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空间站机械臂技术是航天领域一项技术耦合性强、系统集成度高、技术难度相当大的综合技术，是载人航天、深空探测、在轨服务等领域的一项重要关键技术。空间站机械臂是中国首个自主研制的面向宇航工程应用的大型空间机器人系统，在空间站系统中承担大型舱段转位与辅助对接，支持航天员出舱活动、舱外状态巡检、舱外设备安装及维修，以及载荷照料等重要任务。它涉及机械、电子、热学、动力学与控制、计算机、路径规划、感知与测量、自主智能、算法与软件，以及光学、材料、遥操作、人机交互、地面试验验证等多学科技术，系统复杂，新技术多，设计与验证难度大。

国外在20世纪70年代就开始研究空间机械臂技术，美国、加拿大、日本、欧洲在空间机械臂技术领域起步较早。近50年来，加拿大、日本、欧洲已先后研制出了多个空间机械臂，最具代表性的是安装在美国航天飞机上的“加拿大I臂”（SRMS，1981年11月发射入轨），应用在“国际空间站”上的“加拿大II臂”（SSRMS，2001年4月发射入轨）、“日本臂”（JEMRMS，2008年6月发射入轨）及“欧洲臂”（ERA，2021年7月发射入轨）。除“欧洲臂”由于发射后出现故障尚未执行任务外，其他空间机械臂已在轨完成了多次大型舱段捕获、支持航天员出舱活动、舱外设备安装及维修等任务，为“国际空间站”组装建造与长期在轨运营提供了重要保障。2021年4月，我国空间站“天和”核心舱机械臂随“天和”核心舱发射成功，并先后完成了机械臂在轨测试、爬行、舱外状态巡检、支持航天员出舱活动、转位货船及大小臂组合与协同操作等任务。它是我国首个在轨应用的空间大型机械臂，标志着我国面向宇航工程研制的大型空间机械臂系统取得圆满成功，我国也因此成为继加拿大、日本、欧洲之后国际上少数几个独立掌握空间大型机械臂核心技术及研制能力的国家。2022年7月，空间站“问天”实验舱机械臂随“问天”实验舱发射成功；2022年11月，“天和”核心舱机械臂与“问天”实验舱机械臂完成在轨组合测试，并圆满完成了第一次利用组合臂支持航天员乘组的出舱活动任务。从技术与应用发展角度来看，空间机械臂未来将向多形态、自主性、智能化，以及多臂操作、人机协同、机器人航天员等方向发展。

一、研发历程

早在2005年，中国空间技术研究院所属北京空间飞行器总体设计部就开始了空间机械臂的预先研究工作。2006年，成功完成空间小型机械臂（简称“运动支架”）的研发工作，突破了6自由度路径规划技术等多项关键技术；2007年，以面向我国空间站组装建造与运行维护为主要目标，全面启动了空间站大型机械臂系统方案论证及关键技术攻关工作；至2011年，先后完成了大型空间机械臂原理样机、缩比样机、工程样机系统研制，突破了多学科融合设计技术、7自由度多约束冗余路径规划技术等多项关键技术，为型号立项奠定了重要基础。

2012－2014年，进入型号研制阶段后，依据空间站系统方案、资源配置、接口要求等条件，机械臂团队又开展了新一轮的系统方案优化设计工作，并同步开展了机械臂变负载条件下的高精高稳控制技术、机械臂捕获悬停飞行器技术等16项关键技术攻关与验证工作。在前期方案基础上，经过多项重大改进，系统功能与综合性能指标得到进一步提升，最终确定了空间站机械臂系统的中国方案。

