书名：关节故障空间机械臂容错运动控制技术
ISBN：978-7-115-64964-5
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编 著 陈 钢 李 彤 王一帆
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本书基于作者多年来承担航天领域重大项目及其他国家级项目取得的研究成果，对空间机械臂的容错运动控制等相关基本理论和方法进行系统且深入的介绍。本书共8章，主要内容包括空间机械臂概述、空间机械臂的关节故障及容错技术、关节故障空间机械臂数学模型、关节故障空间机械臂运动能力分析、关节锁定故障空间机械臂容错运动控制策略、关节自由摆动故障空间机械臂容错运动控制策略、关节部分失效故障空间机械臂容错运动控制策略以及空间机械臂容错技术未来展望等。本书提出的理论、方法紧密结合实际，可用于解决空间机械臂发生关节故障时涉及的相关技术问题。
本书可作为高等学校机器人工程及相关专业研究生的教材，也可作为空间机械臂应用领域的研发人员及工程技术人员的参考书。
开展空间探索是开发和利用空间资源、探索人类新的活动领域以及探索宇宙起源的重要途径。空间机械臂因自身具有高度智能性、自主性以及灵活机动性，被广泛应用于空间探索任务中，成为辅助甚至替代人类执行空间探索任务必不可少的智能装备。
然而，考虑太空环境特殊、在轨任务繁重、自身结构复杂等因素，空间机械臂在轨长周期服役过程中，关节故障的发生不可避免。故障一方面会严重影响空间机械臂的运动能力，导致在轨任务失败；另一方面可能引发连锁反应，进一步损坏空间机械臂及航天器结构，危害航天器在轨飞行安全。空间机械臂容错运动控制技术是实现机械臂故障自处理的重要手段。通过对关节故障状态下空间机械臂运动控制策略的重构，可使故障对机械臂操作任务可完成性的影响最小化，保证在轨任务得以高效、顺利完成。
本书是作者团队十余年来在国家973计划、国家自然科学基金等项目的支持下，开展的对关节故障空间机械臂容错运动控制技术研究所取得成果的总结。本书共8章，首先介绍空间机械臂典型关节故障类型对应的数学建模方法和运动能力分析方法，然后在此基础上对关节锁定故障、关节自由摆动故障和关节部分失效故障等的空间机械臂容错运动控制策略进行详细阐述。
本书提出的理论与方法已发表于国内外重要学术期刊中，并申请多项国家发明专利，且部分成果已应用于我国航天工程项目，具有较高的学术价值、创新意义及应用价值。本书内容丰富、体系完整，可帮助读者加深对空间机械臂容错技术的认识、理解和掌握，以及为读者在航天工程、机械工程、控制科学与工程、人工智能等领域开展跨学科研究和工程实践提供参考。
由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。
作 者
2024年4月
20世纪中期，随着世界上第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号（Sputnik 1）成功升空，人类进入“太空时代”。随后，美国、加拿大、日本等国家的航天机构开启了空间探索征程。发展至今，人类探索的脚步已突破地球引力的限制，深入太阳系及其之外的浩瀚宇宙。人类对宇宙的不懈探索使得人类能够进一步了解宇宙、开发和利用空间资源、获取更多科学认识、探索生命的起源和演化，极大地推动了人类社会的科技进步，对人类文明的发展具有深远影响。
空间机械臂作为人类开展空间探索活动的核心智能装备之一，具有空间感知与操控能力，在空间站建造及日常运营、航天器在轨作业、地外天体探索开发等多类复杂、繁重的空间任务中扮演着举足轻重的角色，能极大地增强人类在宇宙中的活动能力，拓展探索范围。空间机械臂具有操作能力强、运动灵活性高、环境适应能力好等突出优点，能够在超真空、高温差及强辐射的空间环境中进行重载、大范围作业，极大限度提高作业效率与经济效益，降低航天员出舱作业的风险，并减小工作压力。因此，从空间任务完成可行性、安全性和经济性等方面来看，利用空间机械臂协助或替代航天员完成空间任务具有十分重要的意义。
