机械臂，是模仿人类手臂功能、可完成各种作业的自动化机械装置，能够接受指令，将物件按照空间位置和姿态的变化要求进行移动，以进行精确作业，是机械人技术中得到最广泛应用的装置。机械臂可代替人类进行工作，具有标准化程度高、工作效率高的优点。

无所不能的机械臂

在新生儿数量下降、老龄化程度加深情况下，我国劳动人口比例下滑，且年轻一代进入工厂的意愿较低，制造业招工难度增大。同时，为提高核心竞争力，我国政府大力推动制造业自动化、智能化转型。这两大因素作用下，我国制造业对自动化机械装置的需求快速上升，机械臂作为应用最为广泛的装置，市场发展空间大。

根据新思界产业研究中心发布的《2022-2026年机械臂行业深度市场调研及投资策略建议报告》显示，机械臂一般可进行升降、伸缩、旋转等运动，利用机械臂末端的机械爪可抓取物件，通过编程可快速、精确且可靠的完成任务。机械臂可以完成焊接、切割、浇注、喷涂、装配、搬运、码垛、上下料、助力等工作，可广泛应用电子电气、家电、汽车、医疗、食品饮料、娱乐服务、军事、航空航天等行业中，能够有效提高工厂的生产效率，并提升产品的标准化水平及质量。2021年，我国工业机械臂市场规模约为220亿元。

早期，机械臂主要用于工业领域，随着技术日益成熟，小型化、轻量化产品被研发问世，可用于协作领域，应用在家庭、商业等场景中，例如帮助人类制作咖啡、奶茶，以及制作饭菜、甜品等。在2022年北京冬奥会期间，为减少人员接触满足疫情防控要求，机械臂在餐厅领域发挥重要作用，可制作中餐、西餐、饮料等，例如制作汉堡、炸薯条、炸鸡块、冰淇淋、鸡尾酒等。此领域机械臂也有较大发展空间。

除此之外，高性能、高精度机械臂在航空航天领域也有应用需求。在我国空间站天和核心舱外配置有机械臂，是我国首个可在太空轨道运行的机械臂，其系统复杂、控制精度高、智能化程度高，具有高度自由性，可抓取物品及爬行，具有货物搬运、舱位转移、舱外状态监控、设备检查及维护、协助航天员出舱等功能。此机械臂由中国电科21所等研发制造，技术水平处于全球领先地位。

机械臂在刚性、承载能力、灵活性、位置精度等方面有较高要求，对生产企业的实力要求高，在海外市场中，德国库卡、瑞士ABB、日本发那科、日本安川电机等处于领先地位。早期，我国机械臂市场主要被国外企业所占据，近年来，受益于我国制造业智能化转型，本土机械臂生产企业不断增多，代表性企业有新松机器人、台达、新时达、埃斯顿、埃夫特等，在国内市场中的份额占比不断提高。

那么，各国的空间机械臂都是怎么样的呢？各有什么优势？

各国空间机械臂的优势

一、中国空间机械臂

中国空间站机械臂的主要性能指标和国际先进水平相当，部分指标处于国际领先水平，能够满足我国建造长期有人照料空间站的发展需要。

中国研发的7个自由度太空机械臂，代表的是当今世界最高水平。中国的机械臂能够在舱外爬行，可以通过头尾互换，特别是可以在太空站舱外的若干节点上实现移动，具备了更大的施展空间和作用。

从2009年起，21所就开始为航天配套研制载人三期天和舱空间机械臂空间驱动组件、高精度位置传感器等机械臂核心部件以及空间站任务其他相关配套电机。

七个自由度意味着什么？ 根据21世纪专家说，这是对人类手臂的最真实还原。核心舱机械臂通过末端执行器与目标适配器之间的对接与分离，类似于木工常用的榫卯结构，可实现舱体爬行功能，以一种类似蠕虫的运动方式移动到空间站的许多部分，进而在更大范围触达空间站各舱体外表面。

值得一提的是，中国空间站核心舱上的空间站机械臂，是中国目前智能程度最高、规模与技术难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统。根据航天科技集团五院、载人航天工程空间站系统介绍称，空间站机械臂承担着悬停飞行器捕获、辅助航天员舱外活动、舱外货物搬运、舱体状态检查、与实验舱实现机械臂级联组合等重要任务，这些都需要机械臂具备精准控制和强大的自由运动能力。

