1 研究背景
自古以来，人类对宇宙太空的探索从未停止，随着人们所掌握的科学技术的迅猛发展，人类探索和利用宇宙空间的手段逐渐丰富，发射宇宙航天器便是其中的手段之一。早期的航天器的结构简单，功能单一，只能执行特定的任务。随着航天技术的不断发展，航天器的结构越来越复杂，其功能种类也逐渐增多。航天器执行的任务也越来越复杂，长期在轨运行过程中，受损的风险也会增加，而且航天器长时间的工作也需要更换零部件，考虑到航天器的制造和发射的费用及其昂贵，而且保证宇航员在太空的正常活动也需要耗费大量的人力物力，所以机器人逐渐成为维护航天器的，协同完成航天器的任务的重要工具。双臂机器人具有更好的柔性和刚度——使用双臂机器人形成闭环运动链结构，可同时具有并联机构的刚度与强度，以及串联机构的灵活性[1]。
2 国内外研究现状
以美国、日本和德国为代表的西方发达国家对空间机器人的研究起步较早，取得很多成果。美国国防高级研究计划局在2007年与波音公司发射完成了轨道快车任务，演示任务航天器服务目标航天器进行交会对接，燃料加注，以及机器臂完成可更换模块的更换操作[2]。前端机器人使能近期示范（FREND）是DARPA另一个在轨服务项目，FREND项目利用一个七自由度机械臂完成不同航天器接口的抓捕和对接的演示实验[3]。日本宇航局（JAXA）的实验测试卫星七号（ETS-VII）第一个完成了空间机器人在轨服务的演示任务，验证了自主交会对接以及机械臂空间服务的可行性[4]。MDA（MacDonald，Dettwiler and Associates）公司的空间基础设施服务车辆（SIS）宣称是第一个具备操作能力的空间服务系统，可以为一些潜在的在轨操作提供一只机器臂和一套对接系统[5]。
中国空间机器人的研发起步较晚，但随着航空航天业的不断发展，天宫系列航天器，嫦娥系列航天器相接发射成功，空间站建设任务和探月工程的展开，对空间机械臂的需求越来越大，实验条件越来越好，我们与发达国家的差距在不断减小。国内有不少公司和大学开展了双臂机器人研究，包括中国科学院、清华大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学和北京控制工程研究所在内的许多院校科研单位对空间机器人展开了研究，并取得了很多研究成果[6]。近年来，由于太空目标捕获、垃圾回收、器械维修等在轨服务不断增加，同时由于双臂机器人或多臂机器人具备更多的自由度、更大的操作空间等特殊优势，双臂机器人受到广大研究人员的关注[7]。
3 关键技术研究现状
双臂机器人要实现灵活且准确的运动控制，与多方面因素有关，包括正确的运动学分析、运动规划和高实时性的运动控制系统。在建立其运动规划算法时，首先需要了解机械臂系统的运动学与动力学模型。下面综述关于系统建模与运动规划的研究现状。
空间双臂机器人其基座与机械臂之间的动力学耦合作用，使其在运动规划上要困难许多。Xu等[8]提出了系统质心等效机械臂的建模理念，并进一步提出了混合建模理论以便处理空间机器人的动力学耦合问题。吴长征等[9]结合臂形角约束[10]给出了空间双臂机器人逆运动学解析形式求解方法，引入二元判定系数，将机器人的工作状态归纳为4种不同工作状态。针对4种工作状态，基于拉格朗日方程建立了相应的强耦合、非线性工作的空间双臂机器人动力学模型。周智刚等[11]结合李群和李代数的几何工具，为一般的串联非固定基座机器人系统建立了面向控制的运动学和动力学模型。秦利[12]建立了不同重力环境下的空间机器人动力学模型，并提出了具有适应重力变化能力的自适应控制器。王靖森等[13]考虑关节摩擦对系统动力学特性的影响，推导了含有关节摩擦项的空间机器人动力学方程，并进一步通过末端六维力传感器实现了对惯量参数的辨识。Sone[14]将机械臂的运动分解为两个部分：腕部的指向运动和手臂的伸展运动，并提出了一种反作用零空间控制方法。
对于运动规划控制的研究，Yoshida等[15]求解了双臂空间机器人的广义雅可比矩阵，并提出了一种双臂协调控制方法；其中一个机械臂跟踪期望的轨迹，另一个机械臂保持卫星基座的姿态。孙占朋等[16]提出了一种迭代Tikhonov正则化方法，这种方法回避了雅克比矩阵求逆运算中的矩阵奇异问题，而是通过反演运算使末端路径更接近于期望路径, 能够有效减小末端误差。崔浩等[17]根据多体动力学理论建立了自由漂浮空间机器人动力学模型，给定系统的初始和目标位形，选取空间机械臂关节耗散能最小为性能指标，运用多项式插值逼近机械臂关节运动轨迹，将插值多项式的系数作为优化参数，采用序列二次规划法优化求解空间机械臂关节运动轨迹。羊帆等[18]考虑自由漂浮空间机器人（FFSR）的障碍回避与规划控制问题，提出了一种基于障碍物伪距离的避障轨迹规划方法。这种方法基于障碍物伪距离技术, 采用FFSR的逆几何模型求解期望末端位姿下的连杆伪距离估计值, 进而通过求解非线性优化问题, 获得FFSR避障期望轨迹。
4 有待解决的问题