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
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。
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。
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。
欧洲、美国、加拿大、日本等较早开启了空间探索征程，并从20世纪60年代开始，在空间机械臂领域取得了较大的进步，研制了多套具有代表性的空间机械臂，并基于航天飞机、国际空间站等平台开展了一系列空间试验与工程应用。与国外空间机械臂的发展相比，我国在这方面的研究工作起步相对较晚，20世纪80年代才开始逐渐开展空间机械臂的基础研究，经过40多年的技术发展与沉淀，已卓有成效。本节主要针对加拿大、美国、欧洲、日本和我国的典型空间机械臂展开相关介绍。
图1-2所示的加拿大航天飞机远程机械臂系统（Shuttle Remote Manipulator System，SRMS）也称加拿大1号臂（Canadarm1），于1975年开始研制，1981年首次安装在美国航天飞机“哥伦比亚号”上执行空间任务，直到2011年结束其航天使命。SRMS具有6个自由度，臂长15.2 m，自重约410.5 kg，最大负载质量可达30 000 kg，肘部和腕部安装有相机，以提供操作臂、末端执行器等部位的可视画面。SRMS主要用于部署和回收有效载荷，转移和支持航天员舱外作业，维修卫星、国际空间站，辅助观测国际空间站等空间任务。SRMS主要由航天飞机内的航天员在轨控制，操作模式包括自动模式、手动增强模式、单关节驱动模式、直接驱动模式以及备份驱动模式等。
图1-2 加拿大航天飞机远程机械臂系统
图1-3所示的国际空间站远程机械臂系统（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS）又称加拿大2号臂（Canadarm2），由加拿大MD Robotic公司和美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）联合研制，于2001年随美国“奋进号”航天飞机进入太空，服役至今。SSRMS具有7个自由度，臂长17.6 m，总质量为1800 kg，最大负载质量可达116 000 kg。SSRMS安装于空间站的桁架基座装置上，可用于执行电池组与轨道单元的更换、空间站载运物的回收和轨道器的对接与分离等空间任务。
图1-3 国际空间站远程机械臂系统
图1-4所示的专用灵巧机械臂（Special Purpose Dexterous Manipulator，SPDM）又称Dextre，于2008年发射到国际空间站。SPDM是双臂机器人，每条手臂具有7个自由度，长3.7 m，质量为1660 kg，最大负载质量可达600 kg。它既可作为SSRMS的操作终端，执行诸如空间站表面的小部件移除、模块更换等高精度灵巧操作，也能够独立作业，用于辅助航天员的舱外活动，从而降低航天员出舱作业的风险。
图1-4 专用灵巧机械臂
图1-5所示的日本实验舱遥控机械臂系统（Japanese Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS）由日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制。JEMRMS由主臂和小臂串联组成，主臂和小臂均具有6个自由度，主臂长10 m，最大负载质量可达7000 kg，小臂长2.2 m，最大负载质量可达80 kg。JEMRMS安装在国际空间站的日本“希望号”实验舱上，主要用于执行实验舱的辅助装配、曝露实验平台的载荷更换等空间任务以及承担国际空间站部分区域的维护任务。
图1-5 日本实验舱遥控机械臂系统