因此，中国空间站机械臂拥有7处关节、2处末端执行机构，对各位置的信息交互起到连接和转发的功能，对于机械臂关节和末端的灵活性、精准度起到着至关重要的作用。中国也为天宫空间站研制了高性能的机械臂，它是中国空间站系统的三大关键技术之一，也是天宫空间站建设和维护的重要装备。

机械臂位于核心舱小柱段，具备舱体爬行功能，并实现舱外状态监视。当机械臂转位实验舱时，可开展空间站建造任务。

值得一提的是，中国空间站机械臂的重量约740公斤，但采用了大负载自重比设计，负重能力高达25吨，长度约10.2米，具有7个自由度和重定位能力，能头尾互换在空间站舱段上自主爬行。中国空间站除了核心舱配备的大臂外，在实验舱上还有一个小型机械臂，两个机械臂可以连接起来组合开展舱外作业，同时兼顾大范围、大负荷移动和高精度移动需求。

中国空间站机械臂虽然尺寸略小，但已经实现了加拿大臂2的大部分功能，只不过没有航天飞机需要照料，因而设计的负荷能力比加拿大臂2要小。

中国未来的货运飞船很可能使用机械臂实现捕获和转移，完成飞船和空间站的对接。中国空间站项目中还有重达十几吨的巡天光学舱，它也可能使用机械臂进行捕获、移动和对接，并对其进行在轨维护。中国空间站机械臂也将支持航天员出舱活动。在机械臂支持下进行大范围转移，这要比航天员自主爬行省时省力很多。

中国空间站机械臂还带有视觉系统，除了方便航天员进行遥控操作外，还能用于对空间站外部进行定期巡检。从中国空间站机械臂预定的空间工作任务看，中国研制的机械臂性能强、应用范围广泛。综上所述，空间站机械臂虽然体积重量不大，但却是空间站建造和应用的核心装备，在空间站建造、维护、科研以及在轨维护等领域发挥着重要作用，成为航天员进行舱外活动的力量倍增器。

中国空间机械臂突出优势及评价：一是中国科技机械臂是目前智能程度最高、规模与技术难度最大、系统最复杂的空间智能制造系统。二是中国机械臂号称是7自由度，并可处理25吨货物。很明显要远远超过了第一代加拿大臂的技术水平。三是机械臂能够实现类似人类手臂的运动能力，工作时最长长度可达18米左右、直径约4米左右，可以在太空抓取物体，方便设备的对接、安装、变轨、分离等操作。

四是中国空间机械臂可实现舱体爬行功能，以一种类似蠕虫的运动方式移动到空间站的许多部分，进而在更大范围触达空间站各舱体外表面。五是中国空间机械臂可捕获来访悬停飞行器、转移货运飞船载荷、进行空间站舱表状态检查、辅助航天员出舱活动，并可与实验舱实现机械臂级联组合。

二、加拿大空间机械臂

加拿大是享誉世界的空间机械臂重要强国。早在上世纪80年代，美国提出了自由号空间站项目，鉴于航天飞机的机械臂的大获成功，国际空间站上的机械臂也顺理成章的立项并把设计和制造交给了在这方面熟门熟路的加拿大。为适应庞大的空间站工作环境和复杂的任务，这套系统并不仅仅是一个机械臂，整套移动服务系统MSS( Mobile Serving System)用于国际空间站的搭建和维修等任务，由移动基座系统MBS，空间站遥控机械臂SSRMS和专用灵巧机械手SPDM三个部分组成。

加拿大臂的重量为410.5公斤，长约15米，由6个控制关节组成。6个自由度的加拿大臂安装在航天飞机左舷的纵梁上，采用航天员舱内遥控操作方式，用于展开和回收有效载荷，以及协助航天员进行舱外活动。美国航天飞机在维修哈勃望远镜的5次任务中，加拿大飞机发挥了无可替代的重要作用。另外加拿大研制的第二代机械臂就是目前国际空间站上使用的加拿大臂2。

加拿大MDA公司研制的加拿大臂2是目前世界上最先进的空间机械臂之一，它包括活动基座系统MBS，空间站遥控机械臂SSRMS和专用灵巧机械臂SPDM三个部分。国际空间站上最新的移动维修系统也被称为"加拿大臂2"，也由加拿大宇航局设计。现任加拿大总督、前太空人朱莉·帕耶特曾参与过加拿大飞船的设计和安装。值得一提的是，在哥伦比亚号航天飞机灾难之后，加拿大臂与轨道器臂传感器系统（OBSS）配合使用，用来检查航天飞机隔热系统的损伤。

