基本介紹
各國發展,加拿大,德國,歐洲,日本,中國,結構分類,主要用途,技術牽引,
各國發展
人類進入太空的初期，只擁有簡單的飛船和不具備再補給能力的第一代空間站，空間科學套用的規模和層次都受到了很大的限制。隨著載人航天的繼續發展，蘇聯禮炮六號等空間站開始具備了使用貨運飛船再補給的能力，不過兩者直接對接，顯然不需要複雜的空間機械臂系統輔助工作。
加拿大
20世紀70年代美國太空梭開始研製，1981年太空梭開始發射升空，太空梭上攜帶了一套由加拿大斯巴宇航公司(SPARAerospace)研製的六自由度機械臂系統，一般稱之為太空梭遙控機械臂系統(SRMS)或是加拿大機械臂一(Canadarm1)。加拿大機械臂總長度15.2米、直徑0.38米，自重410千克，加拿大機械臂最初具備部署釋放或是抓取332.5千克載荷的能力，20世紀90年代中期加拿大機械臂系統升級負荷質量以支持空間站建設工作。
加拿大機械臂早在1981年的STS-2任務中就正式登場，太空梭曾在50多次飛行任務使用加拿大機械臂。加拿大機械臂作為空間機械臂的開路先鋒，顯示了機械臂廣闊的使用範圍和巨大的發展潛力，極大促進了空間機械臂的發展，此後的美蘇空間站設計都帶有空間站機械臂，其中尤其著名的就是國際空間站上的空間站遙控機械臂系統(SSRMS)。
SSRMS又稱加拿大機械臂二，在通過太空梭部署到國際空間站後，在空間站的建設、維護、補給和使用的過程中中發揮了不可缺少的作用，加拿大航天局也因此獲得了國際空間站3%的使用權。加拿大機械臂2性能強大，但同樣花費不菲，從1984年自由號空間站提出到它運抵國際空間站開始工作，加拿大航天局在該項目上投資高達10億美元。
德國
1993年德國宇航中心研製並成功發射的小型空間機器人系統ROTEX，它有6個自由度，安裝有各類感測器和執行器，能夠在1m的運動範圍內進行指定的操作。2007年進行了Inspector系列自由飛行機器人的研究。
歐洲
在“國際空間站”的俄羅斯艙和日本艙裝配了兩個大型空間艙外機器人系統，即歐洲航天局資助研製的歐洲機械臂(ERA)(長11m,7個自由度)和日本實驗艙機械手系統(JEMRMS)(長10m,6個自由度,末端安裝一個2m長的6自由度小型靈巧機械臂)。
日本
1997年，日本發射的工程試驗衛星2VII(ETS2VII)是國際上第一個自由飛行空間機器人系統，其機械臂長2m，有6個自由度，配有攝像機及輔助工具，末端安裝有長約0.15m的三指靈巧機器手系統，整個機器人系統重約45kg。它首次嘗試了無人情況下的自主交會對接和艙外空間機器人遙操作試驗，演示了多自由度、多感測器機械手用於空間精密在軌服務的可能性，並驗證克服大時延和通信能力有限的遙操作技術。
中國
中國載人航天工程的空間站項目開始啟動後，中國航天科技集團五院和八院等多家單位都開始了空間站機械臂的論證和研究工作。2005年五院就開始了空間站機械臂的研究，當時機械臂新技術比例超過80%，而且在保障控制定位精度的同時進行遠程控制，還要具備視覺識別和自主分析避障能力。加拿大機械臂2能自動移動到目標毫米級別的距離上，系統技術難度可想而知，再加上空間機械臂既沒有國內資料參考，也無法獲得國外技術輸入，研究過程可謂困難重重。航天五院科研人員迎難而上，面對這一多學科一體化的複雜系統，集中本院的相關資源，並聯合國內相關高校和科研院所，統籌規劃組建了空間站機械臂項目團隊開展研製工作。
2005年到2006年，機械臂團隊自主開展了六自由度小型機械比研製工作，2007年到2008年開始研製載人航天工程三期空間站的機械臂原理樣機，並在2008年完成了研製工作，解決了總體設計和分系統設計等一系列難題。隨著我國空間站任務和設計的重新定位，對空間站機械臂的定位精度尤其是可達範圍提出了更高的要求，於是五院空間站機械臂團隊提出了研製更為複雜的七自由度榮譽機械臂的構想，使機械臂能夠類似同樣七自由度的加拿大機械臂2那樣具備自主“爬行”能力，與航天八院的設計方案拉開了距離，奠定了競爭勝利的基礎。
經過長時間的預研和最後的激烈競爭，2012年航天科技集團五院最終獲得了空間站機械臂項目，在珠海航展上展出。航天五院的七自由度冗餘機械臂長10米、最大負載25噸，在軌運行10年以上，可滿足中國建造、維護和使用大型長期有人照料空間站的需求。