图1-6所示的欧洲机械臂（European Robotic Arm，ERA）由欧洲空间局（European Space Agency，ESA）研制，于2021年与“科学号”多功能实验舱一起发射。ERA是一个完全对称、可重定位的机械臂，具有7个自由度，长11.3 m，总质量为630 kg，最大负载质量可达8000 kg，操作精度可达5 mm。ERA安装于国际空间站俄罗斯舱段，主要用于执行在轨装配任务和提供其他舱外服务（如对国际空间站的外表面进行监测等）。
图1-6 欧洲机械臂
“轨道快车”系统（Orbital Express System，OES）由美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）牵头研制，包括自主空间传送机器人轨道器（Autonomous Space Transport Robotic Orbiter，ASTRO）和下一代服务卫星（NEXT Generation Serviceable Satellite，NEXTSat）两部分，于2007年发射升空，如图1-7所示。ASTRO上安装有由加拿大MD Robotic公司生产的空间机械臂，其具有7个自由度，臂长3 m，用于执行NEXTSat的维护和捕获任务。研究人员利用ASTRO上的空间机械臂在太空中完成了一系列验证试验，如控制其成功捕获了NEXTSat，并完成了针对后者的燃料补给与电池安装任务。
图1-7 “轨道快车”系统机械臂
工程试验卫星（Engineering Test Satellite Ⅶ，ETS-Ⅶ）由日本东芝公司研制，于1997年发射。工程试验卫星上搭载一条具有6个自由度的机械臂，长2.4 m，质量达400 kg，如图1-8所示。机械臂手部关节和末端执行器均安装有摄像机，能够将画面传送至地面控制实验室，利于地面研究人员实施相关操作。研究人员可利用工程试验卫星上的机械臂完成机械臂与卫星姿态的协同控制和对在轨卫星及其在轨替换单元（Orbital Replacement Unit，ORU）部件的捕获等任务。
图1-8 工程试验卫星机械臂
“机遇号”和“勇气号”火星探测车机械臂IDD（Instrument Deployment Device）是美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）于2003年为火星探测车“机遇号”（Opportunity或MER-B）与“勇气号”（Spirit或MER-A）所设计的轻型机械臂，如图1-9所示。IDD具有5个自由度，长1 m，自重4 kg，最大负载质量为2 kg，末端定位误差小于5 mm，重复定位误差小于4 mm。该机械臂末端携带穆斯堡尔谱仪、阿尔法粒子X射线光谱仪、显微成像仪、岩石研磨工具等科研仪器，可对火星表面土壤进行采样分析。
图1-9 “机遇号”和“勇气号”火星探测车机械臂
“好奇号”（Curiosity）是美国火星科学实验室（Mars Science Laboratory，MSL）研制的火星探测车，于2011年发射。该火星探测车上安装有长度为2.1 m的机械臂，携带有化学和矿物学分析仪、火星样本分析仪等设备，用于辅助完成岩石和土壤样品的获取、加工、分析等操作，如图1-10所示。
图1-10 “好奇号”火星探测车机械臂
“毅力号”（Perseverance）为NASA研制的新一代火星探测车，于2020年发射。如图1-11所示，该火星探测车上搭载一条具有5个自由度的机械臂，长2.1 m，其末端携带相机、矿物和化学分析仪、旋转冲击式钻机等，可以进行岩芯提取、显微图像拍摄、土壤采样等操作，以辅助“毅力号”完成其光荣使命——搜寻火星远古生命存在的迹象，研究陨坑地质结构，采集并保存几十个火星样本。
图1-11 “毅力号”火星探测车机械臂
随着相关研究的深入和技术进步，空间机械臂已经在我国载人航天工程和深空探测工程中发挥了重要作用。我国载人航天工程实行“三步走”战略：第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船并开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模、短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造空间站，解决有较大规模、长期有人照料的空间应用问题。2022年，中国空间站全面建成，载人航天工程“三步走”战略圆满收官。
