SRMS空间机械臂
空间在轨装配中的机器人发展_崔瑛楠
科 技 天 地55INTELLIGENCE空间在轨装配中的机器人发展哈尔滨师范大学 崔瑛楠摘 要：空间机器人技术在空间在轨装配中扮演了越来越重要的角色。
本文通过对世界主要航天国家的空间在轨装配机器人技术进行介绍，针对典型的空间机器人进行了总结。
通过对各国机器人的相关技术的介绍，为中国在轨装配机器人的发展提供了可供发展的依据。
关键词：空间机器人 在轨装配 在轨服务引言空间机器人是在空间环境下进行空间站建造和维护以及人造空间飞行器的维护和回收的机器人。
国内外目前对于空间机器人的称谓不尽相同，如空间机械手（Space Manipulator），机器人卫星（Robot Satellite）等，但是他们的本质都是一样的，都是在空间飞行器上机械手的空间机器人系统。
下面对国外主要的空间机器人进行介绍。
一、加拿大机械臂早在20世纪70年代末 ，加拿大早期空间计划合同设计并制造航天飞机专用的空间机械系统航天飞机遥控机械臂系统（shuttle remote manipulator system SRMS）也称加拿大臂。
SRMS 主要用于装在航天飞机机舱内，随着每次任务的完成返回地球。
移动维修系统（mobile servicing system）简称MSS，也就是大家所熟知的加拿大臂2，是连接在国际空间站上得一个机器人系统。
MSS 主要由三部分组成：Space Station Remote Manipulator System（SSRMS）、S p e c i a l P u r p o s e D e x t e r o u s Manipulator（SPDM）、Mobile Base System（MBS），另外还有一套控制系统Robotic Workstation。
SSRMS 可以与Special Purpose Dexterous Manipulator（SPDM）末端灵巧手执行机构进行组装，实现特殊功能。
空间机器人简介
空间机器人简介1 空间机器人的定义2 空间机器人的主要任务和特点3 空间机器人的分类4 空间机器人研究现状5 空间机器人的发展趋势1空间机器人的定义空间机器人是指在太空环境下进行空间作业的机器人，它由机器人的本体及搭载在本体上的机械手组成。
空间机器人学作为一门新兴的学科,涉及到计算机、人工智能、自动控制、无线电通信、传感器融合、人工生命、机械学和力学等多个研究领域。
2空间机器人的主要任务1 空间站的建造,空间机器人可以承担大型空间站中各组成部的运输及部件间的组装等任务。
2 卫星和其他航天器的维护与修理,如失效卫星的回收和其他天器的维护与修理,如失效卫星的回收、零件更换和空间飞行器的资补给等。
3 空间生产和科学实验,利用宇宙空间微重力和高真空的特点生产出地面上难以生产或无法生产的产品。
空间机器人的特点空间机器人工作在微重力，高真空，超低温，强辐射，照明差的环境中,因此,空间机器人与地面机器人的要求也必然不相同,有它自身的特点。
首先空间机器人的体积比较小，重量比较轻，抗干扰能力比较强。
其次，空间机器人的智能程度比较高,功能比较全。
空间机器人消耗的能量要尽可能小,工作寿命要尽可能长,而且由于是工作在太空这一特殊的环境之下,对它的可靠性要求也比较高。
3空间机器人的分类从20世纪90年代中期以来，国际上正在研制与开发的空间机器人大体上分为三类：舱外活动机器(EVR)、科学有效载荷服务器、行星表面漫游车。
根据不同的划分标准与原则，空间机器人有多种分类方法。
其中按用途的不同空间机器人可以分为舱内/外服务机器人、星球探测机器人和自由飞行机器人3种。
舱内/外服务机器人作为空间站舱内使用的机器人,舱内服务机器人主要用来协助航天员进行舱内科学实验以及空间站的维护。
舱内服务机器人要求质量轻、体积小,且具有足够的灵活性和操作能力。
作为空间站(或者航天飞机)舱外使用的机器人,舱外服务机器人主要用来提供空间在轨服务,包括小型卫星的维护、空间装配、加工和科学实验等。
空间智能软体机械臂动力学建模与控制
空间智能软体机械臂动力学建模与控制-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以按照以下方式编写：在当今科技快速发展的背景下，机器人技术已经成为热门的研究领域之一。
机器人的灵活性和多功能性使其在各个领域中都有着广泛的应用，特别是在工业自动化和生物医学领域。
而软体机器人是机器人技术发展的一个重要方向，它能够在具有柔软和变形特性的情况下完成复杂的任务。
传统的机械臂由刚性材料组成，在执行任务时常常会遇到刚性结构不足以适应复杂环境的问题。
而软体机械臂通过使用柔性材料和智能感知技术，能够更好地应对多样化的工作环境和任务需求。
因此，软体机械臂的研究和开发对于提高机器人的适应性和灵活性具有重要意义。
本文旨在研究软体机械臂的动力学建模与控制方法。
首先对软体机械臂的概念和特点进行了简要介绍，包括其柔性材料的选择和结构设计。
然后，针对软体机械臂的特殊性质，探讨了一种有效的动力学建模方法，以确定其运动学和动力学特性。
在建立动力学模型的基础上，本文还提出了一种有效的控制策略，以实现软体机械臂的高精度和稳定性。
此外，为了验证所提出的方法和策略的有效性，进行了一系列的实验，并对实验结果进行了详细的分析。
通过实验数据和分析，证明了所提出的动力学建模和控制方法在提高软体机械臂性能方面的有效性和可行性。
最后，在结论部分，对研究成果进行了总结，并对存在的问题进行了分析和展望。
同时，给出了未来研究的建议，希望能够为进一步完善和应用软体机械臂技术提供参考。
综上所述，本文对空间智能软体机械臂的动力学建模与控制进行了全面的研究与探讨，为相关领域的研究和应用提供了有益的参考。
1.2 文章结构1.3 目的本文旨在对空间智能软体机械臂的动力学建模和控制进行研究和探讨。
具体目的包括以下几个方面：1.3.1 研究软体机械臂的概述本文将对软体机械臂的概念、特点和应用进行详细阐述，以帮助读者全面了解软体机械臂的基本信息。
1.3.2 进行动力学建模方法的研究软体机械臂在运动过程中存在较大的柔度和变形，因此动力学建模是必不可少的。
空间机器人的研究现状和发展趋势
《机器人技术基础》课程论文空间机器人的研究现状和发展趋势学生姓名XXX学生班级材控1105学生学号U******xxx手机号码xxxxxxxxxxxxx华中科技大学材料科学与工程学院空间机器人的研究现状和发展趋势陈松威（华中科技大学材料科学与工程学院武汉430074）摘要：空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。
由于空间机器人的重要作用，可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。
按照用途的不同，空间机器人可以分为舱内／舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。
本文结合最新文献对各类对空间机器人的在国际上最新的研究状况进行了详细的分析与介绍，并进行了国内外空间机器人发展的横向对比。
鉴于空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段，我国在空间机器人方面的研究亟需奋起直追。
文章最后，结合空间机器人现今各研究方向的最新研究情况，对其发展趋势做出了总结和展望。
关键词：空间机器人；舱内／舱外服务机器人；自由飞行机器人；星球探测机器人1引言（introduction）随着人类对于空间的不断探索，宇航科学与技术这一研究领域变得日益重要。
空间探索已经不再仅仅是具有国家荣誉的象征，它已经成为设计科学发展、未来资源乃至国家安全的重大问题。
尽管载人航天活动已经有几十年的发展历史，但对于人类来说，太空的高辐射、高真空、极端温度和微重力等危险环境因素仍是太空探索的技术难点。
目前，在进行舱外作业时，宇航员必须穿上价格昂贵且厚重的宇航服。
与人类宇航员相比，空间机器人在轨作业系统具有多方面的优越性：它不需要复杂的生命支持系统；适应空间环境；可以长时间工作；可以降低成本；提高空间探索的效率。
空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。
由于空间机器人的重要作用，美国、日本、加拿大、德国等发达国家都在大力度支持不同用途空间机器人的研究。
空间模块化机械臂的碰撞检测方法研究
空间模块化机械臂的碰撞检测方法研究I. 简述随着科技的不断发展，空间模块化机械臂在工业生产、医疗护理、科研实验等领域的应用越来越广泛。
然而由于空间模块化机械臂的结构复杂，其运动过程中可能会发生碰撞，从而导致机械臂损坏甚至人身伤害。
因此研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法具有重要的现实意义。
目前针对空间模块化机械臂的碰撞检测方法主要有两种：一种是基于传感器的碰撞检测方法，另一种是基于模型的碰撞检测方法。
基于传感器的碰撞检测方法通过在机械臂上安装各种类型的传感器(如距离传感器、速度传感器等),实时采集机械臂的运动信息，并利用数学模型对这些信息进行处理，以判断机械臂是否发生碰撞。
