中國航天員近日成功進(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，真切呈現在億萬(wàn)觀(guān)眾的眼前，讓人們不僅體驗到九天之上回望藍色地球家園、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)識到中國空間站作為現代科技集大成者擁有的夢(mèng)幻裝備，特別是天和核心艙機械臂。

通過(guò)畫(huà)面人們看到，空間站天和核心艙機械臂穩穩地托舉著(zhù)航天員移動(dòng)至目標位置，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械臂的超強性能，感受到正在建設中的中國空間站十足的智能范兒。

巧妙設計七自由度

承載能力達廿五噸

天和核心艙機械臂簡(jiǎn)稱(chēng)天和機械臂，由于其初始安裝位置是在天和核心艙小柱段而得此名。據航天科技集團五院(中國空間技術(shù)研究院)空間站核心艙機械臂分系統主管設計師王儲介紹，該機械臂是一款模仿人類(lèi)手臂的七自由度機械臂。對“七自由度”，他解釋說(shuō)，天和機械臂的肩部設置了3個(gè)關(guān)節，肘部設置了1個(gè)關(guān)節，腕部設置了3個(gè)關(guān)節，一共7個(gè)關(guān)節，每個(gè)關(guān)節對應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)節的旋轉能夠實(shí)現前后左右，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械臂分為兩段。王儲從專(zhuān)業(yè)角度進(jìn)行了介紹，他說(shuō)，從結構上來(lái)看，天和機械臂由兩根臂桿組成，對應著(zhù)人體的大臂與小臂，兩根臂桿的展開(kāi)長(cháng)度為10.2米，可聯(lián)合動(dòng)作，單根臂桿也可獨立工作。天和機械臂配套了兩個(gè)末端執行器、一套視覺(jué)相機系統、一套總控制器。天和機械臂總重量不到800公斤，但其末端在軌最大承載能力可達25噸。

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

可進(jìn)行大范圍轉移

助力開(kāi)展出艙活動(dòng)

在中國空間站首次出艙活動(dòng)中，天和機械臂托舉航天員劉伯明到指定位置圓滿(mǎn)完成相關(guān)操作任務(wù)。據此，人們對其輔助航天員出艙活動(dòng)的應用有了一定程度認識，了解到天和機械臂是助力航天員實(shí)現安全、高效出艙活動(dòng)的重要設施。

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，是載人航天的一項關(guān)鍵技術(shù)，是載人航天工程在軌道上安裝大型設備、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗、施放衛星、檢查和維修航天器的重要手段。中國首次實(shí)施航天員出艙活動(dòng)是在2008年9月27日，神舟七號載人飛船乘組指令長(cháng)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星。

值得注意的是，天宮空間站組合體與神舟七號飛船相比，不僅規模要大得多，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，天和機械臂優(yōu)異的性能正好在此方面助一臂之力。據王儲介紹，天和機械臂末端可以對接腳限位器，航天員出艙后站在腳限位器上，機械臂就可以安全、平穩地將其送到目標位置，可以實(shí)現航天員的大范圍轉移，進(jìn)而為航天員執行艙外作業(yè)任務(wù)提供重要支撐作用。

實(shí)現表面自由爬行

承擔艙外巡檢任務(wù)

兩根臂桿的終端輪流附著(zhù)在空間站表面，靈巧地從空間站的一段爬到另一段，這是天和機械臂讓人們嘆為觀(guān)止的拿手絕活之一，而這得益于獨特的設計。王儲解釋說(shuō)，由于天和機械臂肩部和腕部關(guān)節配置相同，它們的活動(dòng)功能是一樣的，同時(shí)安裝上末端執行器以后，就可以對接艙體表面安裝的目標適配器，天和機械臂通過(guò)末端執行器與目標適配器的對接或分離，再配合各關(guān)節的協(xié)調運動(dòng)，就能實(shí)現在艙體上自由靈活地爬行和轉移。

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

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

作為備份轉位手段

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)驗證階段，之后將進(jìn)入在軌建造階段，屆時(shí)，問(wèn)天實(shí)驗艙和夢(mèng)天實(shí)驗艙將發(fā)射升空并與天和核心艙對接成“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)驗艙將無(wú)法直接與天和核心艙的側向停泊口對接，而是要先與其前向對接口對接，然后再轉位置至側向停泊口，對接為組合體。這無(wú)疑給空間站在軌建造帶來(lái)了難度和挑戰。

為了確保完成兩個(gè)實(shí)驗艙轉向對接任務(wù)，航天科技工作者準備了兩個(gè)互為備份的轉位手段，實(shí)現“雙保險”。王儲介紹說(shuō)，一方面，他們?yōu)閮蓚€(gè)實(shí)驗艙各自均配置了一個(gè)結構簡(jiǎn)單的小型轉位機械臂，專(zhuān)門(mén)用于幫助它們完成轉位，并實(shí)現轉移角度對接。另一方面，他們也賦予了天和機械臂實(shí)現實(shí)驗艙轉位并使其與天和核心艙對接的能力，成為完成該項重任的備份手段。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，天和機械臂的控制精度達到毫米級，完全可以保障實(shí)驗艙側面轉向并幫助其實(shí)施對接的要求。

天和機械臂既然有充足能力幫助實(shí)驗艙轉向并完成側面對接，當然也可以幫助載人飛船和貨運飛船與天宮空間站對接為組合體。隨著(zhù)空間站進(jìn)入常態(tài)運營(yíng)階段，飛船將定期或不定期到訪(fǎng)“天宮”，它們與空間站的交會(huì )對接將成為經(jīng)常性需求。因此有評論指出，飛船屆時(shí)將可以依靠天和機械臂完成交會(huì )對接，自身可以不具備自主交會(huì )對接能力，這樣可以使飛船結構更簡(jiǎn)單，節約制造和發(fā)射成本，進(jìn)而減少空間站運營(yíng)成本。

多年努力接續奮斗

成就空間大力神臂

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

作為一項集多種尖端技術(shù)的高端航天裝備，天和機械臂當然不是橫空出世，而是中國航天科技工作者多年奮斗的結晶。據中國空間技術(shù)研究院高級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)了空間站機械臂的研發(fā)工作，先后研制了空間站機械臂原理樣機和工程樣機并開(kāi)展了大量技術(shù)驗證工作。

2013年7月，中國成功發(fā)射的試驗七號衛星裝備了一款空間機械臂。該機械臂由哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國家“863”計劃支持下研制。據哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院教授劉宏介紹，該機械臂由6個(gè)完全相同的機電集成式空間智能旋轉關(guān)節構成，實(shí)現了在軌捕獲等關(guān)鍵技術(shù)突破，獲得了重要試驗數據。2016年9月發(fā)射的天宮二號空間搭載了機械臂、機械手、手眼相機、控制器、全局相機、模擬維修單機等設備，在之后與神舟十一號形成組合體飛行期間，天宮二號成功完成了機械臂操作終端的人機協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗任務(wù)，圓滿(mǎn)完成了在軌辨識、招手、抓小球測試試驗，并針對一臺單機的維修任務(wù)，成功實(shí)現旋擰電連接器、旋擰螺釘維修試驗項目等，為中國后續空間站機械臂的研制和應用積累經(jīng)驗和在軌數據。

在上述實(shí)踐的基礎上，相關(guān)科研團隊繼續在關(guān)鍵技術(shù)、原材料選用、制造工藝、適應空間站環(huán)境的長(cháng)壽命設計等方面實(shí)現突破和創(chuàng )新，并實(shí)現了核心零部件國產(chǎn)化，終于造就了中國空間站大力神臂。