2015－2020年，又先后完成了结构臂、电性臂、鉴定臂及正样臂等4套机械臂研制，实现了大型一体化关节，低冲击、高刚度末端执行器，多功能一体化中央控制器等核心部件及42个软件配置项的国产化研制；经过多年摸索与探讨，在国内首次提出并制定了面向空间大型机械臂的地面试验验证体系及系统级试验方案，解决了由于地面重力影响而导致的空间大型机械臂“测不准、测不全、试验覆盖不到位”等工程技术难题，并在国内率先建立了空间机械臂及机器人领域相对完备的地面试验验证系统。

“十年磨一剑”，直到2021年，随着“天和”核心舱机械臂的成功发射，首次实现了空间大型机械臂在轨“零”的突破，实现了大型空间机械臂的在轨首次应用；获取了第一手的在轨遥测数据，验证了空间站机械臂动力学特性和天地差异的影响及空间机械臂主要功能与性能指标，其中，质量刚度比、精度等指标达到国际领先水平；同时，通过在轨测试、参数辨识及对模型的多次修正与验证实现了空间站机械臂高保真度动力学仿真模型（true model），为后续空间机器人技术的发展提供了重要支撑。

二、方案设计

经过17年的不懈努力和刻苦攻关，机械臂团队在多学科系统集成设计、控制算法、路径规划、视觉感知测量、核心部件国产化、动力学仿真、试验验证体系构建等方面取得了一大批具有自主知识产权的理论方法及核心算法等，发表了百余篇论文，出版了《空间机器人》（中、英文版）专著。通过多年来对空间站机械臂技术的不断攻关及对系统方案的不断优化，为我国空间站工程提供并设计了具有中国特色的空间站机械臂方案。

在空间站机械臂方案设计过程中，为实现空间站机械臂多学科融合及高集成设计，须全面考虑工程任务需求、约束条件与机械臂功能、性能之间协调匹配关系；须充分权衡系统与单机之间指标的匹配性，外部与内部接口之间的匹配性，各级产品状态与测试、试验状态之间的匹配性，维修设计与工效学要求之间的匹配性，以及能力扩展与未来需求之间的匹配性等；须通过多学科分析仿真与虚拟设计、半物理仿真及实物验证相结合的方法对系统及单机方案开展多轮设计迭代，稳步实现多学科融合的机械臂复杂机电系统的高集成设计；须充分考虑复杂系统多学科集成设计过程中的风险要素，避免出现设计实现过程中的某一参数、功能或性能指标的偏差或偏离导致整个系统方案出现反复甚至颠覆的情况（在设计初期这种情况经常出现），要做好各层级之间风险识别，制定实时可行的控制措施，做到实时跟踪，层层闭环。

（一）总体方案设计

结合中国空间站组装建造和运营阶段的任务需求及未来扩展需求，在空间站上共配置了大小两个机械臂，即“天和”核心舱机械臂（大臂）和“问天”实验舱机械臂（小臂），两个机械臂既可以独立工作又可以在轨组合使用。相较于“国际空间站”主要采用单一机械臂进行在轨操作的设计，我国的方案具有更大的任务灵活性。“天和”核心舱机械臂操作半径较大（全长10.37m）且负载能力强（最大负载25t），主要完成大尺寸或大质量负载搬运、大范围转移、舱段转位对接等类型任务；“问天”实验舱机械臂小巧（全长5.69m、最大负载3t），主要完成精细操作类型任务。两个机械臂均具有在单舱或跨舱爬行功能，又能通过级联方式形成组合臂（全长超过15m、最大负载3t），进行更大操作范围内的精巧操作任务。机械臂末端预留机电热等扩展接口，可进一步扩展机械臂操作能力。

空间站机械臂系统由“天和”核心舱机械臂（大臂）、“问天”实验舱机械臂（小臂）、机械臂在轨操作台（安装在核心舱舱内）及大、小臂目标适配器、双臂组合转接件、对接相机、视觉标记等组成。两个机械臂除全长、负载能力、精度等指标有较大差异之外，在方案设计如系统功能、配置、构型、自由度数量等方面基本一致。下面以“天和”核心舱机械臂为例进行说明。