俗称“大臂”的SSRMS。它由航天飞机上的加拿大臂发展而来，长17.6米，直径0.35米，可在太空移动116吨重的载荷，它还进一步演变成了更灵活的7自由度机械臂系统。在国际空间站上使用的机械臂中，“大臂”SSRMS最长，也最大，重量高达1497公斤。7自由度欧洲机械臂ERA，质量约630公斤。

总的来说，相对于空间站舱段动辄十几二十吨的重量，机械臂只能算是个零头，但它却在载人航天活动中发挥着重要作用，成为空间站建设的关键技术之一。美国在自由号空间站项目中，加拿大臂2是空间站建设的核心装备，在国际空间站的组装建造中，它发挥着重要作用。

所谓“大臂”SSRMS和人的手臂一样都有7个自由度，是世界上第一种7自由度空间机械臂。它的本体由7个关节组成，包括肩部3个关节、肘部1个关节和腕部3个关节，使用起来十分灵活。

国际空间站各个舱段上还设有电力数据抓取夹具（PDGF），“大臂”的任意一端可以和PDGF夹具连接，利用PDGF提供的电力供应和数据传输能力开展工作。同时，“大臂”还具有重定位能力，能用类似尺蠖的方式通过PDGF头尾互换移动爬行。

值得一提的是，“大臂”还能基于MBS基座在整个桁架上滑行。加拿大臂2的“大臂”不但十分灵活，而且移动能力很强，是建造维护国际空间站的得力助手。它广泛用于从空间站组装建设、空间站维护、空间站有效载荷运输和服务，以及抓取飞船、卫星等任务，为国际空间站的建造和运行立下了汗马功劳。

美国天鹅座货运飞船和第一代载人龙飞船，以及日本HTV货运飞船在国际空间站上的每一次对接中，都是由加拿大臂2捕获抓取后拖动接驳。至于拖动航天员开展舱外活动，维护空间站和开展空间应用，更是加拿大臂2当仁不让的责任。

据美媒报道，美国正在推进的月球门户站项目，加拿大将为它研制第三代机械臂——加拿大臂3。这种机械臂仍然包括大臂和机器手两个部分，但应用了更先进的机器视觉、简短的软件和人工智能系统，可以在无需航天员遥控干预的情况下执行任务。

加拿大科技机械臂的突出优点：加拿大机械臂相比中国而言，中国空间站机械臂的最大的特点就是可以在舱外进行爬行，以达到覆盖整个空间站的工作要求。如果说加拿大臂2更加先进，但中国机械臂更实用。加拿大臂2来说，其运行工况要复杂得多。

值得一提的是，加拿大臂2的重量非常夸张，达到了1.8吨，相应地它最大可以移动116吨的物体，如此巨大的重量和抓取力对于适配器的强度有着非常高的要求，因此选择固定在轨道车上了。反观中国的机械臂，只有738千克，可以移动25吨的物体，综合起来对适配器强度要求要低得多，客观地说中国机械臂更加符合实际需要，没必要设计如此巨大的抓取力。加拿大臂2配备了一个仿生手，可以做到不需要适配器抓取不规则物体。

三、美国空间机械臂

全球自人类开展载人航天活动以来，美国率先提出了空间机器人概念，用于在恶劣的太空环境下，完成航天员难以完成的舱外操作。

空间机器人最主要的应用就是空间机械臂，它集机械、电子、热控、视觉、动力学等多学科于一体，是一种高端和先进的航天装备，具有强大的性能和广阔的应用前景。虽然美国最早提出创意，但先拔头筹的却是加拿大。因为人类第一种空间机械臂就是由加拿大Spar公司设计制造。1981年，该公司和美国宇航局联合研制了4套供航天飞机使用的空间机械臂，被称为加拿大臂。

值得一提的是，全球航天强国美国的关注点则从偏重体力的机械臂转移到了更有前途的机器人航天员研发，比如NASA 与通用汽车公司联合开发了外号R2（Robonaut 2）的机器人，采用类人形设计，头部安装两个摄像头立体相机作为视觉系统，具备和人可以比拟的肩、肘、腕、手关节灵活度，尤其是手，拇指、食指、中指均有3个关节，上肢有合计42 个自由度并配有350个传感器，其中每个手指都有一个六轴力传感器，每个关节都有力传感器来检测施加的力，形成触觉，可反馈遥控工具的力度，这是全球智能化程度最高的空间机器人系统。

