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中国空间站未来建成后在轨运转效果图。
天和机械臂辅助航天员出舱活动表示图。
天和机械臂捕获悬停的航天器并辅佐其与空间站对接表示图。 本文配图均由航天科技集团提供 中国航天员近日胜利中止了初次空间站出舱活动，这一过程经过电视直播镜头，真切呈往常亿万观众的眼前，让人们不只体验到九天之上回望蓝色地球家园、注视苍茫太空的别样感动，而且领略到航天科技赋予人类探求太空的伟鼎力气，见识到中国空间站作为现代科技集大成者具有的梦境配备，特别是天和中心舱机械臂。 经过画面人们看到，空间站天和中心舱机械臂稳稳地托举着航天员移动至目的位置，那种灵活、轻盈的姿势让人不由联想到古老传说中徜徉宇宙间的飞天。经过媒体平台播出的有关部门制造的科普视频资料，人们能够全方位了解中心舱机械臂的超强性能，感遭到正在树立中的中国空间站十足的智能范儿。 巧妙设计七自由度 承载才干达廿五吨 天和中心舱机械臂简称天和机械臂，由于其初始装置位置是在天和中心舱小柱段而得此名。据航天科技集团五院(中国空间技术研讨院)空间站中心舱机械臂分系统主管设计师王储引见，该机械臂是一款模仿人类手臂的七自由度机械臂。对“七自由度”，他解释说，天和机械臂的肩部设置了3个关节，肘部设置了1个关节，腕部设置了3个关节，一共7个关节，每个关节对应1个自由度，就好像人类的手臂普通，具有7自由度的活动才干。经过各个关节的旋转能够完成前后左右，恣意角度与位置的抓取和操作。 经过画面，人们能够分明地看到天和机械臂分为两段。王储从专业角度中止了引见，他说，从结构上来看，天和机械臂由两根臂杆组成，对应着人体的大臂与小臂，两根臂杆的展开长度为10.2米，可分离动作，单根臂杆也可独立工作。天和机械臂配套了两个末端执行器、一套视觉相机系统、一套总控制器。天和机械臂总重量不到800公斤，但其末端在轨最大承载才干可达25吨。 这样的作业才干意味着什么呢？对此，王储解释说，假如把天和机械臂的承载才干换算成人的手臂，就相当于一个成年人能够仰仗一只胳膊抬起100公斤的重物。 可中止大范围转移 助力展开出舱活动 在中国空间站初次出舱活动中，天和机械臂托举航天员刘伯明到指定位置圆满完成相关操作任务。据此，人们对其辅助航天员出舱活动的应用有了一定水平认识，了解到天和机械臂是助力航天员完成保险、高效出舱活动的重要设备。 航天员出舱活动普通是指航天员分开载人航天器乘员舱，只身进入太空的活动，也被称作太空行走，是载人航天的一项关键技术，是载人航天工程在轨道上装置大型设备、中止科学实验、施放卫星、检查和维修航天器的重要伎俩。中国初次实施航天员出舱活动是在2008年9月27日，神舟七号载人飞船乘组指令长翟志刚与辅佐员刘伯明共同实施了太空行走并释放了伴飞卫星。 值得留意的是，天宫空间站组合体与神舟七号飞船相比，不只范围要大得多，而且展开出舱活动的作业量、作业频次、作业难度也大大增加。这就请求在保障作业保险的同时，进步出舱作业效率和作业才干，天和机械臂优秀的性能正好在此方面助一臂之力。据王储引见，天和机械臂末端能够对接脚限位器，航天员出舱后站在脚限位器上，机械臂就能够保险、平稳地将其送到目的位置，能够完成航天员的大范围转移，进而为航天员执行舱外作业任务提供重要支撑作用。 完成名义自由匍匐 承担舱外巡检任务 两根臂杆的终端轮番附着在空间站名义，灵巧地从空间站的一段爬到另一段，这是天和机械臂让人们叹为观止的拿手绝活之一，而这得益于共同的设计。王储解释说，由于天和机械臂肩部和腕部关节配置相同，它们的活动功用是一样的，同时装置上末端执行器以后，就能够对接舱体名义装置的目的适配器，天和机械臂经过末端执行器与目的适配器的对接或分别，再配合各关节的谐和运动，就能实往常舱体上自由灵活地匍匐和转移。 工作离不开能量，天和机械臂在匍匐和转移过程中的能量来自哪里呢？王储引见说，其电能是经过末端执行器源源不时取得的。在天和机械臂的末端，除了设置了能够提供对接与分别的机械接口、通讯接口等之外，还配有供电接口，只需末端与目的适配器互联，整条机械臂就能够取得电能供给。 空间站外名义配置了许多裸露的实验载荷，每时每刻都面临空间碎片撞击的风险，这就请求定期对空间站舱外与舱表状态中止检查、确认，这一重担就赋予了天和机械臂。