“天和”核心舱机械臂作为典型的大型7自由度冗余可重构系统，由机械臂总体和计算与信息、运动、捕获、视觉监视与测量、热控、在轨操作及地面集成、测试与试验等7个子系统组成，如图1所示。机械臂本体由7个关节、2个末端执行器、2个臂杆、1个中央控制器及1套视觉监视测量系统组成。关节采用模块化设计，7个关节的产品状态完全一致，采用“肩3+肘1+腕3”关节偏置配置方案，即肩部设置肩回转关节、肩偏航关节和肩俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部依次设置腕俯仰关节、腕偏航关节和腕回转关节；中央控制器作为机械臂控制核心，为提高抗空间环境能力，进一步优化结构设计，通过与承力结构一体化设计将其集成在肘部壳体内部；臂杆采用高强度碳纤维复合材料设计而成，两端分别连接肩部关节、肘部关节、腕部关节及中央控制器；视觉监视与测量系统包括1台以太网交换机、2台腕部相机、1台肘部相机（含2自由度云台）及若干视觉标记，其中肘部相机具有视频监视功能，腕部相机除监视功能外还具备对目标的实时识别和位姿测量功能；末端执行器安装在机械臂首尾两端，分别与肩回转关节和腕回转关节相连接，两个末端执行器状态完全一致，用于实现对目标的抓取、机械锁定及电气连接；在空间站上分布有多个目标适配器，为机械臂提供机械、电源、数据等标准接口，是末端执行器抓取的目标，机械臂通过切换不同控制模式，控制首尾两端末端执行器依次捕获、释放空间站舱体表面的目标适配器进行肩、腕互换实现爬行；为便于机械臂在轨维修和更换，对各维修单元ORU快换接口进行模块化设计，采用统一的维修接口。

图1 “天和”核心舱机械臂7自由度收拢构型

此外，在“天和”核心舱舱内布置1套机械臂操作台，由1个操作面板、2个平动和2个转动力反馈手柄、1套电容触摸屏、3台显示器（与仪表分系统共用）及2台仿真笔记本电脑等组成，用于航天员在轨操控舱外机械臂、进行在轨训练及监视机械臂状态、紧急处置等。

（二）控制体系及控制策略

空间站上机械臂的操作对象种类众多且质量差异很大，操作对象又分为静目标与动目标两大类，涵盖航天员、实验载荷、平台设备及舱段级飞行器等，质量从几千克到最大25t。同时，机械臂也是一个多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂柔性多体系统，存在着外界环境干扰、参数摄动、未建模动态随机等不确定性，因此，实现机械臂变载荷、变惯量下的柔性多体系统高精高稳控制技术难度相当大。

为降低上述因素对控制稳定性及控制精度的影响，机械臂团队通过多年技术攻关，经过大量仿真分析及专项试验验证，最终确定了机械臂控制策略及控制方案。

空间站机械臂采用三级分布式控制体系结构，包括命令与调度层、整臂运动规划层与部件执行控制层；整个控制链路分别由机械臂操作台、中央控制器、关节控制器、末端控制器、视觉相机和以太网交换机等组成。

采取多层控制统一协调策略，确保机械臂路径规划算法及整臂控制算法与关节控制参数之间关系协调匹配；在机械臂系统控制与关节控制两个层面共同采取措施，制定多重控制及分段控制等多种控制方案，针对不同任务工况采用不同的控制策略，以实现变负载工况下的整臂高精度运动与平稳控制。

在系统控制方面，采用“速度闭环控制+位置闭环控制”分段控制策略，通过机械臂控制模式融合设计与合理切换，保证机械臂运动平稳且到位精准，并消除整臂控制与关节控制相互耦合引起的局部晃动与超调。