在空间站建造的过程中，空间机械臂不可或缺。中国空间站远程机械臂系统（Chinese Space Station Remote Manipulator System，CSSRMS）包括核心舱机械臂（Core Module Manipulator，CMM）和实验舱机械臂（Experiment Module Manipulator，EMM），如图1-12和图1-13所示。
图1-12 核心舱机械臂
图1-13 实验舱机械臂
CMM具有7个自由度，长度为10.5 m，最大负载为25 000 kg。机械臂本体由7个关节、2个末端执行器、2根连杆、1个中央控制器以及1套视觉相机系统组成。关节的配置采用“肩3+肘1+腕3”的方案，即肩部依次设置回转、偏航和俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部依次设置俯仰、偏航和回转关节。这种对称结构可使得机械臂在空间站舱体表面实现肩/腕互换的位置转移，即“爬行”。CMM主要用于完成空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接以及支持航天员出舱活动等空间任务。
EMM具有7个自由度，长度为5.5 m，最大负载为3000 kg。机械臂本体由7个关节、2个末端执行器、2根连杆、2个控制器、2套手眼相机等组成。除此之外，该机械臂结构对称，两端安装的末端执行器，1个作为实验舱机械臂工作时的基座，用于实现实验舱机械臂与实验舱的连接；1个作为手臂抓捕操作的工具，也可实现与核心舱机械臂的对接，以构成更长的串联机械臂。EMM控制器安装在连杆上，随机械臂移动。EMM主要用于完成曝露平台实验载荷照料、空间站光学平台照料、支持航天员舱外状态检查、舱外设备组装等空间任务。
开展探月工程是我国深空探测领域的第一步重大举措，采取“绕、落、回”三步走战略，目前已圆满收官。在探月工程中，空间机械臂是支撑探月工程顺利实施的关键之一。“嫦娥三号”探测器是三步走战略第二步中的关键装备，于2013年12月发射并执行月面巡视勘察等空间任务。搭载在“嫦娥三号”探测器上的“玉兔号”月球车（见图1-14）前端机械臂具有3个自由度，长为0.5 m，主要用于辅助探测分析月球表面土壤，其展开后的控制精度可达毫米级别；“嫦娥五号”探测器（见图1-15）是三步走战略第三步中的关键装备，其承担了月表采样返回任务。搭载在“嫦娥五号”探测器上的表取采样机械臂，正是执行月表采样返回任务的关键设备，其能够克服规划动作多、取样返回难度大等技术难题。
图1-14 “玉兔号”月球车
图1-15 “嫦娥五号”探测器
空间机械臂不同于地面机械臂，其应用常常受到太空环境特点、自身特性及所执行的任务特点等多方面的影响。本节将从这3个方面出发对空间机械臂的应用特点进行分析。
空间机械臂工作于地外空间中，从设计阶段到发射阶段再到使用阶段，均需要考虑微重力、真空、高低温交变、紫外辐射、电离效应、原子氧、空间碎片等诸多特殊环境因素的影响。
① 微重力：空间环境中由重力或其他外力引起的加速度不超过1×10-5～1×10-4g（g为地面的重力加速度）。
② 真空：空间环境的真空度通常可以达到1×10-2～1×10-11 Pa，该环境下材料干摩擦、冷焊以及液体润滑材料挥发等效应较为显著。
③ 高低温交变：由于空间热传导和热辐射等热交换能力差，光照面和阴影面存在较大温差，这样极端的温度交变会对空间机械臂机构运动产生一定影响。
④ 紫外辐射：太阳辐射出的紫外线可导致空间机械臂高分子聚合材料的弹性和强度降低。
⑤ 电离效应：在电离效应（包括空间重离子及质子效应）的影响下，空间机械臂上的电子器件易出现性能下降、工作不稳定甚至完全失效现象。
⑥ 原子氧：原子氧与空间机械臂发生相互作用可能引起空间机械臂材料的剥蚀老化。
⑦ 空间碎片：人类空间活动产生的火箭推进器、废弃失效卫星，以及空间碰撞事故产生的碎块等，会严重影响空间机械臂的运行安全。
