空间机械臂是一类仿人类手臂构型的空间机器人,是融合机械、电子、控制、计算机等科学技术为一体的复杂系统。随着空间技术的发展和空间探索的不断深入,空间机械臂已经成为各国深空探测和在轨值守不可或缺的组件之一,在空间站、卫星、深空探测车上得到了广泛的应用。空间机械臂的特点是能够像人类的手臂一样抓取和搬运物体,在太空中对在轨单元进行操作,完成诸如空间舱段搬运与转移、太阳能帆板辅助展开、舱段辅助对接、小卫星捕获、辅助宇航员出舱等多类任务,替代和协助宇航员完成多种危险及无法单靠人力完成的工作,是空间环境中长期值守的核心装备,也是能够反映一个国家的科技水平的高尖端航天装备。

空间机械臂依靠其不同的构型,能够适应种类各异的空间操作任务。以国际空间站的舱外机械臂Canadarm2为例,由于其负载能力大,且能够承受外太空的严苛环境,能够完成许多宇航员无法完成的工作,例如进行小卫星捕获、太阳能帆板展开、交会对接等等(图5)。当然由于空间机械臂的智能化和自主化还具有局限性,有些场合需要配合宇航员进行,此时机械臂的作用就是辅助宇航员到达指定目标位置,实现机械臂和宇航员的交互作业。

为了使得机械臂能够更好地完成在轨任务,需要进行相应的技术积累。空间机械臂在轨完成各种操作,是以获得目标位姿为前提。对象识别和位姿获取技术是空间机械臂的关键技术之一,利用该技术获得任务目标相对于机械臂坐标系的位置和姿态,并通过算法获得机械臂各个关节的运动角度,实现太空中的机械臂运动规划。同时,该技术还可以获取机械臂运动过程中障碍物和非合作目标的位置,从而实现运动过程中的障碍回避。