考虑到机械臂在运动过程中构型变化必将导致各关节负载实时变化，尤其是频繁加减速过程产生的控制超调等特性将严重影响机械臂运动稳定性，且由于关节控制的振荡还可能引起结构柔性振动，进一步加剧机械臂晃动，为此，机械臂运动规划设计采用“梯形+平滑过渡曲线”策略，通过合理设计加减速时间，兼顾运动控制的响应速度和稳定时间，以达到最优的控制效果，加速时间长短需结合机械臂负载情况及约束要求综合设计。

为了进一步提升机械臂控制精度，消除系统参数及柔性变形影响，设计“整臂视觉闭环+关节位置闭环”的双闭环控制模式，确保机械臂末端到位精度满足要求。

此外，针对捕获动目标的任务需求，由于待捕获的动目标（如目标航天器等）处于停控后的自由漂浮状态，其相对于空间站本体的位置、姿态处于实时变化之中，若用开环运动规划则不能预先确定最终状态下目标物的位姿信息；传统的针对静目标的视觉伺服算法，由于视觉信息处理、位姿解算、控制量输出等耗费的时间，导致算法规划出的机械臂末端运动轨迹总是滞后于运动目标；此外，由于传感器测量误差、数值计算误差及系统标定误差等，也使得对目标运动速度、角速度的预测存在误差，增加了机械臂对动目标跟踪与捕获的技术难度。针对上述难点，设计了基于动目标预测的自主跟踪与捕获方案，在固定机械臂基坐标系下，利用手眼视觉数据及末端位姿对目标在基坐标系下的运动状态进行预测，消除了运算周期受限情况下末端坐标系旋转运动对目标预测的影响；同时，在目标速度前馈的基础上，引入积分控制量对预测速度进行补偿，消除了由于目标预测误差引起的跟踪误差。

经在轨测试与验证表明，上述控制策略及控制方案正确有效，机械臂实现了在轨高精度运动与平稳控制，各项控制指标优于任务要求。

（三）任务规划与路径规划

实现空间站机械臂从“能用”到“好用、易用”对设计团队来说也是一大挑战。在设计过程中需充分考虑空间站各级约束条件，满足人机工效学设计数百项要求，并通过航天员系统的工效学评价及水下试验验证，制定出满足“安全、简洁、友好”要求的人机交互及机械臂工效学设计方案。同时，为保证上述目标的实现，还要做好机械臂针对不同任务的任务规划与路径规划。

任务规划需综合考虑任务特点、任务环境、任务流程等因素，合理规划出完成任务所需的行为决策和动作序列，主要解决机械臂在轨应用方案、操作流程、程序设计及控制策略设计等问题。要通过约束条件分析实现机械臂的操作任务路径设计，同时确定机械臂的功能需求、性能需求、任务窗口要求及对其他配合系统的接口要求等，并依据任务需求和约束条件建立合理的飞行方案。路径规划技术需在任务规划基础上，综合考虑约束条件，通过逆运动学运算给出机械臂末端路径到关节运动的对应关系，是机械臂实现规定路径执行层面的系统技术。

针对机械臂爬行、巡检等任务需求，在机械臂多模式切换的基础上，采用“大范围转移运动”与“短距精准运动”相结合的形式，实现爬行移动和特定位姿巡检。针对机械臂关节空间运动，采取二次规划优化算法，得到与机械臂初始构型偏差最大值的最小目标构型，进而利用梯形速度规划设计关节运动速度及轨迹；针对笛卡尔空间运动，则采用最短直线规划，将规划所得的末端速度通过机械臂雅克比矩阵映射到机械臂关节空间，获取机械臂关节运行速度及轨迹。

在容错规划方面，采用模型重构与调整策略，给出末端轨迹容错概率评估方法和运动模型切换方法，应对由于在轨故障引发的机械臂关节重组、自由度数增减和末端坐标系变化等情况；采用雅可比矩阵置零的处理策略，引入基于退化可操纵度梯度投影容错路径规划算法，通过设置向量补偿函数，既可保证末端速度、末端力无突变，又能最大限度抑制关节速度、关节力矩突变，实现对关节运动参数、关节力矩控制参数的突变抑制。

