中國(guó)航天員近日成功進(jìn)行了首次空間站出艙活動(dòng)，這一過(guò)程通過(guò)電視直播鏡頭，真切呈現(xiàn)在億萬(wàn)觀眾的眼前，讓人們不僅體驗(yàn)到九天之上回望藍(lán)色地球家園、凝視蒼茫太空的別樣感動(dòng)，而且領(lǐng)略到航天科技賦予人類(lèi)探索太空的偉大力量，見(jiàn)識(shí)到中國(guó)空間站作為現(xiàn)代科技集大成者擁有的夢(mèng)幻裝備，特別是天和核心艙機(jī)械臂。

　　通過(guò)畫(huà)面人們看到，空間站天和核心艙機(jī)械臂穩(wěn)穩(wěn)地托舉著航天員移動(dòng)至目標(biāo)位置，那種靈活、輕盈的姿態(tài)讓人不禁聯(lián)想到古老傳說(shuō)中徜徉宇宙間的飛天。通過(guò)媒體平臺(tái)播出的有關(guān)部門(mén)制作的科普視頻資料，人們可以全方位了解核心艙機(jī)械臂的超強(qiáng)性能，感受到正在建設(shè)中的中國(guó)空間站十足的智能范兒。

　　巧妙設(shè)計(jì)七自由度

　　承載能力達(dá)廿五噸

　　天和核心艙機(jī)械臂簡(jiǎn)稱(chēng)天和機(jī)械臂，由于其初始安裝位置是在天和核心艙小柱段而得此名。據(jù)航天科技集團(tuán)五院（中國(guó)空間技術(shù)研究院）空間站核心艙機(jī)械臂分系統(tǒng)主管設(shè)計(jì)師王儲(chǔ)介紹，該機(jī)械臂是一款模仿人類(lèi)手臂的七自由度機(jī)械臂。對(duì)“七自由度”，他解釋說(shuō)，天和機(jī)械臂的肩部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，肘部設(shè)置了1個(gè)關(guān)節(jié)，腕部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，一共7個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)1個(gè)自由度，就如同人類(lèi)的手臂一般，具有7自由度的活動(dòng)能力。通過(guò)各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)前后左右，任意角度與位置的抓取和操作。

　　通過(guò)畫(huà)面，人們可以清楚地看到天和機(jī)械臂分為兩段。王儲(chǔ)從專(zhuān)業(yè)角度進(jìn)行了介紹，他說(shuō)，從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，天和機(jī)械臂由兩根臂桿組成，對(duì)應(yīng)著人體的大臂與小臂，兩根臂桿的展開(kāi)長(zhǎng)度為10.2米，可聯(lián)合動(dòng)作，單根臂桿也可獨(dú)立工作。天和機(jī)械臂配套了兩個(gè)末端執(zhí)行器、一套視覺(jué)相機(jī)系統(tǒng)、一套總控制器。天和機(jī)械臂總重量不到800公斤，但其末端在軌最大承載能力可達(dá)25噸。

　　這樣的作業(yè)能力意味著什么呢？對(duì)此，王儲(chǔ)解釋說(shuō)，如果把天和機(jī)械臂的承載能力換算成人的手臂，就相當(dāng)于一個(gè)成年人可以憑借一只胳膊抬起100公斤的重物。

　　可進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)移

　　助力開(kāi)展出艙活動(dòng)

　　在中國(guó)空間站首次出艙活動(dòng)中，天和機(jī)械臂托舉航天員劉伯明到指定位置圓滿完成相關(guān)操作任務(wù)。據(jù)此，人們對(duì)其輔助航天員出艙活動(dòng)的應(yīng)用有了一定程度認(rèn)識(shí)，了解到天和機(jī)械臂是助力航天員實(shí)現(xiàn)安全、高效出艙活動(dòng)的重要設(shè)施。

　　航天員出艙活動(dòng)一般是指航天員離開(kāi)載人航天器乘員艙，只身進(jìn)入太空的活動(dòng)，也被稱(chēng)作太空行走，是載人航天的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是載人航天工程在軌道上安裝大型設(shè)備、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)、施放衛(wèi)星、檢查和維修航天器的重要手段。中國(guó)首次實(shí)施航天員出艙活動(dòng)是在2008年9月27日，神舟七號(hào)載人飛船乘組指令長(zhǎng)翟志剛與協(xié)助員劉伯明共同實(shí)施了太空行走并釋放了伴飛衛(wèi)星。

