8月日本的操縱器飛行演示，第二個是1997年11月的工程試驗衛(wèi)星VII上的機械臂。JEMRMS由主臂和小細臂兩部分組成。艙內(nèi)還設置了控制工作站。

其中10米長的主臂轉移（抓斗和移動）大型物體，2米長的小細臂用于精確、精細和微調(diào)操作。主臂和小細臂都有6個關節(jié)，能夠實現(xiàn)和人類手臂類似的運動。航天員可以在加壓艙內(nèi)控制JEMRMS，同時在控制臺上的電視監(jiān)視器上觀看手臂攝像頭拍攝的圖像。

借助這些機械臂，航天員可以執(zhí)行多項任務，包括交換外置桁架和暴露試驗單元。

按設計JEMRMS要在軌道上運行10年以上，因此在發(fā)生故障時可更換或可修復。這些儀器可以通過艙內(nèi)或艙外活動進行修復，但是主臂的維修只能通過艙外活動進行。

表2 JEMRMS（主臂和小細臂）的參數(shù)

從筑波艙看日本機械臂

測試中的日本機械臂

日本機械臂的安裝位置

JEMRMS系統(tǒng)由5個部分組成：

1.主臂

主臂由吊桿、關節(jié)、電視攝像機、攝像機云臺單元、燈和末端效應器（抓斗夾具）組成。共有3個主臂吊桿，分別編號為1、2、3。視覺設備（電視攝像機、傳輸設備和燈光）連接在吊桿2和吊桿3上。

主臂主要用于交換外置桁架有效載荷（使用標準有效載荷包，尺寸為1.85m ×1.0m×0.8m，重 量 小 于500kg）。外置桁架有效載荷由主臂末端效應器移動。

2.小細臂

小細臂由電子設備、吊桿、接頭、稱為“工具”的末端執(zhí)行器和電視攝像機組成。當小細臂被主臂末端效應器抓取時，使用小細臂。

日本機械臂的發(fā)射狀態(tài)

小細臂主要用于精確、精細和微調(diào)的任務，包括交換外置桁架上的軌道替換單元，軌道替換單元的最大重量為80 kg。

小細臂在航天飛機STS-85任務期間曾經(jīng)實施了在軌驗證，機組人員能夠輕松操作手臂。它具備的柔順功能，可以利用手臂上的扭矩/力傳感器來感知何時接觸目標，之后自動調(diào)整姿態(tài)。

2.JEMRMS控制臺

JEMRMS控制臺由管理數(shù)據(jù)處理器、筆記本電腦、手控制器、電視監(jiān)視器和保持/釋放電子設備組成。數(shù)據(jù)處理器通過與作業(yè)控制程序、國際空間站的控制命令和控制多路復用器通信來控制JEMRMS系統(tǒng)。筆記本電腦和手控制器用于操縱JEMRMS。電視監(jiān)視器顯示從外部攝像機拍攝的圖像。保持/釋放電子設備用于操作保持和釋放機構。

4.小型細臂收納設備

小型細臂收納設備是在小細臂不工作時收納之用，安裝在外置桁架上。

5.保持和釋放機構

當主臂發(fā)射到國際空間站時，機組人員將操縱JEMRMS控制臺上的保持/釋放電子設備，從保持和釋放機構上釋放鎖定的主臂，然后將主臂展開。

德國機械臂

除日本機械臂外，另一個我們不太熟悉的機械臂是空間站上的德國機械臂（ROKVISS）。德國機械臂2005年1月發(fā)射升空，安裝在國際空間站俄羅斯服務艙內(nèi)。與其他機械臂相比，德國機械臂的結構比較簡單，體積也較小，僅有兩個關節(jié)和一個長50厘米的手指，配有兩個內(nèi)置照相機。

發(fā)射德國機械臂升空的主要目的，是為了驗證高集成模塊化的關節(jié)，研究自動控制和地面遠程控制模式下機械臂的運行性能。它在空間上的主要工作除了執(zhí)行空間站艙外任務外，還可以在衛(wèi)星上執(zhí)行操作任務。

德國機械臂的設計壽命為一年，一年的在軌運行為后續(xù)更復雜的機械臂設計提供了依據(jù)和思路。