（四）目标识别与测量

空间站机械臂视觉感知系统要实现基于图像处理的快速目标识别和位姿实时测量功能，同时，针对机械臂捕获悬停飞行器等任务需求，还需具备对自由飞行目标的快速识别与自主捕获能力。

为满足不同任务需求，空间站机械臂上设计了多种相机方案。例如：为提高视觉相机在轨工作的精度、可靠性与健壮性，“天和”核心舱机械臂分别针对腕部相机与对接相机设计了双目视觉方案，使其具有双目视觉测量和单目视觉测量两种测量模式。双目视觉相机采用处于不同空间位置的2个视点（左目相机和右目相机）完成图像的同步采集，根据相机模型及两幅图像中对应性的求解结果（图像特征匹配），计算得到目标位姿。双目视觉测量方式不但可以有效提高测量精度，并支持对非合作目标的三维测量，同时还兼具单目视觉测量备份的功能；为提高对任务不同操作对象的适应能力，“问天”实验舱机械臂腕部视觉相机设计了三合一组合相机方案，即腕部相机分别由手眼相机、载荷相机和垂直相机三部分通过一体化设计而成，配置三组光学系统，共用一套电控系统，从而实现对不同目标与方位的识别与测量。

空间站机械臂在轨执行任务过程中，相机监视与测量目标分布于空间站舱体不同部位，其表面状态各异，导致观测背景条件繁多、特性复杂；同时，相机会随着机械臂的运动而发生位置和观测角度的变化，导致相机光轴会和太阳光成任意的角度，从而引起相机视场范围内光照条件时变、物面各处照度差异大；此外，还面临相机测量系统与测量目标之间运动状态随机未知带来的太阳入射角变化、杂散光干扰等挑战。这些问题都有可能导致相机对目标位姿测量性能下降甚至失效，对机械臂任务的可靠执行带来了极大的不确定性。

针对上述难题，分别从相机镜头光路优选分析、杂散光分析与抑制、自动曝光算法、目标自主检测识别算法、位姿测量非线性优化算法、相机热设计、视觉标记图案设计及工艺实施等设计与分析环节，相机标定、三维位姿精度测试、动态目标测量试验、光照模拟环境试验等地面验证环节，面向在轨任务的相机成像质量、温升、工作时长评估与预示等在轨应用环节，完成了全流程、全要素的设计验证工作。基于机械臂多视觉计算的相机标定技术解决了单目相机内部参数及多相机之间外部参数高精度标定的问题；基于最大类间方差的目标检测识别和基于多特征融合的双目视觉测量技术解决了机械臂在轨多任务支持中测量目标自主鲁棒检测和高精度位姿测量难题；基于光机电热多学科融合误差限分解与系统性能预估全数字建模技术解决了复杂光照、极限运动、极端力热等多要素下视觉测量工程应用的高可靠验证难题。

（五）双臂组合方案

所谓双臂组合是指“天和”核心舱机械臂和“问天”实验舱机械臂两个机械臂可以通过在轨级联方式连接在一起，组成一个操作范围更大的组合臂，如图2所示。

图2 组合臂对接示意图

组合臂全长超过15m，自由度达14个，组合后的双臂非线性、强耦合特性更加突出，因此，实现组合臂高精高稳控制的方案设计难度将更大。

双臂组合方案中须重点解决的技术问题主要包括如下两个方面：

在组合接口设计方面，为满足两个机械臂既可以独立工作也可以组合起来工作的模式要求，以及为适应两个机械臂不同的捕获接口形式，设计了锥台形双臂组合转接件方案。双臂组合转接件两侧可分别与“天和”核心舱机械臂、“问天”实验舱机械臂进行机械与电气连接，实现两臂的串联组合。在两臂独立工作时，该转接件被捕获固定在空间站核心舱小柱段的悬挂装置上；组合后，“天和”核心舱机械臂可以提供“问天”实验舱机械臂所需的供电、测控及信息接口等。