这种方法的优点是实时性好，但需要大量的传感器和复杂的数学模型；缺点是对环境的适应性较差，容易受到外部因素的影响。
基于模型的碰撞检测方法则通过对机械臂的结构进行建模，利用计算机仿真技术模拟机械臂的运动过程，从而预测可能发生的碰撞。
这种方法的优点是对环境具有较强的适应性，但需要较高的计算能力和复杂的建模技巧；缺点是无法实现实时监控。
本文将对这两种方法进行详细的研究，旨在为空间模块化机械臂的设计、制造和应用提供有效的碰撞检测手段。
A. 研究背景和意义随着科技的不断发展，空间模块化机械臂在工业生产、医疗护理、航空航天等领域的应用越来越广泛。
然而由于机械臂的结构复杂，运动轨迹多变，因此在实际操作过程中，碰撞检测成为了一个重要的问题。
一旦发生碰撞，可能会导致机械臂损坏、设备故障甚至人身伤害等严重后果。
因此研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法具有重要的理论和实际意义。
首先研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法有助于提高机械臂的安全性能。
通过采用先进的碰撞检测技术，可以在机械臂运动过程中实时监测其周围环境，预测可能发生的碰撞事件，从而采取相应的措施避免或减轻碰撞的影响。
这对于确保机械臂在各种工况下的安全运行具有重要意义。
其次研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法有助于提高机械臂的工作效率。
空间柔性机械臂惯性空间混合增广变结构控制算法
２ ０ １ ４年 ３月
Ｍａ ｒ ．２ ０１ ４
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４ － ８ ４ ２ ５ （ ｚ ） ． ２ ０ １ ４ ． ０ ３ ． ０ ０ ９
空 间柔 性 机 械 臂 惯 性 空 间混 合 增 广 变 结构 控 制算 法
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｉ ｔ ｉ ｓ ｃ ｏ ｍｐｌ ｅ ｘ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｏ ｆ ｓ ｐ ａ ｃ ｅ ｌｅ ｆ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ ｍａ ｎ ｉ ｐ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｔ ｏ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｒ ｅ ｄ ｅ ｎｄ —
ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｉｎｇ ｒ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎｋ ｎ ｏ ｗｎ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ．Ｔｈｅ ｎ ｔ ｈｅ ａ ｕ ｇ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ＶＳＣ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｔ ｈｅ
第２ ８卷 第 ３期
Ｖｏ １ ．２８ Ｎｏ ．３
重 庆 理 工 大 学 学 报 （自然科 学）
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
文 献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ６ ７ ４— ８ ４ ２ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ｏ ３— ０ ０ ４ ４— ０ ６ 中 图分类 号 ： Ｔ Ｐ ２ ４ １
Ａｕｇ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ＶＳＣ ｏ ｆ Ｓ ｐａ ｃ ｅ Ｆｌ ｅ ｘ ｉ ｂ ｌ ｅ Ｍａ ｎ ｉ ｐ ｕｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｔ ｏ
空间机械臂
各国发展
1
加拿大
2
德国
3
欧洲
4
日本
5
中国
20世纪70年代美国航天飞机开始研制，1981年航天飞机开始发射升空，航天飞机上携带了一套由加拿大斯巴 宇航公司(SPARAerospace)研制的六自由度机械臂系统，一般称之为航天飞机遥控机械臂系统(SRMS)或是加拿大 机械臂一(Canadarm1)。加拿大机械臂总长度15.2米、直径0.38米，自重410千克，加拿大机械臂最初具备部署 释放或是抓取332.5千克载荷的能力，20世纪90年代中期加拿大机械臂系统升级负荷质量以支持空间站建设工作。
投入使用的太空机械臂中，国际空间站上的“加拿大臂2号”在尺寸和复杂度上堪称第一
1、空间机械臂可以用来实现对于空间静止或移动目标的观察、监视，即通过精度定位或运动，使得机械臂上 所安置的视觉系统能够准确地捕获、跟踪需要观察或监视的目标，对其进行照相或摄像。
2、空间机械臂是在轨维护与建设的支撑性技术。
通过该技术，利用机械臂的定位功能，通过不同形势手爪的使用，完成对于航天器舱内和舱外不同目标的拾 取、搬运、定位和释放。通过在轨自主操作与遥操作相结合的技术，实现空间站或其它轨道器内部的无人情况下 的复杂试验动作；由航天员进行舱内外的抓取、搬运、维修等操作，或者作为航天员或大型构件的支撑，协助航 天员完成在轨建设或维修项目。
长从几米到十几米不等,针对不同任务的需求自由度从5个到10个不等,安装载体有航天飞机、空间站、以及 小型飞行器或空间机器人。它主要完成辅助对接、目标搬运、在轨建设、摄像、对卫星等空间合作或非合作目标 的捕获释放等，此外还可以作为航天员出舱活动的辅助设备。
空间机器人简介
空间机器人简介1 空间机器人的定义2 空间机器人的主要任务与特点3 空间机器人的分类4 空间机器人研究现状5 空间机器人的发展趋势1空间机器人的定义空间机器人就是指在太空环境下进行空间作业的机器人,它由机器人的本体及搭载在本体上的机械手组成。
空间机器人学作为一门新兴的学科,涉及到计算机、人工智能、自动控制、无线电通信、传感器融合、人工生命、机械学与力学等多个研究领域。
2空间机器人的主要任务1 空间站的建造,空间机器人可以承担大型空间站中各组成部的运输及部件间的组装等任务。
2 卫星与其她航天器的维护与修理,如失效卫星的回收与其她天器的维护与修理,如失效卫星的回收、零件更换与空间飞行器的资补给等。
3 空间生产与科学实验,利用宇宙空间微重力与高真空的特点生产出地面上难以生产或无法生产的产品。
空间机器人的特点空间机器人工作在微重力,高真空,超低温,强辐射,照明差的环境中,因此,空间机器人与地面机器人的要求也必然不相同,有它自身的特点。
首先空间机器人的体积比较小,重量比较轻,抗干扰能力比较强。
其次,空间机器人的智能程度比较高,功能比较全。
空间机器人消耗的能量要尽可能小,工作寿命要尽可能长,而且由于就是工作在太空这一特殊的环境之下,对它的可靠性要求也比较高。
3空间机器人的分类从20世纪90年代中期以来,国际上正在研制与开发的空间机器人大体上分为三类:舱外活动机器(EVR)、科学有效载荷服务器、行星表面漫游车。
根据不同的划分标准与原则,空间机器人有多种分类方法。
其中按用途的不同空间机器人可以分为舱内/外服务机器人、星球探测机器人与自由飞行机器人3种。
舱内/外服务机器人作为空间站舱内使用的机器人,舱内服务机器人主要用来协助航天员进行舱内科学实验以及空间站的维护。
舱内服务机器人要求质量轻、体积小,且具有足够的灵活性与操作能力。
作为空间站(或者航天飞机)舱外使用的机器人,舱外服务机器人主要用来提供空间在轨服务,包括小型卫星的维护、空间装配、加工与科学实验等。
《空间机械臂间隙与摩擦动力学仿真分析》
《空间机械臂间隙与摩擦动力学仿真分析》篇一一、引言空间机械臂作为空间技术的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到空间作业的效率和安全性。
而机械臂的间隙与摩擦问题，作为影响其性能的关键因素之一，一直是研究的热点。
本文旨在通过动力学仿真分析，深入研究空间机械臂的间隙与摩擦问题，以期为提高其性能提供理论依据。
二、空间机械臂概述空间机械臂是一种能够在空间环境中进行复杂操作的机器人系统，其结构复杂、精度要求高。
空间机械臂通常由驱动系统、控制系统、执行机构等部分组成，具有高精度、高速度、高负载等特点。
在空间作业中，机械臂需要完成各种精细操作，如抓取、搬运、装配等任务，因此对其性能要求极高。
三、间隙与摩擦对空间机械臂的影响间隙和摩擦是影响空间机械臂性能的两个重要因素。
间隙的存在会导致机械臂的运动精度降低，影响其操作精度和稳定性。
而摩擦则会使机械臂在运动过程中产生额外的能量损耗，降低其工作效率。
因此，对间隙与摩擦问题的研究对于提高空间机械臂的性能具有重要意义。
四、动力学仿真分析方法为了深入研究空间机械臂的间隙与摩擦问题，本文采用动力学仿真分析方法。