　　值得注意的是，天宮空間站組合體與神舟七號(hào)飛船相比，不僅規(guī)模要大得多，而且開(kāi)展出艙活動(dòng)的作業(yè)量、作業(yè)頻次、作業(yè)難度也大大增加。這就要求在保障作業(yè)安全的同時(shí)，提高出艙作業(yè)效率和作業(yè)能力，天和機(jī)械臂優(yōu)異的性能正好在此方面助一臂之力。據(jù)王儲(chǔ)介紹，天和機(jī)械臂末端可以對(duì)接腳限位器，航天員出艙后站在腳限位器上，機(jī)械臂就可以安全、平穩(wěn)地將其送到目標(biāo)位置，可以實(shí)現(xiàn)航天員的大范圍轉(zhuǎn)移，進(jìn)而為航天員執(zhí)行艙外作業(yè)任務(wù)提供重要支撐作用。

　　實(shí)現(xiàn)表面自由爬行

　　承擔(dān)艙外巡檢任務(wù)

　　兩根臂桿的終端輪流附著在空間站表面，靈巧地從空間站的一段爬到另一段，這是天和機(jī)械臂讓人們嘆為觀止的拿手絕活之一，而這得益于獨(dú)特的設(shè)計(jì)。王儲(chǔ)解釋說(shuō)，由于天和機(jī)械臂肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，它們的活動(dòng)功能是一樣的，同時(shí)安裝上末端執(zhí)行器以后，就可以對(duì)接艙體表面安裝的目標(biāo)適配器，天和機(jī)械臂通過(guò)末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器的對(duì)接或分離，再配合各關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，就能實(shí)現(xiàn)在艙體上自由靈活地爬行和轉(zhuǎn)移。

　　工作離不開(kāi)能量，天和機(jī)械臂在爬行和轉(zhuǎn)移過(guò)程中的能量來(lái)自哪里呢？王儲(chǔ)介紹說(shuō)，其電能是通過(guò)末端執(zhí)行器源源不斷獲得的。在天和機(jī)械臂的末端，除了設(shè)置了可以提供對(duì)接與分離的機(jī)械接口、通信接口等之外，還配有供電接口，只要末端與目標(biāo)適配器互聯(lián)，整條機(jī)械臂就可以獲得電能供應(yīng)。

　　空間站外表面配置了許多暴露的實(shí)驗(yàn)載荷，每時(shí)每刻都面臨空間碎片撞擊的危險(xiǎn)，這就要求定期對(duì)空間站艙外與艙表狀態(tài)進(jìn)行檢查、確認(rèn)，這一重任就賦予了天和機(jī)械臂。為了完成好該項(xiàng)使命，天和機(jī)械臂的肘部、肩部、腕部各裝有一臺(tái)視覺(jué)相機(jī)，在艙體表面的爬行轉(zhuǎn)移過(guò)程中，配合視覺(jué)相機(jī)監(jiān)視，就如同空間站伸出了一根長(zhǎng)長(zhǎng)的自拍桿，實(shí)現(xiàn)了360度全覆蓋、無(wú)死角的監(jiān)視，非常巧妙地實(shí)現(xiàn)了對(duì)于空間站艙外設(shè)備的巡檢功能。

　　作為備份轉(zhuǎn)位手段

　　開(kāi)展在軌建造任務(wù)

　　目前，天宮空間站正處于關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段，之后將進(jìn)入在軌建造階段，屆時(shí)，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙和夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙將發(fā)射升空并與天和核心艙對(duì)接成“T”字形組合體，最終完成空間站建造任務(wù)。但是受限于姿態(tài)控制的問(wèn)題，上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙將無(wú)法直接與天和核心艙的側(cè)向停泊口對(duì)接，而是要先與其前向?qū)�接口�?duì)接，然后再轉(zhuǎn)位置至側(cè)向停泊口，對(duì)接為組合體。這無(wú)疑給空間站在軌建造帶來(lái)了難度和挑戰(zhàn)。

　　為了確保完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)向?qū)�接任�?wù)，航天科技工作者準(zhǔn)備了兩個(gè)互為備份的轉(zhuǎn)位手段，實(shí)現(xiàn)“雙保險(xiǎn)”。王儲(chǔ)介紹說(shuō)，一方面，他們?yōu)閮蓚�(gè)實(shí)驗(yàn)艙各自均配置了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型轉(zhuǎn)位機(jī)械臂，專(zhuān)門(mén)用于幫助它們完成轉(zhuǎn)位，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移角度對(duì)接。另一方面，他們也賦予了天和機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位并使其與天和核心艙對(duì)接的能力，成為完成該項(xiàng)重任的備份手段。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，天和機(jī)械臂的控制精度達(dá)到毫米級(jí)，完全可以保障實(shí)驗(yàn)艙側(cè)面轉(zhuǎn)向并幫助其實(shí)施對(duì)接的要求。