2014年9月，中國航天科技集團公司一院18所完成了空間機械臂的詳細方案設計及單關節的裝配調試，標誌著該所已初步掌握空間機械臂設計、製造、試驗的關鍵技術。該所此次研製的空間機械臂由一個臂展和6個關節組成，非常靈活，可以全方位進行目標捕獲和操作。該所已實現空間機械臂的機電一體化設計，並可進行微重力環境下的地面模擬試驗。後續，該所將針對空間機械臂的控制方法進行深入研究，使其能夠準確進行目標的捕獲。
2016年9月15日22時04分，中國在酒泉衛星發射中心用長征二號FT2運載火箭將天宮二號空間實驗室發射升空。其中上面新安裝的設備是機械臂，將測試開展艙外搬運和維修。這個機械臂由中國航天科技五院自主研發。這種設備目前在國際空間站上已經使用，但在中國航天領域仍處於試驗階段。
結構分類
空間機械臂有艙內和艙外兩大類。
- 艙內機械臂
通常尺寸不大、運動範圍有限,主要完成艙內裝配、更換部件、對漂浮物體的抓取等。
- 艙外機械臂
長從幾米到十幾米不等,針對不同任務的需求自由度從5個到10個不等,安裝載體有太空梭、空間站、以及小型飛行器或空間機器人。它主要完成輔助對接、目標搬運、在軌建設、攝像、對衛星等空間合作或非合作目標的捕獲釋放等，此外還可以作為航天員出艙活動的輔助設備。
主要用途
空間機械臂具有廣泛豐富的用途和強大靈活的功能，空間站機械臂作為未來空間站的大型空間設備，不僅是空間站建設、維護和使用的關鍵設備，也將提高空間科學套用的規模和水平，還將提高我國控制、電子、空間潤滑以及自主規劃等相關技術領域的發展。
投入使用的太空機械臂中，國際空間站上的“加拿大臂2號”在尺寸和複雜度上堪稱第一圖冊
1、空間機械臂可以用來實現對於空間靜止或移動目標的觀察、監視，即通過精度定位或運動，使得機械臂上所安置的視覺系統能夠準確地捕獲、跟蹤需要觀察或監視的目標，對其進行照相或攝像。
2、空間機械臂是在軌維護與建設的支撐性技術。
通過該技術，利用機械臂的定位功能，通過不同形勢手爪的使用，完成對於太空飛行器艙內和艙外不同目標的拾取、搬運、定位和釋放。通過在軌自主操作與遙操作相結合的技術，實現空間站或其它軌道器內部的無人情況下的複雜試驗動作；由航天員進行艙內外的抓取、搬運、維修等操作，或者作為航天員或大型構件的支撐，協助航天員完成在軌建設或維修項目。
3、空間機械臂是月球及深空探測所必須的支撐性技術。
月球及深空探測只要在目標上著陸，就會有一項重要的任務———取樣。完成這項任務，往往需要機械臂對取樣目標進行近距離的觀察、分析、選擇;之後,對其進行清理、拾取、搬運和裝載。此外,有時候還需要對觀察或探測目標進行研磨、鑽探等，這些工作是離開機械臂所無法完成的。
空間機械臂最直接的用途是通過捕捉運輸飛船進行自動化精密對接，這樣就比以前的人工對接或自動對接快速得多、效率高得多。截至2014年，中國採用的基本是自動對接和手控對接兩種方式，但在快速對接上遠落後於俄羅斯和美國，恰恰這一塊就是由空間機械臂實現的。因此，中國新研製的空間機械臂將大有作為。
技術牽引
空間機械臂對於帶動國家相關基礎工業與高新技術的發展，提升空間機電系統的技術能力有重要作用。
1、為了適應複雜惡劣的空間環境，特別是艙外的機構和電子元件所處的環境更為嚴酷，對材料、電子器件、軸承、熱控材料、潤滑劑等基礎工業方面提出了較高的要求。
2、為滿足多學科、多系統高度集成的要求，系統的體積重量要求儘可能的小、精度要求儘可能高，這對於太空飛行器的一體化設計技術是一項很大的挑戰。
3、由於機械臂是一個以運動為核心的空間機電系統，因此，它對空間精密驅動與控制技術的提高會起到很大的推動和提升作用，由此可以帶動空間電機、空間傳動、空間精密位置、速度測量、伺服控制等多項工程技術的發展
4、由於空間機械臂特殊的動力學特性，將可以大大促進空間機構的運動規劃與仿真、多體非線性動力學分析與仿真技術的發展。
空間機械臂作為空間機電技術的綜合載體，通過研究與發展該項技術，對於我國空間機電技術和相關產業與技術的發展有著很大的促進與提升作用。隨著空間機械臂技術的提高，將促進中國空間科學試驗、空間維護與建設、深空探測等空間技術的發展。
