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同工作的能力，以及出艙活動相關支持設備的可靠性與安全性，為空間站后續出艙活動的順利實施奠定了重要基礎。這個充滿科技未來感的“變形金剛”，吸引了眾多網友的注意力。那么，太空中的“大力神臂”究竟厲害在哪兒？

機械臂“檔案”

七關節—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，可實現聯合動作或單根臂桿的獨立工作。其肩部設置了3個關節，肘部設置了1個關節，腕部設置了3個關節，一共7個關節，每個關節對應一個自由度。

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，通過旋轉結構，能夠實現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，肩部關節與腕部關節配置完全相同，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行器，通過末端執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，同時配合各關節的聯合運動，就能實現在空間站艙體表面自主爬行功能，能自行選擇合適的轉位基座，實現艙外爬行，實現自我移位和安裝。

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后，整條機械臂就能電力滿滿啦！

多個集成系統—“高智能機器人”

為實現整個機械臂的平穩運行和精確定位，它便化身為一個高智能機器人：具有明亮的眼睛——視覺系統;具有頭部和尾部——兩個末端執行器;具有觸覺神經——末端執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發的功能，對于機械臂關節和末端的靈活性和精準度起到至關重要的作用。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。視覺監視系統體現在機械臂的肩部、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進行監視，并能對艙表狀態進行檢查，用來監測空間碎片可能對艙外暴露的實驗載荷產生撞擊。因此，通過機械臂在艙體表面的爬行，配合視覺相機監視，就如同空間站伸出了一個大大的自拍桿，實現了360度全覆蓋無死角的監視，非常巧妙地實現了對空間站艙外設備的巡檢功能。

?中國“智”造—核心元件國產化

空間站機械臂作為目前我國同類航天產品中復雜度最高、規模最大、控制精度最高的空間智能機械系統，是中國航天事業發展的新領域之一。在機械臂研制過程中，科研團隊在關鍵技術、原材料選用、制造工藝、適應空間站環境的長壽命設計等方面均作出了巨大的突破和創新，使我國成為世界上第三個掌握大型空間機械臂核心技術并應用的國家，全部核心部件實現國產化，并形成了多項國家空間機器人行業標準，引領空間智能裝備的中國制造之路。

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