美国的机器人航天员采取分阶段推进，一开始上天的是R2的上肢躯体，早在2011年把150公斤重的R2机器人送到国际空间站，在地面遥控下可以进行按按钮、掰开关和旋转旋钮等工作，另外一个实验是航天员员头戴MR显示器，3D 视觉叠加显示力矩、扭矩等测量数据，佩戴数据手套进行遥控，R2捕获了一个在空间站舱内自由漂浮的物体。后续在2014 年为增加机动性决定进行复杂而冒险的升级——装上腿，努力从实验过渡到一个真正有前途的机器替换人的阶段。但该项目可能过于先进，装上腿之后由于在天上难以解决的故障处于瘫痪状态。

美国机械臂能承载重量116吨，远大于欧洲的8吨和日本的7吨。美国机械臂与中国相比，中国已在高精度伺服控制技术、核心机构部件设计技术、柔性动力学建模与分析技术、目标识别与测量技术等方面都实现了巨大的突破。因此，严格意义上说，美国现在弃用加拿大臂如果自己来研制，但未必能有多高的水平。

由于国际空间站是多国联合制造，舱段各不相同，俄罗斯和日本还都使用了欧洲机械臂和日本机械臂，根本也没有预留让美国机械臂爬行的接口，因此美国的机械臂只能在美国制造的舱段上活动，实际并不能达到爬行的目的，且也很少进行爬行工作。

美国机械臂尽管能够爬行，但是当它移动到新的“锚点”，只能够获得数据连接和视频信号连接，此外就是基本的运转的动力，因此美国的机械臂只能爬行观察情况，但不具备载荷抓握的能力，而中国的机械臂和舱外锚点则进行了进一步的改进，使得机械臂在移动后也具备了载荷抓握的能力。这就意味着中国空间站机械臂可工作的范围极大扩展。实际上这种更为全面的机械臂爬行功能，也是美国在未来探月的星门空间站所要实现的功能。

另外，美国Tethers Unlimited公司曾经研究的在轨制造系统——“蜘蛛制造”，将利用蜘蛛状机器人在轨进行大型空间结构如天线、电池板、桁架和其他多功能结构的制造与组装。只需要将原材料送入轨道，即可由机器人利用增材制造技术在轨制造，并将制造的零部件装配成大型系统。“蜘蛛制造”已完成机器人样机制造，进行了地面演示，验证了“蜘蛛制造”概念关键工艺的基本可行性。该公司从2016年开始制造第二代机器人原型。

四、俄罗斯空间机械臂

俄罗斯是前苏联的继承者。前苏联时期曾经在和平号上就设计了一款可以称为机械臂鼻祖的自动对接系统（ASPR），当时的空间站新对接的舱采用轴向对接，成功对接后就需要自动对接系统将舱的角度旋转90°，方便下一个对接舱对接。那时的机械臂非常的短小，自动度也很低，但是好用就行了，这一原则也延续了下来，评价一套空间站的配套工具，其实好用永远是王道。

俄罗斯拥有设计、制造先进科技机械臂的基础。比如之前进入空间站的俄罗斯Skybot F-850机器人十分先进。根据资料，该机器人又名 “费多尔”，体形与人相似，身高超过1.8米，体重近半吨，其全身遍布传感器，能将四肢感受到的各种作用力反馈回远端的计算设备，进而根据这些受力数据做出力度恰到好处的动作。这项技术使它能驾驶车辆、做俯卧撑、操作电钻，甚至还会打开瓶盖，配备的语音控制系统可以使“费多尔”与航天员方便地“交流”。俄罗斯的科学家表示，“费多尔”系列机器人，就是被设计用来在太空当中完成一些较危险的任务，他们希望未来的某一天，机器人可以帮助他们在太空中建立基地。

五、日本空间机械臂

日本是全球研制科技机械臂的少数强国之一。据外层空间事务厅（UNOOSA）发布消息称，毛里求斯共和国的首颗卫星将于6月22日从国际空间站释放。这颗卫星是6月初由美国货运龙飞船带上国际空间站的。卫星将在外层空间事务厅和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）帮助发展中国家部署卫星的KiboCUBE项目框架下，由日方的机械臂从国际空间站释放。