　　天和機(jī)械臂既然有充足能力幫助實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)向并完成側(cè)面對(duì)接，當(dāng)然也可以幫助載人飛船和貨運(yùn)飛船與天宮空間站對(duì)接為組合體。隨著空間站進(jìn)入常態(tài)運(yùn)營(yíng)階段，飛船將定期或不定期到訪“天宮”，它們與空間站的交會(huì)對(duì)接將成為經(jīng)常性需求。因此有評(píng)論指出，飛船屆時(shí)將可以依靠天和機(jī)械臂完成交會(huì)對(duì)接，自身可以不具備自主交會(huì)對(duì)接能力，這樣可以使飛船結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，節(jié)約制造和發(fā)射成本，進(jìn)而減少空間站運(yùn)營(yíng)成本。

　　多年努力接續(xù)奮斗

　　成就空間大力神臂

　　天和機(jī)械臂被認(rèn)為是中國(guó)同類(lèi)航天產(chǎn)品中復(fù)雜度最高、規(guī)模最大、控制精度最高的空間智能機(jī)械系統(tǒng)，涉及任務(wù)規(guī)劃、系統(tǒng)控制、路徑規(guī)劃、視覺(jué)感知、末端執(zhí)行器、遙操作控制及地面試驗(yàn)驗(yàn)證等諸多關(guān)鍵技術(shù)。到目前為止，天和機(jī)械臂已初露崢嶸，小試牛刀便顯示出非凡的實(shí)力。

　　作為一項(xiàng)集多種尖端技術(shù)的高端航天裝備，天和機(jī)械臂當(dāng)然不是橫空出世，而是中國(guó)航天科技工作者多年奮斗的結(jié)晶。據(jù)中國(guó)空間技術(shù)研究院高級(jí)工程師李大明等曾撰文介紹，從2007年起，該院總體部就全面啟動(dòng)了空間站機(jī)械臂的研發(fā)工作，先后研制了空間站機(jī)械臂原理樣機(jī)和工程樣機(jī)并開(kāi)展了大量技術(shù)驗(yàn)證工作。

　　2013年7月，中國(guó)成功發(fā)射的試驗(yàn)七號(hào)衛(wèi)星裝備了一款空間機(jī)械臂。該機(jī)械臂由哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下研制。據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授劉宏介紹，該機(jī)械臂由6個(gè)完全相同的機(jī)電集成式空間智能旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了在軌捕獲等關(guān)鍵技術(shù)突破，獲得了重要試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2016年9月發(fā)射的天宮二號(hào)空間搭載了機(jī)械臂、機(jī)械手、手眼相機(jī)、控制器、全局相機(jī)、模擬維修單機(jī)等設(shè)備，在之后與神舟十一號(hào)形成組合體飛行期間，天宮二號(hào)成功完成了機(jī)械臂操作終端的人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)，圓滿完成了在軌辨識(shí)、招手、抓小球測(cè)試試驗(yàn)，并針對(duì)一臺(tái)單機(jī)的維修任務(wù)，成功實(shí)現(xiàn)旋擰電連接器、旋擰螺釘維修試驗(yàn)項(xiàng)目等，為中國(guó)后續(xù)空間站機(jī)械臂的研制和應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)和在軌數(shù)據(jù)。

　　在上述實(shí)踐的基礎(chǔ)上，相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)繼續(xù)在關(guān)鍵技術(shù)、原材料選用、制造工藝、適應(yīng)空間站環(huán)境的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)等方面實(shí)現(xiàn)突破和創(chuàng)新，并實(shí)現(xiàn)了核心零部件國(guó)產(chǎn)化，終于造就了中國(guó)空間站大力神臂。

　　中外空間站機(jī)械臂比較（鏈接）

　　國(guó)際上，最具代表性的空間站艙外機(jī)械臂是由加拿大和 NASA 聯(lián)合研制的艙外移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)，主要包括一個(gè)大型遙操作臂系統(tǒng)（SSRMS）（長(zhǎng)17.6米、7個(gè)自由度）、一個(gè)特殊用途的靈巧操作臂（SPDM）（長(zhǎng)3.5米、15個(gè)自由度）以及移動(dòng)基座。該系統(tǒng)初始安裝在“國(guó)際空間站”的美國(guó)艙段上。

　　“國(guó)際空間站”還配備了兩個(gè)大型空間艙外機(jī)器人系統(tǒng)分布安裝在俄羅斯艙和日本艙，即歐洲航天局研制的歐洲機(jī)械臂（ERA）（長(zhǎng)11.3米，7個(gè)自由度）和日本研制的實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)（JEMRMS）（長(zhǎng)9.9米，6個(gè)自由度，末端安裝一個(gè)2米長(zhǎng)的6個(gè)自由度小型靈巧機(jī)械臂）。

　　中國(guó)空間站核心艙機(jī)械臂具有7個(gè)自由度，臂長(zhǎng)10.2米。綜合對(duì)比可知，中國(guó)空間站核心艙機(jī)械臂各項(xiàng)指標(biāo)均與國(guó)際先進(jìn)水平相當(dāng)，其中承載能力、精度和速度等關(guān)鍵指標(biāo)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　摘自《空間站機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)研究》（李大明等）記者  張保淑