1.2.1 国外典型空间机械臂发展现状

从20世纪60年代开始，美国、加拿大、日本、欧洲航天局等国家与机构在空间机械臂相关领域取得了较大的进步，并成功研发了多套空间机械臂。下面对国外具有代表性的空间机械臂进行简要介绍。

1. 在轨操作空间机械臂

（1）航天飞机遥控机械臂系统

航天飞机遥控机械臂系统（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）[2]又称加拿大1号臂（Canadarm1），由加拿大MD Robotic公司生产，1981年首次安装在美国航天飞机“哥伦比亚号”上执行任务，如图1-4所示。SRMS具有6个自由度，长约15.2 m，总质量约410 kg，最大负载30000 kg。SRMS主要用于将航天飞机上的有效载荷放入预定轨道，协助航天员对发生故障的航天器进行维修，以及校正偏离预定轨道的人造卫星等。随着2011年航天飞机项目的终止，SRMS暂时结束了其航天使命。

（2）空间站遥控机械臂系统

空间站遥控机械臂系统（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS）[3]又称加拿大2号臂（Canadarm 2），由加拿大MD Robotic公司和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）联合研制，于2001年成功发射，如图1-5所示。SSRMS具有7个自由度，长约17.6 m，总质量约1800 kg，最大负载116000 kg。SSRMS安装于空间站的桁架基座装置上，可用于执行电池组与轨道单元的更换、空间站载运物的回收和轨道器的对接与分离等任务。

（3）专用灵巧机械臂

专用灵巧机械臂（Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM）[4]又称Dextre，于2008年发射到国际空间站。如图1-6所示，SPDM是个双臂机器人，每条手臂具有7个自由度，长约3.7 m，质量约1660 kg，最大负载600 kg，可执行诸如空间站表面的小部件移除等高精度要求任务。它既可作为SSRMS的操作终端，也能够独立作业，用于辅助宇航员的舱外活动，从而降低宇航员出舱行走的危险。

（4）日本实验舱遥控机械臂系统

日本实验舱遥控机械臂系统（Japanese Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS）[5]由日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制，于2008年发射，如图1-7所示。JEMRMS由主臂和小臂串联组成，主臂和小臂均具有6个自由度，总长约12 m，最大负载6400 kg。JEMRMS安装在国际空间站的日本“希望号”实验舱上，主要用于执行实验舱的辅助装配、暴露实验平台的负载更换等任务。

（5）欧洲机械臂

欧洲机械臂（European Robotic Arm，ERA）[6]由欧洲航天局（European Space Agency，ESA）研制，如图1-8所示。ERA具有7个自由度，长约11.3 m，总质量约580 kg，最大负载8000 kg。ERA将随俄罗斯“科学号”实验舱发射并被安装于国际空间站的俄罗斯舱段部分，主要用于执行在轨装配任务和其他舱外服务，如对空间站的外表面进行监测等。

（6）小型空间机械臂系统

小型空间机械臂系统（Robot Technology Experiment on Spacelab D2-Mission，ROTEX）[7]是原德国航天飞行管理局（Deutsche Agentur für Raumfahrtangelegenheiten，DARA）针对舱内作业开发的第一个小型智能遥操作空间机械臂，于1993年成功发射，如图1-9所示。ROTEX具有6个自由度，长约1 m。ROTEX在国际空间站上能够以地面预编程方式、地面重编程方式、地面遥操作方式、宇宙飞船内遥操作方式、基于虚拟环境的遥传感器编程方式、自主方式等多种工作模式执行小型机械桁架构建、轨道可替换单元（Orbital Replacement Units，ORU）部件替换、漂浮物体捕获等任务。

（7）“轨道快车”系统机械臂

“轨道快车”系统（Orbital Express System，OES）[8]由美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）牵头研制，包括自主空间传送机器人轨道器（Autonomous Space Transport Robotic Orbiter，ASTRO）和下一代服务卫星（NEXT Generation Serviceable Satellite，NEXTSat）2部分，于2007年发射升空，如图1-10所示。ASTRO上安装有由加拿大MD Robotic公司生产的空间机械臂，其具有7个自由度，长约3 m，用于执行NEXTSat的维护和捕获任务。研究人员利用ASTRO上的空间机械臂在太空中完成了一系列验证试验，如控制其成功捕获了NEXTSat，并完成了针对后者的燃料补给与电池安装任务。

（8）工程试验卫星机械臂

工程试验卫星（Engineering Test Satellite VII，ETS-VII）[9]由日本东芝公司研制，于1997年发射，如图1-11所示。ETS-VII上搭载一条具有6个自由度的机械臂，其长约2.4 m，质量约400 kg。机械臂手部关节和末端执行器均安装有摄像机，能够将画面传送至地面控制实验室，利于地面实验人员实施相关操作。研究人员可利用ETS-VII上的机械臂完成机械臂与卫星姿态的协同控制和对在轨卫星及其ORU部件的捕获等实验。

2. 星表探测空间机械臂

（1）Rocky 7探测车机械臂

Rocky 7探测车是美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）[10]于1997年研发的火星探测车地面样机，主要用于验证火星表面长距离行走（50 km）所需的技术。Rocky 7探测车前端搭载一条具有2个自由度的轻型机械臂，其质量约650 g，长约32 cm，如图1-12所示。该机械臂携带类似于铲子的末端执行器，主要用于样品的挖掘与运输。

（2）“机遇号”和“勇气号”探测车机械臂

IDD（Instrument Deployment Device）是美国JPL于2003年为火星探测车“机遇号”（Opportunity，MER-B）与“勇气号”（Spirit，MER-A）所设计的轻型机械臂[11]，如图1-13所示。IDD具有5个自由度，长约1 m，自重约4 kg，最大负载2 kg，末端定位误差小于±5 mm，重复定位误差小于±4 mm。该机械臂末端携带穆斯堡尔谱仪（MB）、阿尔法粒子X射线谱仪（APXS）、显微成像仪（MI）、岩石研磨工具（RAT）等科研仪器，可对火星表面土壤样品进行采样分析。

（3）NASA“凤凰号”探测车机械臂

NASA“凤凰号”[12]探测车于2008年在火星北极圈一处平坦的永久冻土地带着陆，其可利用气象仪、立体照相机、铝钛合金机械臂等装置开展各种探测，如图1-14所示。安装在该探测车上的机械臂具有4个自由度，长约2.35 m，其末端装有锯齿形刀片和波纹状尖锥，能从坚硬的极区冻土表面钻取土壤样品。

（4）“好奇号”探测车机械臂

“好奇号”探测车（Curiosity）[13]是美国火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）研制的新型火星探测车，于2011年发射。该探测车上安装有长约2.1 m的机械臂，携带有化学和矿物学分析仪、火星样本分析仪等设备，用于辅助完成岩石和土壤样品的获取、加工、分析等操作，如图1-15所示。

（5）Marsokhod探测车机械臂

Marsokhod探测车[14]是由俄罗斯和NASA艾姆斯研究中心（Armes Research Center，ARC）共同开发的一款地面试验样机，如图1-16所示。其配备具有5个自由度的机械臂，最大伸展长度约1 m。该机械臂将随Marsokhod探测车先后对月球和火星进行探测并完成星体表面土壤的挖掘、收集等任务。