空间机械臂工作面临的部分环境如图1-16所示。由此可见，特殊的工作环境给空间机械臂结构设计、材料选取、规划控制等带来挑战。为保证空间任务执行过程中空间机械臂的正常运行，需从各个方面全面提升空间机械臂的可靠性。通常来讲，空间机械臂的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性两类，前者是指在设计与制造过程中所赋予空间机械臂的固有属性，后者则是指实际使用过程中空间机械臂所表现出的可靠性。通过在空间机械臂服役过程中引入规划与控制策略，可以延缓空间机械臂固有可靠性的衰减，并保持与提升使用可靠性，使得空间机械臂具备较强的空间环境适应能力。
图1-16 空间机械臂工作面临的部分环境
空间机械臂通常具有结构组成复杂、柔性特征明显、基座姿态存在扰动等特点[1]，具体分析如下。
① 结构组成复杂。由于应用环境特殊，空间机械臂在太空服役过程中的维护、维修成本极高，若关节发生故障，将导致空间任务无法顺利完成。为保障空间机械臂具备足够的容错能力以应对空间任务，往往将冗余备份技术引入空间机械臂的关节设计中，通过为关节内部结构设置冗余备份项，提高关节可靠性，进而提升空间机械臂固有容错性能[2-3]。然而，过多的驱动单元和复杂的机械结构，会使机械臂自身运动耦合特性与非线性增强，增加空间机械臂规划控制的复杂性，且复杂的机械结构也会使故障发生的概率提升。
② 柔性特征明显。为降低火箭升空过程中空间机械臂所带来的运载负担，空间机械臂常由高刚度轻质材料制造，具备轻量化的特点；为扩大空间机械臂的操作空间，拓展操作范围，空间机械臂还具有跨度大的特点。这些特点使得空间机械臂的柔性特征凸显，加之大负载操作任务使机械臂处于受力状态，连杆易产生弹性形变，影响空间机械臂的系统性能（如末端操作精度）。
③ 基座姿态存在扰动。微重力环境下，空间机械臂属于非完整约束多体系统，其基座常处于自由漂浮状态。由于机械臂与基座间存在运动耦合，机械臂运动会引起基座的位置与姿态发生改变，导致系统运动呈现不确定性。此外，基座姿态的改变会影响安装于其上的设备（如太阳帆板、通信天线等）的正常工作，影响航天器的能量获取与对地通信等。因此，在规划与控制机械臂执行空间任务时，需考虑基座的姿态扰动。
上述空间机械臂自身特性如图1-17所示。
图1-17 空间机械臂自身特性
除考虑上述特性外，关节角/关节速度/关节加速度极限、关节输出力矩极限等约束也会制约空间机械臂的操作能力。由此可见，空间机械臂结构特点、关节运动和输出力矩极限约束等特性对机械臂执行空间任务存在制约，空间机械臂复杂的机械结构会增大控制的复杂性和故障发生的概率；其结构的柔性特征使得其末端操作精度等性能易受连杆弹性形变影响；机械臂和自由漂浮基座间存在的耦合关系使得系统运动存在不确定性，同时空间任务的执行受基座姿态扰动的影响。因此，在规划和控制空间机械臂执行任务时，应充分考虑机械臂自身结构特点和关节输出力矩极限等约束的影响，设计相应的轨迹规划和控制方法，减小或消除机械臂结构的柔性特征对系统性能的不利影响，减少基座姿态扰动，使得空间机械臂尽可能顺利执行任务，并提升空间机械臂的使用可靠性。
空间机械臂通常要承担多种任务（如在轨装配、在轨维护等），且任务对象涵盖范围较广，不仅包括飞行器、舱段、模块、设备等合作目标，还包括空间碎片、微流星等非合作目标。从国内外空间机械臂发展历程来看，空间机械臂承担的空间任务类型和部分空间任务示意分别如表1-1和图1-18所示。
表1-1 空间机械臂承担的空间任务类型
| 空间任务类型 |
操作内容 |
|---|---|
| 科学实验 |
利用机械臂搬运、安装、拆卸及回收试验载荷，以及在机械臂支持下完成光学平台遮光罩的维护工作 |
| 支持航天员出舱活动 |
利用机械臂完成航天员的大范围转移并辅助航天员执行既定任务 |
| 舱外设备安装、更换或维修 |
利用机械臂完成空间站上大质量/大惯量设备（如太阳能电池翼）的安装、更换与维修等工作 |
| 舱外状态检查 |
