1.1　空间机械臂的组成

空间机械臂是涉及材料、力学、机械、电气、热控、光学、控制等多个学科的复杂空间系统。空间机械臂主要由关节、连（臂）杆和末端执行器构成，连杆之间通过关节连接，第一个关节固定在基座（例如航天器和星表探测器等）上，空间机械臂末端安装有末端执行器，空间机械臂简图如图1-1所示。下面分别对关节、连杆和末端执行器这3个关键部分进行介绍。

图1-1　空间机械臂简图

1.关节

关节作为空间机械臂的核心驱动部件，主要由电机组件、谐波或行星减速器、关节力矩传感器、关节限位机构、控制器、热控元件等组成。空间机械臂通常为由多个旋转关节构成的多自由度（Degree of Freedom，DoF）系统，关节间的协同运动能够使空间机械臂末端执行器到达指定位置与姿态，输出期望力与力矩等。与此同时，关节也是空间机械臂最易磨损、发生故障的部位，关节中任一零部件异常运行或服役期间的持续磨损都将引发关节故障，进而导致空间机械臂输出力矩、速度、工作范围、精度、使用寿命等技术指标严重退化，严重影响空间机械臂的工作能力。

2.连杆

连杆是连接空间机械臂各个关节，使关节运动传递至空间机械臂末端的构件。出于降低发射成本的考虑，空间机械臂的连杆一般采用轻质杆件，具有较为明显的柔性效应，在执行任务过程中存在弹性振动问题，如何有效地抑制连杆振动一直是学者们研究的热点方向之一。同时，在执行大负载操作任务时连杆还可能会出现扭转、弯曲等柔性变形，从而增大空间机械臂任务规划与控制的难度。

3.末端执行器

末端执行器是空间机械臂执行任务所依赖的机构。依据不同空间任务（捕获对接、燃料加注以及在轨维护等）需求可将不同的末端执行器（如捕获对接机构、燃料加注工具、机械手等）安装于空间机械臂末端。末端执行器通常具有标准、通用的机电接口，以实现与末端腕关节处力传感器的机电连接。

空间机械臂在构成上除了由多个关节和末端执行器组成的机械系统外，还包括由整臂控制器和关节控制器等单元组成的控制系统、由视觉相机和力觉传感器等组成的感知系统、由被动热控单元和主动热控单元构成的热控系统，以及提供动力源的能源系统等。

① 控制系统：支持空间机械臂完成分析、决策、规划和控制的系统，通常由处理芯片和外围电路等构成的控制器、处理模块（交换机等）等硬件单元与包含分析、决策、规划、控制能力的软件单元组成。

② 感知系统：支持空间机械臂获取工作环境信息、操作对象信息及自身状态信息的系统，由各类传感器组成，通常包括获取视觉信息的成像设备、获取力觉/触觉信息的力觉/触觉传感器及其信息处理单元等。

③ 热控系统：保障空间机械臂的各组件、器件的温度在其许用温度范围内的系统，通常包括由多层隔热组件、热控涂层等组成的被动热控单元，以及由测温元件、控温元件、热控电路等组成的主动热控单元。

④ 能源系统：支持空间机械臂获取外部能源，并按照各组成部分的能源需求完成配电工作的系统，通常包括供电单元、配电单元、电缆网等。