通过建立机械臂的数学模型，利用仿真软件进行动力学分析，探究间隙与摩擦对机械臂运动的影响。
具体步骤包括：建立机械臂的几何模型、定义材料属性、设置约束和载荷、模拟运动过程等。
通过分析仿真结果，可以得到机械臂在运动过程中的动态特性，以及间隙与摩擦对其性能的影响。
五、仿真结果与分析通过动力学仿真分析，我们得到了空间机械臂在不同间隙与摩擦条件下的运动特性。
结果表明，间隙的存在会使机械臂的运动精度降低，尤其是在高速运动时，这种影响更为明显。
而摩擦则会使机械臂在运动过程中产生额外的能量损耗，降低其工作效率。
此外，我们还发现在一定范围内调整机械臂的结构参数和材料属性，可以有效地减小间隙与摩擦对性能的影响。
这些结果为优化空间机械臂的设计提供了重要的理论依据。
六、结论通过对空间机械臂的间隙与摩擦动力学仿真分析，我们深入了解了这两个因素对机械臂性能的影响。
空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证
空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证张㊀运1,李德伦1∗,王㊀康1,朱㊀超1,赵志军1,杨光辉2,姚思雨2(1.空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室,北京空间飞行器总体设计部,北京100094;2.北京卫星制造厂有限公司,北京100094)摘要:为满足空间站机械臂在轨维修需求,实现在轨故障单机快速从整臂中分离,设计了一种通用快速连接装置㊂该装置在满足空间站机械臂高刚度㊁大承载要求的前提下,具有空间环境下操作力矩小㊁操作简便㊁拆装迅速的特点㊂快速连接装置由快速连接母组件和快速连接公组件两部分组成,两组件通过膨胀螺栓膨胀施加预紧力实现锁紧,组件对接过程中通过楔形结构配合实现导向和定位㊂该快速连接装置通过刚度测试㊁真空高低温环境下膨胀螺栓插拔以及航天员地面人机工效等验证,结果表明该装置可满足空间站机械臂使用要求与在轨维修需求㊂关键词:空间站机械臂;快速连接;膨胀螺栓;人机工效中图分类号:V423.7㊀文献标识码:A㊀文章编号:1674-5825(2022)06-0741-09收稿日期:2022-02-10;修回日期:2022-09-20基金项目:人因工程重点实验室一般基金项目(6142222210302)第一作者:张运,女,硕士,工程师,研究方向为空间机器人系统及机构设计㊂E-mail:zhy05221145@ ∗通讯作者:李德伦,男,硕士,高级工程师,研究方向为空间机器人系统及机构设计㊂E-mail:dll_hit@Design and Experimental Verification of Joint Quick ConnectDevice for Space Station ManipulatorZHANG Yun 1,LI Delun 1∗,WANG Kang 1,ZHU Chao 1,ZHAO Zhijun 1,YANG Guanghui 2,YAO Siyu 2(1.Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications,Beijing Institute ofSpacecraft System Engineering,CAST,Beijing 100094,China;2.Beijing Satellite ManufacturingCo.,Ltd,Beijing 100094,China)Abstract :According to the requirements of astronaut Extravehicular Activities(EVA),a universaljoint quick connect device was designed to realize the rapid separation of faulty products from theSpace Station manipulator.The joint quick connect device could achieve the requirements of high ri-gidity and large heavy load.At the same time,it had the characteristics of small operating torque,easy operation and quick disassembly.The quick connect device was divided into the male compo-nent and the female component,and the two components were locked by expansion bolts and posi-tioned and guided through a wedge structure.The joint quick connect device had passed the stiffness test,the expansion bolt insertion test in the vacuum,high and low temperature environment,as well as the astronaut ground ergonomics test.The experimental results showed that the device could meetthe use requirements of the Space Station manipulator and on-orbit maintenance requirements.Key words :Space Station manipulator;quick connect;expansion bolt;ergonomics第28卷㊀第6期2022年㊀12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀载㊀人㊀航㊀天Manned Spaceflight㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Vol.28㊀No.6Dec.20221㊀引言㊀㊀机械臂是大型空间站进行在轨维护和建设的必要工具㊂机械臂在地面遥操作和空间站内航天员的联合操作下,实现空间站舱表巡检㊁大型货物转运㊁辅助交会对接㊁航天技术试验照料等重大任务[1-2]㊂空间机械臂作为大型舱外机械臂,在轨寿命要求10年以上,且机械臂造价以及发射费用昂贵,因此需要其具有通过维修维护延长使用寿命的能力[3]㊂在关节㊁末端等单机失效的情况下,需要通过在轨维修进行故障单机更换[4]㊂快速连接装置作为机械臂关节与关节㊁末端㊁臂杆及中央控制器等单机之间的连接结构,是保证机械臂在轨维修的基础㊂目前,国际空间站机械臂有加拿大航天飞机遥操作臂SRMS(Shuttle Remote Manipulator Sys-tem)㊁空间站遥操作臂SSRMS(Space Station Re-mote Manipulator System)㊁日本实验舱机械臂JERMRS(Japanese Experiment Module Remote Ma-nipulator System)㊁欧洲机械臂ERA(European Ro-botic Arm)等㊂其中航天飞机遥操作臂SRMS臂长15m,有6个关节[5],在轨实现了卫星捕获㊁卫星维修㊁国际空间站建设等[6]㊂由于航天飞机可以返回地球,因此SRMS机械臂关节采用不可在轨更换设计[7]㊂空间站遥操作臂SSRMS采用2个完全对称的臂杆设计,共包含7个关节和2个末端执行器㊂SSRMS采用可在轨维修设计[8],即采用模块化关节与快换接口设计㊂快换接口由6个凸台与配对U型槽组成,通过6个快换螺钉连接[9]㊂2002年6月,SSRMS的腕部旋转关节进行了在轨维修更换[10]㊂日本的JEMRMS机械臂由主臂MA和小臂SFA组成,其中MA关节也采用了在轨可更换结构[11]㊂欧洲空间机械臂ERA也采用对称设计,共有7个自由度,ERA关节并未采用可在轨更换接口设计[12]㊂综上,目前公开关节快换接口结构,且在轨成功进行更换维修的只有SSRMS,但是其电气接口设计㊁机械接口容差指标㊁快换装置的操作力矩及测试等资料并公开发表㊂中国空间站核心舱机械臂由7个关节和2个末端执行器等组成,重量约800kg,规模大且承载能力强[13-14],在轨寿命指标为10年,通过维修后寿命指标为15年㊂为满足中国空间站核心舱机械臂在轨寿命要求,机械臂具有在轨维修功能,可实现航天员在轨快速将故障单机从整臂中分离更换㊂核心舱机械臂各单机的连接均采用快速连接装置连接[15-16],通过快速连接的在轨对接与分离,实现故障单机在轨快速更换㊂本文对核心舱机械臂使用的快速连接装置的设计及验证情况进行介绍㊂2㊀设计需求㊀㊀1)轻质量㊂受发射成本及发射空间限制,空间站核心舱机械臂重量要求不超过800kg,而快速连接作为机械臂上各单机间的连接部件,在关节㊁末端执行器㊁臂杆及中央控制器等单机的对接处,共配备13组[13],如图1所示,快速连接的重量对整臂的重量影响较大,需小于5kg㊂图1㊀快速连接在核心舱机械臂上的位置Fig.1㊀Position of the quick connect devices on the manipulator2)高刚度㊂核心舱机械臂在轨需执行最大25t负载搬运任务及舱段转位对接等大载荷操作转移任务㊂机械臂质量约800kg,展开后长度超过10m,其振动基频要满足设计要求,因此,快速连接装置刚度应大于0.8ˑ106Nm/rad㊂3)低力矩㊂机械臂如需在轨维修,需要航天员在空间站舱外着航天服操作㊂受航天服阻尼力矩和航天服手套的影响,航天员的手部精细操作能力大大降低,因此,要求快速连接装置拆装操作简便,且操作力矩不应超过35Nm㊂4)在轨维修㊂机械臂在轨维修作业通过航天员出舱使用专用在轨维修工具完成,因此,快速347第6期㊀㊀㊀㊀张㊀运,等.