在组合控制策略方面，为提高组合臂控制的可靠性和安全性，组合臂采用分时独立控制的方案，“天和”核心舱机械臂（大臂）负责粗定位及大范围移动，“问天”实验舱机械臂（小臂）负责精定位及末端操作。当大臂运动时，小臂不动且处于收拢构型；大臂到达指定位置后制动保持且关节断电，为小臂提供可靠稳定基座，之后小臂进行相应的精细化操作。组合臂在运动过程中，彼此传送关节位置、速度等信息，由运动中的机械臂负责进行实时碰撞检测及路径规划。

从控制技术角度来说，组合臂运动及操作过程属于复杂的宏微变结构问题。为保证组合臂运动过程的高精度与稳定性，在“问天”实验舱机械臂锁定、核心舱机械臂运动时，小臂及小臂末端载荷可看作大臂的负载，由于小臂结构柔性的存在，相当于大臂末端具有负载柔性连接的情况，大臂的运动控制应避免引起小臂及负载的谐振，并且扰动力矩需保持在各关节力矩及肩部六维力矩的允许范围内。为此，“天和”核心舱机械臂通过技术攻关与开展频域稳定性仿真分析、专项试验验证等确定了采用速度及位置规划控制相结合等控制方案，解决上述大柔性负载平稳控制相关问题。

在“天和”核心舱机械臂锁定、“问天”实验舱机械臂独立运动时，此时大臂作为小臂的基座为小臂的运动提供支撑。由于大臂结构柔性的存在，相当于小臂处于柔性基座的约束条件下进行运动，通过多轮试验验证，最终确定小臂采用基于柔性动力学的基座扰动力最小优化控制技术，通过降低对大臂柔性基座扰动力进而保证组合臂末端位姿精度。

（六）地面仿真与试验验证

考虑到空间站机械臂操作半径长、负载大、柔性突出等特点导致机械臂在地面难以进行100%物理试验验证的难题，为确保空间站机械臂实现“一次发射成功、在轨工作可靠”的目标，机械臂团队多年来一直开展机械臂地面仿真与试验验证技术研究，突破了机械臂全柔性动力学仿真技术、半物理试验技术、系统全物理试验技术等，提出并建立地面完备的机械臂试验验证体系，确保了对机械臂系统方案的全面验证。

国外在大型空间机械臂研制和试验过程中，均依赖仿真对任务进行系统层面的验证。例如，以航天飞机机械臂近30年的飞行数据为基础，加拿大MDA公司在“加拿大Ⅱ臂”的研制和使用过程中采用基于全仿真的任务验证代替了基于硬件的验证；“加拿大Ⅱ臂”抓捕“龙”飞船任务通过全仿真实现了任务模拟与验证。基于中国空间站大型机械臂系统，机械臂团队在综合各种因素的基础上提出了“物理验证+半物理验证+数学仿真验证”相结合的验证思路，构建了相应的空间站机械臂验证体系，如图3所示。针对数学仿真模型，提出了参数化机械臂全柔性动力学建模与仿真分析方法，并建立了机械臂多柔体动力学模型评估系统方法，通过地面多层级专项试验和在轨辨识验证与修正，确保了仿真模型的准确性。

图3 空间站核心舱机械臂验证体系

在空间站机械臂验证方面，基于确定的空间站机械臂验证体系，通过构建元器件级和原材料级、单机级、系统级及任务级等不同验证层面，并结合常规试验、专项试验和仿真分析等多种验证方式综合覆盖，确保产品验证与任务验证的充分性和全面性，如对于不能在整臂上进行全物理试验验证的设计参数、功能或性能指标，将系统指标分解至单机或部件进行充分验证；将中央控制器等真实物理产品与机械臂实时运动仿真系统组成半物理验证系统，对控制器软、硬件开展全面的测试与验证；依据整臂二维气浮平台特定构型操控试验及部件产品的测试与验证数据，对机械臂三维仿真模型开展各研制阶段的验证及修正，将修正与验证后的机械臂三维仿真模型用于在轨任务验证等。