为了完成好该项任务，天和机械臂的肘部、肩部、腕部各装有一台视觉相机，在舱体名义的匍匐转移过程中，配合视觉相机监视，就好像空间站伸出了一根长长的自拍杆，完成了360度全掩盖、无死角的监视，十分巧妙地完成了关于空间站舱外设备的巡检功用。 作为备份转位伎俩 展开在轨建造任务 目前，天宫空间站正处于关键技术考证阶段，之后将进入在轨建造阶段，届时，问天实验舱和梦天实验舱将发射升空并与天和中心舱对接成“T”字形组合体，最终完成空间站建造任务。但是受限于姿势控制的问题，上述两个实验舱将无法直接与天和中心舱的侧向停靠口对接，而是要先与其前向对接口对接，然后再转位置至侧向停靠口，对接为组合体。这无疑给空间站在轨建造带来了难度和应战。 为了确保完成两个实验舱转向对接任务，航天科技工作者准备了两个互为备份的转位伎俩，完成“双保险”。王储引见说，一方面，他们为两个实验舱各自均配置了一个结构简单的小型转位机械臂，特地用于辅佐它们完成转位，并完成转移角度对接。另一方面，他们也赋予了天和机械臂完成实验舱转位并使其与天和中心舱对接的才干，成为完成该项重担的备份伎俩。从技术上来说，天和机械臂的控制精度抵达毫米级，完整能够保障明验舱侧面转向并辅佐其实施对接的请求。 天和机械臂既然有充足才干辅佐实验舱转向并完成侧面对接，当然也能够辅佐载人飞船和货运飞船与天宫空间站对接为组合体。随着空间站进入常态运营阶段，飞船将定期或不定期到访“天宫”，它们与空间站的交会对接将成为经常性需求。因而有评论指出，飞船届时将能够依托天和机械臂完成交会对接，自身能够不具备自主交会对接才干，这样能够使飞船结构更简单，节约制造和发射成本，进而减少空间站运营成本。 多年努力继续斗争 成就空间鼎力神臂 天和机械臂被以为是中国同类航天产品中复杂度最高、范围最大、控制精度最高的空间智能机械系统，触及任务规划、系统控制、途径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及空中实验考证等诸多关键技术。到目前为止，天和机械臂已初露峥嵘，小试牛刀便显现出特殊的实力。 作为一项集多种尖端技术的高端航天配备，天和机械臂当然不是横空出世，而是中国航天科技工作者多年斗争的结晶。据中国空间技术研讨院高级工程师李大明等曾撰文引见，从2007年起，该院总体部就全面启动了空间站机械臂的研发工作，先后研制了空间站机械臂原理样机和工程样机并展开了大量技术考证工作。 2013年7月，中国胜利发射的实验七号卫星配备了一款空间机械臂。该机械臂由哈尔滨工业大学在国度“863”计划支持下研制。据哈尔滨工业大学机电工程学院教授刘宏引见，该机械臂由6个完整相同的机电集成式空间智能旋转关节构成，完成了在轨捕获等关键技术突破，取得了重要实验数据。2016年9月发射的天宫二号空间搭载了机械臂、机械手、手眼相机、控制器、全局相机、模仿维修单机等设备，在之后与神舟十一号构成组合体飞行期间，天宫二号胜利完成了机械臂操作终端的人机协同在轨维修技术实验任务，圆满完成了在轨辨识、招手、抓小球测试实验，并针对一台单机的维修任务，胜利完成旋拧电衔接器、旋拧螺钉维修实验项目等，为中国后续空间站机械臂的研制和应用积聚阅历和在轨数据。 在上述理论的基础上，相关科研团队继续在关键技术、原资料选用、制造工艺、顺应空间站环境的短命命设计等方面完成突破和创新，并完成了中心零部件国产化，终于培育了中国空间站鼎力神臂。 中外空间站机械臂比较(链接) 国际上，最具代表性的空间站舱外机械臂是由加拿大和NASA分离研制的舱外移动效劳系统，主要包含一个大型遥操作臂系统(SSRMS)(长17.6米、7个自由度)、一个特殊用处的灵巧操作臂(SPDM)(长3.5米、15个自由度)以及移动基座。该系统初始装置在“国际空间站”的美国舱段上。 “国际空间站”还配备了两个大型空间舱外机器人系统散布装置在俄罗斯舱和日本舱，即欧洲航天局研制的欧洲机械臂(ERA)(长11.3米，7个自由度)和日本研制的实验舱机械臂系统(JEMRMS)(长9.9米，6个自由度，末端装置一个2米长的6个自由度小型灵巧机械臂)。 中国空间站中心舱机械臂具有7个自由度，臂长10.2米。综合对比可知，中国空间站中心舱机械臂各项指标均与国际先进水平相当，其中承载才干、精度和速度等关键指标处于国际抢先水平。 摘自《空间站机械臂关键技术研讨》(李大明等) |
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