更新时间：2023-09-25 17:23
空间机械臂是一个机、电、热、控一体化高度集成的空间机电系统，其本身实际上是一个智能机器人。空间机械臂的主体机械结构分为根部、中段和端部三部分。可以辅助空间飞行器完成交会对接、对空间目标的捕获释放、在轨服务、空间观测等任务。
1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。第二代机械臂即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。第三代机器臂目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。随着载人航天、火星探测、在轨服务、星球基地等技术的发展，人类在探索宇宙的活动中开始应用空间机械臂代替或辅助航天员工作。
根据安装位置不同，空间机械臂分为舱内和舱外两大类，舱内机械臂因为受舱内空间的限制，尺寸和运动范围都受到了制约，主要的用途是舱内组件的装配、零部件的更换、对漂浮物体的抓取，空间科学试验等。舱外机械臂针对不同任务而设计，长度从几米到十几米不等。
机械臂是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动，以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作，以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和核能等部门。
1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。目前国际上使用的机械臂大多仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态重复动作而对周围环境毫无感觉的功能，其应用范围受到一定的限制，主要应用于材料的搬运、喷漆、电焊等工作。
第二代机械臂即具有如视觉、触觉等外部感觉功能的机械臂。这种情况由于具有外部的感觉功能，因此可以根据外界的情况修改自身的动作，从而完成较为复杂的动作。这类机械臂除了具有外部感觉功能外，还具有规划和决策功能，从而可以适应由于环境的变化而自主进行的工作。
第三代机器臂还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。随着载人航天、火星探测、在轨服务、星球基地等技术的发展，人类在探索宇宙的活动中开始应用空间机械臂代替或辅助航天员工作。针对不同任务的需求，自由度为5～10个，安装载体有航天飞机、空间站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。
绳驱空间机械臂的主体机械结构分为根部、中段和端部三部分。其中，根部用于连接机械臂和漂浮基座;中段主要包含五组臂杆，每组臂杆由六根相同的臂段串联而成，全部臂段通过万向节进行相连:端部用于放置机械臂的载荷。除30根臀杆之外，机械臂还包括15根驱动绳索和60根联动绳索。驱动绳索穿过臂杆的过孔并带动臂杆进行运动。对于同一组臂段而言，其组内的万向节由联动绳索来保证转角的同步性，该同步性使得机械臂在运动时具有呈分段等曲率的几何特征，从而增强机械臂的操控性能。
SRMS是由加拿大为美国航空航天局研制制造的，是加拿大航天局研制的第一代空间机械臂，又称为“加拿大机械臂”，于1981年安装在美国的航天飞机上，并多次成功执行任务，也是第一个成功应用的空间机械臂系统，标志着空间机器人进人空间使用阶段。SRMS可以用于部署和回收卫星、抓获目标、钻探样品，也可以作为航天员太空行走的一个移动工作平台SRMS具有6个自由度，其中腕关节具有3个自由度（侧转、偏转和滚动），肘关节具有1个自由度（侧转），肩关节具有2个自由度（偏转、侧转）。
SRMS总长约为15.2m，直径为38cm，质量为410kg，设计载荷为29484kg。SRMS配备两个相机，肘部和腕部各有一个。肘部的相机可以为一般的隔壁舱、操作臂及有效载荷提供可视画面，腕部相机可以协助末端器和抓取结构的操作。
SSRMS是由加拿大为美国航空航天局设计制造的空间站遥控机械臂系统，该系统是SRMS的二代产品，因此又称为“加拿大机械臂2”，SSRMS有7个自由度，操作臂总长17.6m，质量1800kg，最大载荷为116t，配备了4个彩色相机，2个肘侧各1个，另外2个安装在末端执行器上。
SSRMS主要用于执行大型有效载荷和ORU的相关操作任务，包括停泊与脱离、机动，以及与其他机器人系统共同执行控制转交操作。SSRMS还能在工位上实现对SPDM的定位，提供EVA支持，进行国际空间站的外部检查。其他能力包括对自由飞行器的捕获和轨道停靠（脱离）等。专用灵巧手装置（SPDM），或称加拿大手，是个更小的机械装置，用于在太空行走时，替代完成现在由航天员进行的精密装配的工作。SPDM由2个3.5m长、带有7个关节的操作臂和1个基座组成，2个臂和1个基座的自由度关节共计15个，这些关节使该系统格外灵巧。基座上安装有2个相机，这使得机械臂操作的准确性大大提高。SPDM质量约1662kg，负载能力可达600kg，定位重复性误差为0.125cm。SPDM具备执行灵巧操作的能力，因此其主要功能是进行维修和有效载荷服务，还能为出舱航天员提供照明和监视服务。
JEMRMS是由日、欧、俄联合研制试验，在国际空间站日本舱内进行搬运、更换试验设备和辅助试验等作业的机器人系统。该机械臂系统总质量约为1000kg，由主体臂（MA）和精细臂（SFA）两个连接臂组成，主体臂连接在高压舱上，自由度为6个，长度约为99m，载荷能力约为7000kg，主要用作大负载的处理，如JEM的组装和外露设施相关试验等。精细臂是一个约2m长的子机械臂，连接在主体臂的末端器上，有6个自由度主要执行一些灵巧操作任务。精细臂的最大负载能力约为300kg。
日本于1997年发射工程试验卫星ETS-，主要用来进行在轨操作试验配置了一台6自由度机械臂，其长度约2m，每个关节由直流无刷电动机、谐波转动齿轮和一个解调器组合驱动。一个手眼摄像机装在末端效应器上，另一个监视摄像机安装在第一个关节上。机械管安装在卫星对着地球的面上，利用地球的反射光作光源。
空间机械臂分为舱内和舱外两大类，舱内机械臂因为受舱内空间的限制，尺寸和运动范围都受到了制约，主要的用途是舱内组件的装配、零部件的更换、对漂浮物体的抓取，空间科学试验等。舱外机械臂针对不同任务而设计，长度从几米到十几米不等，可以辅助空间飞行器完成交会对接、对空间目标的捕获释放、在轨服务、空间观测等任务。
任务规划技术综合考虑任务本身的特点、流程和环境等因素，将这些因素作为约束条件，合理规划出完成任务所需的行为决策和动作序列。主要解决空间机械臂的总体方案、操作流程、程序设计以及控制策略设计等。空间机械臂有其应用或验证的明确目标:如实现国际空间站组装、运营和维护任务，验证机械臂本体设计、控制策略、遥操作等技术。空间机械臂的任务规划根据机械臂需要完成的任务需求和约束条件，建立合理的飞行方案。
系统控制技术通过精细位置控制实现，机械臂与被操作对象的安全接触操作主要由柔顺控制来保证，还有部分任务需要机械臂能够主动施加力实现与被操作对象的可靠连接。
路径规划技术考虑空间机械臂的环境布局，碰撞干涉、机械臂操作对基座反作用力/力矩限制、末端运动轨迹限制等多目标约束，规划出空间机械臂的安全无碰运动路径，保证系统任务安全可靠实施。根据载体航天器姿态控制情况，可以将空间机械臂的路径规划分为基座受控和自由漂浮2大类。基座受控的空间机械臂路径规划可直接利用地面机械臂路径规划的相关技术;而基座漂浮的空间机械臂路径规划需要综合考虑载体航天器的飞行任务约束与机械臂末端的任务目标之间的联系。