利用配置在机械臂末端的视觉系统，完成空间站的定期巡检工作，将舱体表面图像传回舱内，供舱内航天员或地面飞控人员观察、判断舱外壁的健康状态 |
| 星表采样 |
利用机械臂采集星球表面土壤样品 |
| 悬停飞行器捕获与辅助对接 |
利用机械臂捕获来访飞行器，并将其转移至空间站停泊口或对接口处，最后完成来访飞行器与空间站的对接 |
| 舱段转位与辅助对接 |
利用机械臂完成舱段分离、转位、再对接等操作 |
| 卫星在轨维修 |
利用机械臂完成对故障卫星的维护、维修工作 |
| 星球基地建设 |
利用机械臂协助人类搭建星球基地 |
图1-18 空间机械臂所承担的部分空间任务示意
从表1-1中可看出，空间机械臂所需执行的空间任务是复杂多样的，且单个空间任务往往包含多个基本操作，例如空间机械臂对任务对象的抓取、搬运等。此外，不同的工况条件对空间机械臂也提出了相应的性能要求，例如空间机械臂在搬运任务目标时，针对不同载荷质量的搬运任务，空间机械臂需具备不同的承载能力。由于空间机械臂所执行的任务复杂多样，这些空间任务对机械臂多方面的性能提出要求，当关节发生故障时，空间机械臂往往会因为某些性能不满足空间任务要求，无法执行任务。因此，在空间机械臂的设计与使用中，需要充分考虑空间任务的特点以设计相应的容错策略，使空间机械臂在关节发生故障后仍能尽最大可能继续执行空间任务。
空间机械臂所处的太空环境中，存在真空、高低温交变、紫外辐射、电离效应、空间碎片等因素，这些因素会严重影响空间机械臂内部复杂零部件的强度和使用寿命。同时，空间机械臂长周期服役过程中常执行繁重、复杂的空间任务，也易导致内部零部件磨损加剧，增加空间机械臂发生故障的概率。空间机械臂自研发投入空间应用以来，发生过一些故障，主要集中在国际上极具代表性的机械臂SSRMS上。
案例1：2001年4月，SSRMS先后发生腕关节和肩关节故障，导致整个机械臂无法正常工作，原定的“发现者号”发射任务也被迫推迟了一个月。
案例2：2011年2月28日，国际空间站的一名美国航天员在利用SSRMS执行太空行走任务时，机械臂控制系统发生故障，致使所有关节锁定而失去运动能力，导致该名航天员被困于机械臂末端近半小时。
案例3：长期服役的SSRMS关节间润滑油减少，导致各关节的最大输出力矩下降，进而使得关节运动性能发生严重退化。2017年3月24日，美国航天员与欧洲空间局航天员同时出舱作业近6.5 h，通过在各关节间涂润滑油完成了对机械臂的维护。
案例4：2017年10月5日，SSRMS上的两个“锁合末端效应器”之一发生自由摆动故障，导致机械臂无法通过协同控制两个“锁合末端效应器”完成对舱体等操作对象的抓取任务，进而迫使两位航天员耗费近7 h进行舱外作业以实现对故障组件的替换。同月10日，两位航天员再次出舱作业，对发生老化的SSRMS进行了系统维修。
上述案例中，空间机械臂关节或执行器发生故障，使得空间机械臂运动能力下降甚至完全丧失，进而导致空间任务失败，甚至对航天员安全造成威胁。此外，空间机械臂故障排除耗费了大量时间，并导致后续空间任务的推迟与取消，维修成本高昂且维修难以及时进行。因此，针对空间任务，有必要研究空间机械臂容错技术，使发生故障的空间机械臂在故障未修复的情况下可继续执行空间任务，尽量减小故障对空间任务的影响，并避免安全事故的发生。
综上所述，空间机械臂作为执行空间任务的重要装备，其长期可靠运行是系列航天计划顺利实施的重要保障。然而，空间机械臂可能发生的各类故障会严重影响空间任务的正常执行以及航天员的安全。为此，以空间机械臂安全、可靠运行为目标，研究空间机械臂容错技术，降低各类故障发生的概率以及故障对空间机械臂运动能力等方面的影响，使其继续可靠执行空间任务，对保障系列航天计划顺利实施有着重要意义。
本章概述了空间机械臂的概念、构成、发展现状以及应用方向，在综合考虑空间机械臂特殊的应用环境、自身结构特性以及多样化空间任务的基础上，结合历年来空间机械臂故障案例，分析了空间机械臂的容错技术需求，指出了容错技术在空间机械臂长期可靠服役中的重要地位。
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