空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证连接装置上需要提供在轨维修工具接口,同时在外形上设计明显的状态标识,用于航天员在轨识别关节角度位置㊂5)大容差㊂在轨维修操作时,受航天服影响,航天员视野受限,且在零重力环境下航天员的精细操作能力降低,因此需要快速连接对接接口(电接口及机械接口)具有大容差,提高在轨对接效率㊂6)电气浮动连接功能㊂快速连接装置在建立机械连接的同时,需要将关节与相邻连接部件完成电器连接,完成电源和通信等信息的传递㊂快速连接装置上的电连接器,为满足在轨对接容差需求,需要有浮动容差㊂3㊀机构设计3.1㊀工作原理㊀㊀快速连接装置主要由快速连接公组件和快速连接母组件组成,膨胀螺栓安装在快速连接母组件上,浮动电连接器插头端安装在快速连接公组件上,插座端安装在快速连接母组件上㊂快速连接公组件和母组件上均安装有在轨维修接口,如图2所示㊂快速连接公组件和快速连接母组件分别安装在需要快速组装的不同单机产品上,通过膨胀螺栓膨胀实现锁紧㊂图2㊀快速连接装置组成图Fig.2㊀Composition diagram of the quick connect device快速连接的工作状态分为初始状态㊁导向对接状态㊁电连接器连接状态和膨胀螺栓锁紧状态㊂初始状态下,膨胀螺栓拔出,反向膨胀锁紧在快速连接母组件上;导向对接状态下,快速连接公组件和快速连接母组件通过对接接口导向连接;随后浮动电连接器通过导向销完成浮动对接;插接到限位后,快速连接公组件和快速连接母组件的膨胀螺栓孔位对齐,利用膨胀螺栓专用工具,对膨胀螺栓施加力矩,膨胀螺栓膨胀,快速连接锁紧㊂3.2㊀本体结构设计㊀㊀快速连接公组件和快速连接母组件上设计有楔形插口和垂直轴向的U 型槽,对接时将快速连接公组件插入快速连接母组件的楔形槽中㊂快速连接装置通过楔形槽和U 型槽的对接实现圆周方向的定位和大容差设计,如图3所示㊂根据U 型槽尺寸,快速连接的位置容差为3.8mm,角度容差为2ʎ㊂快速连接本体结构的容差设计如图4所示㊂图3㊀快速连接装置对接口Fig.3㊀Interface of the quick connectdevice图4㊀快速连接装置容差Fig.4㊀Tolerance of the quick connect device3.3㊀维修接口设计㊀㊀在快速连接公组件和快速连接母组件的圆周方向上分别设计有12组在轨维修工具的接口,位置如图5所示㊂机械臂在轨维修工具(包含固定装置㊁拆装装置)通过12组维修接口与机械臂的连接,实现力闭环㊂为在轨维修时能为航天员提供关节转动角度参考,在快速连接上设计了角度刻线及角度标识,如图6所示㊂447载人航天第28卷图5㊀维修接口Fig.5㊀Maintenanceinterfaces图6㊀角度标识Fig.6㊀Angle indicator3.4㊀电连接器浮动设计㊀㊀快速连接除机械连接外,还需提供整臂的电信号及通信信号连接㊂电连接需要有一定的容差,以满足在轨维修需求;快速连接装置选用了J95H 浮动电连接器,以实现容差需求;电连接器的浮动采用浮动螺钉形式,以保证连接强度㊂如图7所示,通过合理设计螺钉的直径a 和安装孔b 大小,保证连接器的浮动量b-a 满足大于1.5mm 的要求㊂图7㊀浮动电连接器安装方式Fig.7㊀Installation of the floating electrical connector为保证电连接器准确对接,电连接器设计了导向销,如图8所示㊂导向销的长度30.5mm,大于连接器外壳的高度21.2mm,在连接器外壳啮合前,导向销利用锥面实现插头和浮动插座的导正,然后电连接器实现准确对接㊂图8㊀导向销设计Fig.8㊀Design of the guide pins3.5㊀膨胀螺栓设计㊀㊀膨胀螺栓是快速连接实现低操作力矩㊁高刚度的关键部件,对膨胀螺栓的设计重点进行分析,确保快速连接装置设计的可靠性㊂3.5.1㊀膨胀螺栓组成㊀㊀快速连接公组件与快速连接母组件之间的连接主要通过膨胀螺栓来实现,膨胀螺栓由2个膨胀环㊁2个锁紧环㊁螺柱隔套㊁锁紧螺母㊁锁紧螺柱和间距隔套等零件组成,基本构型如图9所示㊂图9㊀膨胀螺栓组成图Fig.9㊀Composition diagram of the expansion bolt3.5.2㊀膨胀螺栓工作原理㊀㊀膨胀螺栓的基本工作原理是:在自由状态下,膨胀环和锁紧环在内应力的作用下收拢在锁紧螺柱上,膨胀环外圆与快速连接公㊁母上的隔套有较大的间隙,保证膨胀螺栓能够方便的插入隔套中㊂当膨胀螺栓插入对接好的快速连接装置后,锁紧螺柱的前端插入到固定隔套里面,能够提供膨胀螺栓拧紧时的阻力㊂此时拧紧锁紧螺母,锁紧螺547第6期㊀㊀㊀㊀张㊀运,等.空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证母推动螺柱隔套向前移动,从而推动膨胀环压缩,在锥形斜面的作用下,膨胀环向外胀开,紧密贴合在隔套上,并施加一定预紧力;锁紧环向内收拢,紧密贴合在锁紧螺柱上,并施加一定预紧力㊂通过施加满足要求的拧紧力矩,确保膨胀螺栓和隔套之间达到满足要求的预紧力,使得快速连接装置在传递扭矩㊁承受弯矩的过程中不产生松动㊂在锁紧环中间,设有间距隔套,通过控制锁紧环的间距,均衡3个膨胀环受力,防止近锁紧螺母处的膨胀环过度膨胀损坏㊂当拧开膨胀环螺栓时,膨胀环和锁紧环在自身弹簧力的作用下,自动收拢,使得膨胀环与隔套之间恢复初始间隙,保证膨胀螺栓能够方便的取出㊂膨胀螺栓拔出后,可施加一个较小的力矩锁紧膨胀螺栓,防止膨胀螺栓滑动㊂3.5.3㊀膨胀螺栓受力分析㊀㊀根据受力情况,建立膨胀螺栓拧紧时的受力图,如图10㊁图11所示,在螺母拧紧的过程中,螺母提供下压力F n ,膨胀环和缩紧环克服摩擦力f 和f ᶄ下滑,在下滑的过程中膨胀环逐渐膨胀,直到膨胀到位贴合隔套时,膨胀环表面承受压力F p ㊂当拧松膨胀螺栓时,受力情况正好相反,由膨胀环的自身回弹收缩力,克服摩擦力fᶄ挤压缩紧环恢复初始状态㊂图10㊀膨胀螺栓拧紧时受力分析图Fig.10㊀Force analysis diagram of the expansion boltwhen tightened膨胀螺栓的锁紧螺母拧松后,膨胀环正常回弹需克服膨胀环与缩紧环间的摩擦力f 和缩紧环与螺柱间的摩擦力f ᶄ,满足条件如式(1)所示:㊀㊀㊀F w ㊃sin(θ)ȡf ㊃cos(θ)+f ᶄ(1)图11㊀锁紧环受力分析图Fig.11㊀Force analysis diagram of the contraction ring其中:F w 为膨胀环对缩紧环锥面的正压力;f 为膨胀环与缩紧环间的摩擦力,f =F w ㊃μ;f ᶄ为缩紧环与螺柱间的摩擦力㊂其中:fᶄ=F w cos(θ)μ,正常回弹需满足条件如式(2)所示:㊀㊀㊀㊀㊀㊀θȡ2arctan(μ)(2)摩擦系数μ取0.15,θȡ17.06ʎ,即可正常回弹㊂设计状态θ为24.775ʎ,膨胀螺栓可正常回弹㊂3.5.4㊀膨胀螺栓强度分析㊀㊀建立膨胀环和缩紧环受力模型如图12所示,底端半缩紧环固定,顶端承受下压力,膨胀环膨胀到位后承受平均压力,锥面设置为滑动无分离接触方式㊂图12㊀膨胀环与缩紧环有限元模型Fig.12㊀Finite element model of the expansion ringand contraction ring有限元分析结果如图13所示,膨胀环在320N 压力作用下,向下的移动量与膨胀环和间距隔套间隙尺寸一致,膨胀环刚好贴合隔套㊂当膨胀螺栓拧紧,按20Nm 施加拧紧力矩后,可计算膨胀环表面正压力如公式(3)所示:F p =2ˑ(F n -F o )/tan(θ)(3)647载人航天第28卷图13㊀膨胀环与锁紧环受力有限元分析结果Fig.13㊀Finite element analysis results of the expan-sion ring and contraction ring㊀㊀其中:F p为拧紧后,膨胀环表面压力;F n为预紧力,其中20Nm对应的预紧力为10000N;F