早在1997年，日本发射的工程试验卫星2VII(ETS2VII)是国际上第一个自由飞行空间机器人系统，其机械臂长2m，有6个自由度，配有摄像机及辅助工具，末端安装有长约0.15m的三指灵巧机器手系统，整个机器人系统重约45kg。它首次尝试了无人情况下的自主交会对接和舱外空间机器人遥操作试验，演示了多自由度、多传感器机械手用于空间精密在轨服务的可能性，并验证克服大时延和通信能力有限的遥操作技术。

值得一提的是，国际空间站上的日本希望号实验舱也装有两个6自由度机械臂，主要用于在舱外暴露平台上开展高精度的空间科学实验，也可支持航天员的舱外维护活动和释放微纳卫星等任务。

航天飞机和国际空间站几乎成了加拿大空间机械臂成长的摇篮，这也引发了其他国家奋起直追！日本实验模块远程机械臂系统（JEMRMS，Japanese Experiment Module Remote Manipulator System）和欧洲机械臂（ERA，European Robotic Arm）也陆续登场。

日本航天局JAXA研制的日本实验舱远程机械臂JEMRMS（日本实验模块遥控机械臂系统）由主臂MA( Main Arm) 和小精细臂SFA( Small Fine Arm) 串接组成，2008 年 6 月由发现号航天飞机上发射上天并安装固定在国际空间站日本实验舱段，主臂长约10米，具有六个自由度，最大带载质量可达7 000公斤，定位偏差为50毫米; 小臂长约2.2米，具有六个自由度，定位偏差缩小到10毫米，相对与主臂可执行更灵巧的操作，而且其末端工具上配置了力/力矩传感器可用于柔顺操作，带载能力80公斤。

六、欧洲空间机械臂

欧空局研制的"欧洲机械臂"从拜科努尔空间中心发射升空，欧洲空间机械臂已经继加拿大臂2，日本机械臂，中国空间站机械臂之外,太空中第四个大型机械臂。值得一提的是，为了这一天,欧空局已经等了20年。欧洲机械臂欧洲机械臂(ERA)是由荷兰航天公司总承包，欧洲阿斯特里姆公司(如今的空客防务公司一部分),SABCA公司和Stork公司分包，欧洲机械臂最初打算在2001年用航天飞机发射，安装在国际空间站的俄罗斯模块上。

欧洲的机械臂ERA，该计划始于1980年代，原计划用于欧洲海尔曼斯欧洲航天飞机，但随着海尔曼斯航天飞机项目取消，转而与俄罗斯合作研发用于和平2号空间站机械臂，不过1993年和平2号空间站也被取消……欧空局分析了形势，决定和俄罗斯继续开展合作，项目停滞3年后于1996 年和俄罗斯航天局签署了合作协议，ERA成为国际空间站俄罗斯舱体的功能模块！

ERA的正式研发始于1998 年，安装在科学号实验舱的ERA本计划于 2001 年在航天飞机上发射，后被推迟到2002年，随后的哥伦比亚号航天飞机灾难以及科学号实验舱的取消，让ERA长年坐冷板凳。由于国际空间站的俄罗斯舱段并未配备加拿大机械臂的地插接口造成很多不便，2004年俄罗斯推出新一代科学号多功能实验舱，并和欧空局合作在该舱段安装ERA。

ERA曾经在2021年7月21日，项目启动近40年后在质子火箭上与科学号多功能实验舱发射升空，并在多次险情后和国际空间站对接成功，后续需要五次太空行走来组装调测机械臂以适应太空作业，满足俄罗斯舱段的太空任务需求。

NASA曾经授予太空制造公司（Made in Space）价值2000万美元、为期两年的“建筑师”项目合同，研发装有机械臂的3D打印机，并将其安装在国际空间站外部分离舱。这种太空制造与装配设施将使NASA和私营公司仅需将增材制造所需的原材料和某些高价值部件（如传感器、电子元器件和电池）发送至太空，便可以在太空中用机械臂将这些零部件与增材制造的零部件装配起来。

七、德国空间机械臂

德国全球首屈一指的机械制造强国。德国拥有全球先进的高端车床，因为关键零件基本都是德国和日本的五轴机床生产才能保证精度。1993年德国宇航中心研制并成功发射的小型空间机器人系统ROTEX，它有6个自由度，安装有各类传感器和执行器，能够在1m的运动范围内进行指定的操作。2007年进行了Inspector系列自由飞行机器人的研究。

来源：盘古论市，新思界网，中国青年报