此外，为了在地面对空间站机械臂7自由度运动能力进行验证，机械臂团队分别设计了“气足悬浮+悬吊”“三维主动跟随”等多种微重力模拟方法，研制了大型机械臂微重力模拟系统（如图4、图5所示），充分模拟在轨工作环节，实现了空间机械臂三维全物理运动试验验证，克服了机械臂运动轨迹复杂、操作任务和对象多样的困难，支持机械臂完成了典型任务的运动路径验证。

图4“气足悬浮+悬吊”零重力模拟系统

图5“三维主动跟随”零重力模拟系统

三、在轨飞行验证

空间站“天和”核心舱机械臂、“问天”实验舱机械臂分别于2021年4月29日、2022年7月24日在文昌航天发射场随“天和”核心舱、“问天”实验舱发射入轨，相继成功完成了机械臂在轨解锁展开、在轨基本功能与性能测试、爬行与组合臂测试等，圆满完成了机械臂舱外巡检任务及“天和”核心舱机械臂转位“天舟”三号货船试验任务，并分别支持“神舟”十二号、十三号及十四号乘组先后出色完成了7次航天员出舱活动任务（包括4次“天和”核心舱机械臂、2次“问天”实验舱机械臂与1次组合臂）。

经在轨测试与验证，空间站机械臂系统各项功能正常，“天和”核心舱机械臂、“问天”实验舱机械臂运动精准，运行平稳，各项性能指标满足任务要求，其中，空间站机械臂的精度、速度和质量等关键指标处于国际领先水平，特别是“天和”核心舱机械臂比刚度（反映机械臂的系统集成设计水平）指标与“问天”实验舱机械臂的精度指标尤为突出，达到国际领先水平。

四、总结展望

空间站机械臂是空间机器人技术领域的典型代表和标志性产品，它的成功研制与在轨首次应用，标志着我国已突破技术瓶颈，掌握了核心技术，具备了研制大型空间复杂机器人系统的能力，为后续空间机器人技术的发展奠定了重要的技术基础。

可以预见，随着人类空间活动的不断深入，特别是在深空探测、在轨服务与维护、空间安全等领域，空间机器人必将发挥越来越大的作用，承担的任务将日益多元化。除了传统的捕获、搬运、巡视、采样、对接等粗放型任务外，面向灵巧、精细、柔顺、智能的操作将逐渐成为空间机器人的主流任务。空间机器人的形态也将随着任务需求的变化而演变，由传统的单臂、双臂机器人将向多臂协同、臂腿融合、仿生/仿人机器人、多机协同等方向发展；除刚性机械臂之外，半刚性、柔性甚至软体机器人和基于网络的机械人群也将日益成为在轨服务及操控任务的主体，以适应狭窄空间多自由度操作、易损柔性部件装配、复杂约束环境探测等任务的特殊要求。在人机协作方面，将由人机联合、机器人辅助向人机协同、人机共融直至机器人替代航天员等方面发展。在未来技术发展方面，逐渐融合人工智能、大数据技术等人类科技发展的新成果，随着基于人工智能、机器学习等新理论与新算法的深入研究，将会在空间机器人多形态、多功能、自主性、智能化等方面不断完善和进步，满足空间探索、在轨服务等领域任务的需要。

>End

本文转载自“中国航天”， 作者：胡成威1 李大明2 王耀兵1 刘宾1（1.北京空间飞行器总体设计部；2.中国空间技术研究院），原标题《空间站机械臂方案设计及验证》，（本文原载于《中国航天》2023年第1期）。

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