o为膨胀环膨胀到位时需要的初始力320N㊂可计算的表面压力为51089N,对应的表面压强为84.87MPa㊂根据以上加载工况分析,膨胀环最大应力为840MPa,缩紧环最大应力为703MPa㊂膨胀环和锁紧环选用材料为不锈钢棒0Cr15Ni7Mo2Al,该材料的σ0.2=1210MPa,σb=1320MPa,最小安全系数为1.44(1210/840)㊂根据美国NASA-STD-5001标准中推荐的安全系数值,按屈服强度设计,安全系数需大于1.0,因此膨胀环和锁紧环设计强度满足要求㊂3.6㊀润滑的设计㊀㊀由于快速连接活动零件的表面在真空环境下存在冷焊风险,为保证可靠性,在快速连接公组件及母组件的对接接口面㊁维修接口表面㊁膨胀螺栓的膨胀环和锁紧环表面,均采用了有机粘接MoS2薄膜的固体润滑措施,利用有机树脂作为粘接剂,将MoS2粘覆于金属底材表面㊂这种润滑膜层具有以下特点:①与基底间的附着力好,可以承受发射阶段的力学环境;②承载能力高;③与摩擦对偶间不发生冷焊;④在真空环境下摩擦系数低(小于0.1),耐磨寿命长㊂因此该润滑膜可有效满足快速连接的空间环境下使用要求㊂4㊀试验验证4.1㊀刚度测试验证㊀㊀快速连接刚度测试的原理如图14所示,对试验对象进行受力分析可以得到加载端面的变形角度如式(4)所示:图14㊀快速连接装置刚度测试原理Fig.14㊀The principle of stiffness test of the quick connect deviceθ=Ml ljE lj I ljp(4)㊀㊀等效的绕轴刚度如式(5)所示:GI p=Mθ(5)㊀㊀式中:θ为变形角度,GI p为扭转刚度,M为加载力矩,l lj为快速连接直径,E lj为材料弹性模量,I ljp为截面的极惯性矩㊂刚度测试时,将快速连接固定在刚度测试台上,对膨胀螺栓施加20Nm预紧力,然后对快速连接进行2000Nm加载,测试快速连接的弯曲刚度和扭转刚度,图15为其中的弯曲刚度曲线,根据力矩-角位移曲线拟合斜率(即为刚度值),扭转刚度为1.01ˑ107Nm/rad,弯曲刚度为6.36ˑ106Nm/rad㊂图15㊀弯曲刚度曲线Fig.15㊀Bending stiffness curve4.2㊀力矩测试验证㊀㊀为验证在轨操作膨胀螺栓的拧紧拧松力矩,在高低温真空罐内,对快速连接膨胀螺栓的拧紧拧松力矩进行了验证,测试设备如图16~17所示㊂在高低温真空罐内,快速连接母组件安装在试验台上,膨胀螺栓与螺栓插拔机构连接,经磁流体密封装置与真空罐外力矩传感器连接㊂由旋转插拔机构对膨胀螺栓进行拧紧插入或拧松拔出,747第6期㊀㊀㊀㊀张㊀运,等.空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证力矩大小可通过力矩传感器判断㊂图16㊀膨胀螺栓力矩测试原理Fig.16㊀The principle of tighten and loosen torque ofthe expansionbolt图17㊀膨胀螺栓插拔试验现场图Fig.17㊀Test of the expansion bolt insertion and extraction在真空环境下,测试了膨胀螺栓高温端(70ħ)和低温端(-50ħ)在20㊁25㊁30Nm 拧紧力矩下的拧松力矩,测试结果如图18㊁表2所示㊂图18㊀膨胀螺栓拧紧拧松力矩测试曲线Fig.18㊀Tighten and loosen torque test curves of theexpansion bolt表2㊀膨胀螺栓拧紧拧松力矩测试结果Table 2㊀Tighten and loosen torque test results of the ex-pansion bolt拧紧力矩/Nm拧松力矩/Nm高温低温2014.3~18.514.3~18.02518.2~24.518.5~24.33021.5~29.621.5~29.0由测试结果可知:1)膨胀螺栓拧松力矩受温度变化影响;2)膨胀螺栓插拔顺畅,膨胀螺栓在空间环境下拧紧力矩㊁拧松力矩满足航天员输出指标要求,膨胀螺栓的膨胀环㊁锁紧环收缩状态各循环下对比一致;3)试验后,膨胀螺栓的技术状态良好㊂4.3㊀人机工效验证㊀㊀快速连接装置是关节在轨维修的关键组件,其操作影响在轨维修任务的成败,为验证快速连接装置在轨的拆装性能,对关节进行了在轨维修人机工效学验证[17]㊂膨胀螺栓的在轨操作包括插入/拔出和旋紧/拧松2个主要动作㊂在轨维修时,将膨胀螺栓专用工具安装在航天员舱外操作力矩扳手上,专用工具可实现膨胀螺栓的四面限位㊂当拧紧时,膨胀螺栓上的限位凸台靠在L 型槽径向一侧,如图19所示,拧松时相反㊂插入时膨胀螺栓的限位凸台靠在L 型槽的轴向一侧,如图20所示,拔出时相反㊂图19㊀专用工具拧紧膨胀螺栓示意图Fig.19㊀Schematic diagram of the special looseningtool for the expansionbolt图20㊀专用工具拔出膨胀螺栓示意图Fig.20㊀Schematic diagram of the special tighteningtools for the expansion bolt847载人航天第28卷维修工具安装在快速连接装置维修接口上,由随动机构和分离机构两部分组成㊂分离机构实现故障关节的拆装,而随动机构在关节拆除后,将机械臂其他组件进行临时连接固定,如图21所示㊂图21㊀关节维修装置工具原理图Fig.21㊀Schematic Diagram of the Repair Device In-sertion and Extraction Mechanism for the Joint在轨维修模拟试验模拟场景如图22所示㊂2名航天员位于机械臂故障件两侧,依次完成膨胀螺栓拧松㊁快速连接分离㊁故障关节更换㊁快速连接组合㊁膨胀螺栓锁紧等操作㊂图22㊀膨胀螺栓在轨维修地面试验验证Fig.22㊀Ground test of the on-orbit maintenance forthe expansion bolt5㊀结论㊀㊀本文根据空间站核心舱机械臂的特点和在轨任务对快速连接装置的需求,开展了快速连接装置的刚度㊁容差㊁维修需求设计,经设计分析及试验验证,设计的快速连接装置具有如下特点:1)质量轻㊂通过机构的合理设计,快速连接质量为仅为3.5kg,远小于指标5kg 要求㊂2)连接刚度高㊂经过地面刚度测试及在轨使用验证,可以满足中国空间站机械臂25t 大载荷操作的需求㊂3)操作简便,操作力矩小㊂通过一套专用工具实现拧松㊁拧紧㊁拔出㊁固定一系列动作,操作力矩可以与中国航天员的作业能力相匹配㊂4)设计有维修接口,机械接口有一定的容差和导向,电接口有导向与浮动容差,有利于航天员在舱外进行在轨维修,提高了机械臂系统的可靠性与寿命㊂5)该设计方式可为其他在轨装配㊁在轨维修产品提供借鉴与参考㊂参考文献(References )[1]㊀Long A,Hasting D.Catching the wave:A unique opportunityfor the development of an on-orbit satellite servicing infrastruc-ture[C ]//Space 2004Conference and Exhibit.Arlington,USA:AIAA,2004:2-11.[2]㊀Rouleau G,Rekleitis I,L'Archeveque R,et al.Autonomouscapture of a tumbling satellite[C]//Proceedings of the IEEEInternational Conference on Robotics and Automation.Orlan-do,Florida,USA:IEEE,2006:3855-3860.[3]㊀Martin E,Dupuis E,Piedboeuf J C,et al.The TECSAS mis-sion from a Canadian perspective[C]//8th International Sym-posium on Artificial Intelligence and Robotics and Automationin Space (i-SAIRAS),Munich,Germany,2005,(9):5-8.[4]㊀于登云,孙京,马兴瑞.空间机械臂技术及发展建议[J].航天器工程,2007,16(4):1-8.Yu D Y,Sun J,Ma X R.Suggestion on development of Chi-nese space manipulator technology[J].Spacecraft Engineer-ing,2007,16(4):1-8.(in Chinese)[5]㊀Sallaberger C.Canadian space robotic activities[J].Acta As-tronautica,1997,41(4):239-246.[6]㊀Jorgensen G,Bains E.SRMS history,evolution and lessonslearned[C]//AIAA 2011Conference and Exposition.LongBeach,California:AIAA,2011:4-5.[7]㊀Gibbs G,Sachdev S.Canada and the international space sta-tion program-overview and status[C]//54th International As-tronautical Congress of the International Astronautical Federa-tion.Bremen,Germany,2003,11(5):18-25.