太空中的“大力神臂”究竟有多厲害？

趙聰

7月4日，中國航天員劉伯明、湯洪波順利出艙，雄偉有力的空間站核心艙機械臂首次托舉航天員到指定位置圓滿完成出艙操作，首次檢驗了航天員與機械臂協(xié)同工作的能力，以及出艙活動相關(guān)支持設(shè)備的可靠性與安全性，為空間站后續(xù)出艙活動的順利實施奠定了重要基礎(chǔ)。這個充滿科技未來感的“變形金剛”，吸引了眾多網(wǎng)友的注意力。那么，太空中的“大力神臂”究竟厲害在哪兒？

機械臂“檔案”

七關(guān)節(jié)—空間站的“多面手”

空間站核心艙機械臂是我國首個可長期在太空軌道運行的機械臂，它由兩根臂桿組成，對應(yīng)著人體的大臂和小臂。兩根臂桿的展開長度可達10.2米，可實現(xiàn)聯(lián)合動作或單根臂桿的獨立工作。其肩部設(shè)置了3個關(guān)節(jié)，肘部設(shè)置了1個關(guān)節(jié)，腕部設(shè)置了3個關(guān)節(jié)，一共7個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)對應(yīng)一個自由度。

所謂“七自由度”，就是說它能像人的手臂一樣，具有七自由度的活動能力，通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自身前后左右任意角度與位置的抓取和操作，為航天員順利出艙“一展身手”提供強有力的保證。

可爬行—空間站上“任我行”

由于核心艙機械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的配置方案，肩部關(guān)節(jié)與腕部關(guān)節(jié)配置完全相同，兩端的活動功能一致;同時，機械臂的肩部與腕部各有一個末端執(zhí)行器，通過末端執(zhí)行器與艙體表面的目標適配器進行對接。而在空間站三大艙段外表面均配置了大量的適配器，機械臂通過與其對接和分離，同時配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運動，就能實現(xiàn)在空間站艙體表面自主爬行功能，能自行選擇合適的轉(zhuǎn)位基座，實現(xiàn)艙外爬行，實現(xiàn)自我移位和安裝。

不過，爬行過程中的電是從哪里來的呢？難道機械臂上還能自行攜帶充電寶嗎？這就得益于我們的末端執(zhí)行器，機械臂末端除可提供對接與分離的機械接口外，還配備供配電接口、通信接口和其他一系列的功能接口，這樣一來，只要末端與目標適配器固聯(lián)后，整條機械臂就能電力滿滿啦！

多個集成系統(tǒng)—“高智能機器人”

為實現(xiàn)整個機械臂的平穩(wěn)運行和精確定位，它便化身為一個高智能機器人：具有明亮的眼睛——視覺系統(tǒng);具有頭部和尾部——兩個末端執(zhí)行器;具有觸覺神經(jīng)——末端執(zhí)行器上面的多個傳感器。它們對各位置的信息交互起到連接和轉(zhuǎn)發(fā)的功能，對于機械臂關(guān)節(jié)和末端的靈活性和精準度起到至關(guān)重要的作用。而機械臂智慧的大腦——中央控制器，則作為機械臂管理系統(tǒng)的控制和通信樞紐，負責接收地面飛控人員的各種指令，迅速制定動作方案，進而控制機械臂精準地完成各種動作。

它所擁有的精確操作能力和視覺識別能力，既具有自主分析能力，也可以由航天員進行遙控。視覺監(jiān)視系統(tǒng)體現(xiàn)在機械臂的肩部、腕部、肘部各有1臺視覺相機;其中，肩部與腕部視覺相機能對艙外狀態(tài)進行監(jiān)視，并能對艙表狀態(tài)進行檢查，用來監(jiān)測空間碎片可能對艙外暴露的實驗載荷產(chǎn)生撞擊。因此，通過機械臂在艙體表面的爬行，配合視覺相機監(jiān)視，就如同空間站伸出了一個大大的自拍桿，實現(xiàn)了360度全覆蓋無死角的監(jiān)視，非常巧妙地實現(xiàn)了對空間站艙外設(shè)備的巡檢功能。

?中國“智”造—核心元件國產(chǎn)化

空間站機械臂作為目前我國同類航天產(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械系統(tǒng)，是中國航天事業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域之一。在機械臂研制過程中，科研團隊在關(guān)鍵技術(shù)、原材料選用、制造工藝、適應(yīng)空間站環(huán)境的長壽命設(shè)計等方面均作出了巨大的突破和創(chuàng)新，使我國成為世界上第三個掌握大型空間機械臂核心技術(shù)并應(yīng)用的國家，全部核心部件實現(xiàn)國產(chǎn)化，并形成了多項國家空間機器人行業(yè)標準，引領(lǐng)空間智能裝備的中國制造之路。

由于空間站組合體規(guī)模更加龐大，出艙作業(yè)量更加繁多，艙外作業(yè)難度更加艱巨，因此在空間站建造過程中，機械臂還將重任在肩，繼續(xù)承擔一系列在軌任務(wù)，助力中國“太空家園”早日建成。