[8]㊀Mcgregor R,Oshinowo L.F1ight 6A:Deploynlent and check-out ofthespacestationremotemanipulatorsystem(SSRMS)[C]//Proceedings of the 6th International Sympo-sium on Artificial Intelligence,Robotics and Automation inSpace(i-SAIRAS),2001.[9]㊀Marc D J.Space station remote manipulator system qualifica-tion model joint test program[C]//IARP Workshop on Space Robotics.Ontario,Canada,1998:355-366.[10]㊀Catchpole,John E.The International Space Station Building for the Future [M].UK:Praxis Publishing,2008:361-368.[11]㊀Matsueda T,Kuraoka K,Goma K,et al.JEMRMS SystemDesign and Development Status [C ]//Proceedings of theIEEE National Telesystems Conference.Atlanta,GA,USA:IEEE,1991:391-396.[12]㊀Doctor F,Glas A,Pronk Z.Mission preparation support of947第6期㊀㊀㊀㊀张㊀运,等.空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证the European Robotic Arm(ERA)[C]//7th ESA Workshopon Advanced Space Technologies for Robotics and Automa-tion,Noordwijk,Netherlands,November2002. [13]㊀李大明,饶炜,胡成威,等.空间站机械臂关键技术研究[J].载人航天,2014,20(3):238-242.Li D M,Rao W,Hu C W,et al.Key Technology review ofthe research on the space station manipulator[J].MannedSpaceflight,2014,20(3):238-242.(in Chinese) [14]㊀周建平.我国空间站工程总体构想[J].载人航天,2013,19(2):1-10.Zhou J P.Chinese space station project overall vision[J].Manned Spaceflight,2013,19(2):1-10.(in Chinese) [15]㊀刘宏,蒋再男,刘业超.空间机械臂技术发展综述[J].载人航天,2015,21(5):435-442.Liu H,Jiang Z N,Liu Y C.Review of space manipulatortechnology[J].Manned Spaceflight,2015,21(5):435-442.(in Chinese)[16]㊀Li D L,Zhang Y,Wang K,et al.The experimental adapta-bility design and verification of the space station manipulator'sjoint[C]//20213rd International Symposium on Robotics&Intelligent Manufacturing Technology.GuangZhou,2021:491-495.[17]㊀朱超,孔旭,胡成威,等.空间机械臂维修性系统设计与评价体系的构建[J].航空学报,2021,42(1):244-252.Zhu C,Kong X,Hu C W,et al.Maintainability system de-sign and evaluation system construction for spacemanipulators[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2021,42(1):244-252.(in Chinese)(责任编辑:孙京霞)057载人航天第28卷。
空间机器人
（b）ETS-VII是世界上第一个真正的自由飞行空间机器人 系统，1997年发射升空。其主要目的是科学实验：一是 两颗卫星的交会对接实验；二是对空间机器人做各种操 作实验。ETS-VII空间机器人具有6自由度；长2.4 m， 重约150 kg；第一关节与最后关节处分别安装有一个相 机。
（c）JEMRMS是用于空间操作的机器人系统，NASDA负责研 制。该机器人由主臂和小臂SFA串联组成，主臂长约 10 m，主要由6个关节和2个臂杆组成；小臂长约2 m， 主要由6个关节、2根臂杆以及一个末端效应器组成。宇 航员执行任务时可以借助于这两个臂杆进行更多的操作 ，图为JEMRMS搬运有效载荷的过程。
2、美国空间机器人概况
（a）FTS是美国最早的空间机器人研究项目，主要在空间 站上执行各种装配、维修及协助视觉监测等繁杂任务。 FTS由两个机械臂及一个定位腿组成，属于类人机器人 ，机械臂可以在高灵巧系统中于工作空间内无奇点的提 供89N的力和27Nm的力矩。机械臂运动结构是对称的， 力/力矩传感器安装在机械臂末端，工作于遥操作模式 下。
（c）Ranger TFX是一种灵巧空间机器人系统，项目开始于 1992年，是一具有自由飞行能力的空间机器人。当时主 要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求，而后在此 基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目 。
（d）Robonaut是NASA开发的空间类人机器人，它是一个多 自由度灵巧机器人，主要是作为助手与航天员一起工作 并执行日常维修任务。“轨道快车”计划是在1999年公 布的，主要用于开发研究未来空间在轨补给和修复、重 构等技术，实验修复卫星，进行各类仪器的太空试验， 并利用在轨飞行演示与验证。
2、空间机器人的分类
根据空间机器人所处的位置来划分： 低轨道空间机器人 离地面300～500km高的地球旋转轨 道。 静止轨道空间机器人 离地面约36000km的静止卫星用轨 道。 月球空间机器人 在月球表面进行勘探工作。 行星空间机器人 主要指对火星、金星、木星等行星进 行探测。 根据航天飞机舱内外来划分： 舱内活动机器人 舱外活动机器人
空间机器人发展现状与思考
空间机器人发展现状与思考林益明;李大明;王耀兵;王友渔【摘要】介绍了空间机器人的基本概念、特点和发展历程,在简述我国空间机器人技术发展现状的基础上,重点介绍了我国空间站机械臂、嫦娥三号巡视器和嫦娥五号采样机械臂等空间机器人的研制情况.结合我国空间机器人型号研制和技术研发的经验和教训,对我国空间机器人未来发展应关注的一些问题提出了建议.【期刊名称】《航天器工程》【年(卷),期】2015(024)005【总页数】7页(P1-7)【关键词】空间机器人;发展现状;发展思考【作者】林益明;李大明;王耀兵;王友渔【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京100094;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;北京空间飞行器总体设计部,北京100094;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;北京空间飞行器总体设计部,北京100094;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;北京空间飞行器总体设计部,北京100094;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【正文语种】中文【中图分类】V423.7空间机器人是在太空中执行空间站建造与运营支持、卫星组装与服务、行星表面探测与实验等任务的一类特种机器人。
美国航空航天局探索小组（NASA Exploration Team，NEXT）按其执行的任务，将空间机器人分为在轨操作机器人和星表探测机器人两类［1-2］，前者包括在轨组装、维护、检查和辅助航天员活动等空间机器人，后者包括巡视移动、样品采集、科学测量和辅助航天员探测等各类机器人。
随着人类空间探索活动的不断深入，航天器的规模和复杂程度达到了前所未有的程度，如“国际空间站”（ISS）包括13个舱段、历时10余年才在轨组装而成，而未来空间太阳能电站的建设需在轨构建尺寸达到千米级的大型空间设施；人类对于深空的探索方兴未艾，月球、火星、小行星等星体探测成为当前热点，探测的深度和广度也达到了一个新的阶段，如机遇号火星车在火星上行程超过40 km，探测时间已达11年之久。
空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学分析
空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学分析危清清;王耀兵;唐自新;张大伟【摘要】Position errors and angle errors exist inevitably in space manipulator system assisted docking of spacecraft. A dynamic and control model concerned the contaction between the docking system was set up to simulate the space manipulator system assisted docking of spacecraft. The impedance control system associated with the detai led joint dynamic model, joint torque control system was bui lt. The results show that the space manipulator system could overcome the initial error of the spacecraft,and finish the job of space assisted docking.The control force turned down immediately after the spacecraft was docked.Also,the space manipulator system could hold the position and shape.%为验证空间站柔性机械臂系统在有初始位置、姿态误差的情况下能否成功完成辅助舱段对接任务,文章建立了空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学模型,模型考虑了对接机构的接触碰撞,依据关节精细动力学模型、力矩控制方法和阻抗控制程序进行了空间柔性机械臂辅助舱段对接过程仿真。
空间站机械臂工作原理
空间站机械臂工作原理空间站的机械臂是一种关键性的装备，它在航天任务中发挥着十分重要的作用。
机械臂可通过灵活的活动达到物体捕捉、搬运、安装和维修等多种功能。
下面我们将介绍一下空间站机械臂的工作原理，希望为大家提供一些指导意义。
空间站机械臂的工作原理主要包括操纵系统、传感系统和执行系统。
操纵系统是机械臂的操作中枢，它由操作员通过控制台进行操作。
通过控制台，操作员可以实时了解机械臂的位置、状态和工作环境等信息，并通过操纵杆和按钮来控制机械臂的动作。
传感系统用于感知机械臂的周围环境和目标物体的位置、状态等信息，它由多种传感器组成，如相机、激光雷达、力传感器等。
执行系统主要由伺服电机和液压缸等执行器组成，通过它们来实现机械臂的各种运动。
机械臂的运动是由多个关节的旋转和伸缩来实现的。
每个关节都由一个电机或液压系统驱动。
通过电机或液压系统的控制，机械臂的各个关节可以根据需要分别旋转或伸缩，从而实现机械臂的多样化运动。
机械臂的末端配有机械爪和换站架等工具，可以根据任务需要进行更换。
机械臂的操作过程可以分为准备、定位、抓取、运动和释放等几个主要步骤。
准备阶段是为了确保机械臂和目标物体之间的相对位置和姿态满足操作要求。
定位阶段是根据传感器反馈信息调整机械臂的位置和姿态，使其接近目标物体。
抓取阶段是机械臂通过机械爪或其他工具来捕捉、搬运或安装目标物体。
运动阶段是根据任务要求，通过控制机械臂的关节运动，沿着规划好的路径来完成任务。
释放阶段是释放目标物体并进行下一步操作，或将目标物体安装到预定位置。
空间站机械臂的工作原理可以说是一种高度智能的技术应用。
通过操作员的指令和传感器的反馈，机械臂可以在复杂的空间环境中完成各种任务。
机械臂的灵活性和精确性使得它成为探索太空的得力助手，在太空探索、卫星维修、货物运输等方面发挥着重要作用。
综上所述，空间站机械臂的工作原理是基于操纵系统、传感系统和执行系统的高度智能技术应用。
通过多关节的旋转和伸缩运动，机械臂可以实现目标物体的捕捉、搬运、安装和维修等任务。
自由浮动空间柔性机械臂轨迹跟踪与抑振控制
Doctor of Philosophy (Master of Engineering) February, 2012
【关注】面向空间机械臂在轨服务操作的视觉感知技术
【关注】面向空间机械臂在轨服务操作的视觉感知技术鹰，搏击长空而无畏。
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1. 引言随着航天技术的飞速发展，空间飞行器的结构、组成日趋复杂，性能、技术水平不断提高，在这种情况下，保证空间飞行器在复杂的空间环境中更加持久、稳定的在轨运行，已成为目前空间技术领域亟待解决的重要问题。
空间在轨服务(On—Orbit Servicing，简称OOS)逐渐成为航天领域的研究热点。
空间在轨服务即指在太空中通过人、机器人(或类机器人卫星)或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力的空间装配、维护和服务(Space Assembly，Main—tenance and Servicing，简称SAMS)任务。
自20世纪60年代早期提出概念，在轨服务技术迄今已经历四十多年的发展历程，并取得了丰硕的成果。
早期的在轨服务大多是由航天员完成的，但由于航天员出舱活动存在生理限制和巨大风险，随着机器人、遥操作等技术的不断发展，以空间机械臂代替航天员进行空间在轨服务已成为一种必然趋势。
空间机械臂要实现在轨服务操作，离不开感知系统的支持，而视觉作为空间机械臂最主要的传感器，相当于机械臂的眼睛，在空间机械臂在轨服务操作中具有举足轻重的地位。
空间目标航天器可分为两类：合作目标航天器和非合作目标航天器。
合作目标航天器指航天器上安装有经过特殊设计以配合完成在轨服务任务的专用部件，如用于机械手抓取的抓捕手柄和用于视觉测量的合作标志器。
而非合作目标航天器则指不是为对接或捕获设计的任一航天器，即航天器上不安装用于机械臂捕获的抓持机构(手柄)以及用于辅助测量的合作标志器和特征块，或不能进行姿态控制，在空间自由翻滚的航天器。
一般包括己方未装置合作部件的卫星、己方装置合作部件但燃料耗尽或姿轨控系统故障的卫星、己方失效卫星、空间碎片，以及对方航天器。
基于臂角参数的SRS构型七自由度机械臂逆运动学优化方法[发明专利]
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专利名称：基于臂角参数的SRS构型七自由度机械臂逆运动学优化方法
专利类型：发明专利
发明人：陈鑫,梅义胜,王行澳
申请号：CN202111476380.2
申请日：20211206
公开号：CN114154267A
公开日：
20220308
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种基于臂角参数的SRS构型七自由度机械臂逆运动学优化方法，包括：根据SRS构型七自由度机械臂结构定义冗余参数臂角、参考平面和臂平面；基于参考平面和臂平面，求解SRS构型七自由度机械臂的肘关节角θ4、肩关节角θ1、θ2、θ3和腕关节角θ5、θ6、θ7的表达式；结合SRS构型七自由度机械臂各关节角的限位，求解机械臂在给定末端位姿下的所有可行臂角ψ的范围。
本发明的有益效果是：求解速度快，几何意义明显，适用于包含避障在内的构型控制任务，一定程度上也提高了机器人的可操作度。
申请人：中国地质大学(武汉)
地址：430000 湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号
国籍：CN
代理机构：武汉知产时代知识产权代理有限公司
代理人：吴晓茜
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空间机械臂地面仿真与测试系统设计
空间机械臂地面仿真与测试系统设计
肖帅;刘蕊;饶卫东
【期刊名称】《空间控制技术与应用》
【年(卷),期】2017(043)005
【摘要】根据某型号搭载的七自由度空间机械臂的测试任务,设计一套空间机械臂地面仿真与测试系统.该系统可以完成两方面的功能:一是利用空间机械臂模拟器进行半物理仿真,对空间机械臂控制线路盒的电接口和控制软件功能进行测试;二是采用吊丝卸载装置对空间机械臂真实产品进行全物理试验,对在轨任务进行地面演示验证.利用所设计的测试系统已经完成了某型号空间机械臂的地面测试与演示验证任务,目前该型号已经发射成功,空间机械臂已经成功完成在轨试验.所设计的空间机械臂地面仿真与测试系统具有较好的通用性和扩展性,可以应用于其他空间机械臂产品的地面测试.
【总页数】6页(P73-78)
【作者】肖帅;刘蕊;饶卫东
【作者单位】北京控制工程研究所,北京100190;北京控制工程研究所,北京100190;北京控制工程研究所,北京100190
【正文语种】中文
【中图分类】V448
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SRMS空间机械臂
力觉传感器
触觉传感器
❖ 在空间作业时，机器人手爪与外部环境 的接触情况是机器人实现本地局部自主 的一个重要信息。触觉传感器可以检测 这种接触情况，在这里，我们使用微动 开关作为触觉传感器的主要部件。微动 开关是用于检测物体是否存在的一种最 简单的触觉-致动器件。
日本技术实验卫星ETS-Ⅶ上的 多传感器手爪
1997年，日本宇宙开发事业团（NASDA〕发射了一颗 用于空间交会对接及空间机器人技术研究的实验卫 星ETS－VII,星上搭载一大一小两个机器人手臂。大 机械臂（ERA）具有六个自由度，长约2.4米，由 NASADA研制。小机械手（ARH）由日本通商产业省 （MITI）研制，长约0.5米，用于精密操作。
ARH在实验卫星ETS－VII上的空间实验
ARH多传感器手爪
❖ 该手爪共配置五种传感 器,具体如下:
❖ (1)三个接近觉测距传 感器,安装在手爪外壳 上,主要用于接近工作 台控制,也用于始终面 对工作台的姿态控制。
❖ (2)一个CCD眼在手上 (Eye-in-Hand)摄像机, 主要用于目标物体的测 定、微细定位及监视。
选用直流电机 + 减速器 + 光电码盘 光电码盘可做手爪开合度传感器。
机器人手眼系统实物图片
摄像机
驱动电机
触觉传感器 力传感器
触觉传感器
V型手指
力传感器 平指
多传感器的配置
❖ 手爪上配置了多种传感器以实现机器人的局部自主 操作。手爪上一共安装了八个力觉传感器，七个触 觉传感器。手爪上还装配有一对小型CCD,可以通过 立体视觉进行对物体的视觉定位。
ROTEX多传感器手爪
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•国内外研究概况
美、日、德等发达国家都开展了用于空间 的多传感器手爪的研究工作，其中具有代 表性的是德国宇航中心研制的舱外机器人 ROTEX和日本的ETS-Ⅶ上的多传感器手爪。 在国内方面，中国科学院合肥智能机械研 究所、哈尔滨工业大学以及北京航空航天 大学等多家研究机构都进行了多传感器机 器人手爪的研究。
•德国宇航中心的ROTEX多传感器手爪
❖ 1993年美国哥伦比亚号航天飞机成功地 搭载了德国DLR研制的基于多传感器的小 型空间机器人系统ROTEX。
❖ ROTEX系统配有一个多传感器智能手爪， 手爪上安装了六维腕力传感器、距离觉、 触觉等多种传感器，并配有一对微型摄 像机作为视觉系统。
ROTEX多传感器手爪的ORU实验
A B
T
3.9 多传感器手爪
❖ 目前，开发和利用太空已成为各国高科技和军事发展的 焦点 ，而空间机器人在人类的太空活动中发挥了重要 的作用。
❖ 空间机器人的重要要求就是自身的灵活性和局部自主能 力，而多传感器手爪是提供这些能力的关键部件。
目前，多传感器机器人 手爪已成为国际上研究 的一个热点，研究的问 题主要围绕新型的传感 器和执行器、手爪结构、 传感器集成和信息融合 和控制方法。
ROTEX多传感器手爪
❖ (2)2个面积为32×16平 方毫米,4×8个感应单元 的二进制触觉陈列传感 器。
❖ (3)1个基于应变片测量 的刚性六自由度力/力矩 传感器。
❖ (4)1个基于光电原理柔 性六自由度力/力矩传感 器。
❖ (5)1个微型CCD摄像机。
ROTEX多传感器手爪的控制系统框图
❖ (3)一对夹持力传感器, 通过握力反馈控制执行 3指抓取目标物体。
ARH多传感器手爪
❖ (4)一个六自由度力/力 矩传感器,安装在微型 机器人手臂的腕部,主 要用于微型手臂的力控 制,也用于基于任务知 识库通过模型匹配技术 监视空间任务的执行情 况。
❖ (5)一个柔顺力/力矩传 感器,该传感器比六自 由度力/力矩传感器更 敏感,监视微细作业的 执行。
•空间机器人多传感手爪的特点
❖ 在太空中，手爪必须可靠地抓取和作业,这就 要求机械结构一定要可靠。机器人多指灵巧手 因为缺乏机械的可靠性和实用性,并且存在着 抓取不稳固和控制复杂性的问题，目前并未用 于太空作业中。
❖ 空间机器人为了能够在存在着不确定性的环境 下进行灵巧的操作,其手爪必须具有较强的感 知能力。
SRMS空间机械臂
1975年，加拿大SPAR公司与美国宇航局（NASA） 签署了研制遥控机械臂SRMS（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS），后来 以加拿大臂著称。1984年，SRMS正式被用于 协助宇航员进行舱外活动，标志着空间机器 人进入使用阶段。
SRMS空间机械臂
3.8 热敏效应与温度检测
❖ 3.8.1 热电阻 Rt = R0[1+(t-t0)]
❖感温电阻选材原则： 1、电阻温度系数较高，提高灵敏度； 2、在测温范围内化学、物理性能稳定，保证精度； 3、具有良好的输出特性，接近线性关系； 4、具有较高的电阻率，以减小体积； 5、具有良好的可加工性，且价格便宜。
日本技术实验卫星ETS-Ⅶ上的 多传感器手爪
1997年，日本宇宙开发事业团（NASDA〕发射了一颗 用于空间交会对接及空间机器人技术研究的实验卫 星ETS－VII,星上搭载一大一小两个机器人手臂。大 机械臂（ERA）具有六个自由度，长约2.4米，由 NASADA研制。小机械手（ARH）由日本通商产业省 （MITI）研制，长约0.5米，用于精密操作。
ARH在实验卫星ETS－VII上的空间实验
ARH多传感器手爪
❖ 该手爪共配置五种传感 器,具体如下:
❖ (1)三个接近觉测距传 感器,安装在手爪外壳 上,主要用于接近工作 台控制,也用于始终面 对工作台的姿态控制。
❖ (2)一个CCD眼在手上 (Eye-in-Hand)摄像机, 主要用于目标物体的测 定、微细定位及监视。
❖ 硅热电阻的温度特性 500
0 －50 0
50 100 150 200 温度 / C
3.8.4 热电偶
•热电效应（1823年赛贝克发现） 总电势 EAB (T, T0) = TT0 TABdT = EAB (T) – EAB (T0) 其中 TAB为热电势率，与热材料和两接点温度有关。
T0 T0 EAB (T, T0)
❖常用感温材料： 铂、铜、铁、镍、铟、锰、碳
❖ 3.8.2 热敏电阻
金属氧化物＋添加剂＋陶瓷工艺
电阻温度系数 T = （1/RT）×(dRT/dT)×100% 正温度系数热敏电阻（PTC）: BaTiO3+稀土元素
负温度系数热敏电阻（NTC）：混合过渡金属氧化物
临界温度系数热敏电阻（CTC）：V2O3+Ge、Ni、W、Mn
在轨道上， ROTEX进行了构架 机构的装配、插拔 轨道可更换单元 （ORU，Orbit Replacement Unit） 和捕获漂浮物体等 多个实验。
ROTEX多传感器手爪
❖ 手爪上安装有多种传 感器,其上的传感器 配置如下:
❖ (1)9个激光测距传感 器,其中一个中距离 扫描测距传感器,其 测距范围为3～35mm, 其余8个短距离测距 传感器的测距范围为 0～30mm,它们均匀地 安装在2个手指指尖 部位。
NTC热敏电阻、PTC热敏电阻和 CTR热敏电阻的典型电阻-温度特性曲线
3.8.3 半导体热敏电阻
❖ 半导体电阻率
3000 电 阻
❖ ＝ 1/（nqn+pqp） 2500 值
❖ n为电子浓度；
❖ p为空穴浓度；
2000
❖ n为电子迁移率； ❖ p为空穴迁移率；
1500
❖ q为电子的电量。
1000
ARH多传感器手爪测量和控制的基本策略
❖ (1)机器人用接近距离传感器,或手眼摄像机,或者这两 种传感器,来搜索目标物体。
❖ (2)用非接触传感器来确定物体的精确位置或大小。例 如,用接近觉传感器来测量到任务板的距离,当三只传 感器的距离值相等时,就可以获得垂直于任务面板的本 地坐标系。接着利用手眼摄像机所获得的任务面板上 标志的图像,机器人就可以设定本地坐标系,并把它作 为手臂相对导航的精密参考点。通过对手眼摄像机所 获得的图像进行处理,机器人还可以分辨目标的大小。