中國空間站將來建成后在軌運行效果圖。

天和機械臂輔助航天員出艙活動示意圖。

天和機械臂捕獲懸停的航天器并協助其與空間站對接示意圖。

本文配圖均由航天科技集團提供

中國航天員近日成功進行了首次空間站出艙活動，這一過程通過電視直播鏡頭，真切呈現在億萬觀眾的眼前，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，而且領略到航天科技賦予人類探索太空的偉大力量，見識到中國空間站作為現代科技集大成者擁有的夢幻裝備，特別是天和核心艙機械臂。

通過畫面人們看到，空間站天和核心艙機械臂穩穩地托舉著航天員移動至目標位置，那種靈活、輕盈的姿態讓人不禁聯想到古老傳說中徜徉宇宙間的飛天。通過媒體平臺播出的有關部門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稱天和機械臂，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手臂的七自由度機械臂。對“七自由度”，他解釋說，天和機械臂的肩部設置了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1個自由度，就如同人類的手臂一般，具有7自由度的活動能力。通過各個關節的旋轉能夠實現前后左右，任意角度與位置的抓取和操作。

通過畫面，人們可以清楚地看到天和機械臂分為兩段。王儲從專業角度進行了介紹，他說，從結構上來看，天和機械臂由兩根臂桿組成，對應著人體的大臂與小臂，兩根臂桿的展開長度為10.2米，可聯合動作，單根臂桿也可獨立工作。天和機械臂配套了兩個末端執行器、一套視覺相機系統、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。

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

可進行大范圍轉移

助力開展出艙活動

在中國空間站首次出艙活動中，天和機械臂托舉航天員劉伯明到指定位置圓滿完成相關操作任務。據此，人們對其輔助航天員出艙活動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現安全、高效出艙活動的重要設施。

航天員出艙活動一般是指航天員離開載人航天器乘員艙，只身進入太空的活動，也被稱作太空行走，是載人航天的一項關鍵技術，是載人航天工程在軌道上安裝大型設備、進行科學實驗、施放衛星、檢查和維修航天器的重要手段。中國首次實施航天員出艙活動是在2008年9月27日，神舟七號載人飛船乘組指令長翟志剛與協助員劉伯明共同實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，而且開展出艙活動的作業量、作業頻次、作業難度也大大增加。這就要求在保障作業安全的同時，提高出艙作業效率和作業能力，天和機械臂優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，可以實現航天員的大范圍轉移，進而為航天員執行艙外作業任務提供重要支撐作用。

實現表面自由爬行

承擔艙外巡檢任務

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，這是天和機械臂讓人們嘆為觀止的拿手絕活之一，而這得益于獨特的設計。王儲解釋說，由于天和機械臂肩部和腕部關節配置相同，它們的活動功能是一樣的，同時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，天和機械臂通過末端執行器與目標適配器的對接或分離，再配合各關節的協調運動，就能實現在艙體上自由靈活地爬行和轉移。

工作離不開能量，天和機械臂在爬行和轉移過程中的能量來自哪里呢？王儲介紹說，其電能是通過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，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驗載荷，每時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進行檢查、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相機，在艙體表面的爬行轉移過程中，配合視覺相機監視，就如同空間站伸出了一根長長的自拍桿，實現了360度全覆蓋、無死角的監視，非常巧妙地實現了對于空間站艙外設備的巡檢功能。

作為備份轉位手段

開展在軌建造任務

目前，天宮空間站正處于關鍵技術驗證階段，之后將進入在軌建造階段，屆時，問天實驗艙和夢天實驗艙將發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。但是受限于姿態控制的問題，上述兩個實驗艙將無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。這無疑給空間站在軌建造帶來了難度和挑戰。

為了確保完成兩個實驗艙轉向對接任務，航天科技工作者準備了兩個互為備份的轉位手段，實現“雙保險”。王儲介紹說，一方面，他們為兩個實驗艙各自均配置了一個結構簡單的小型轉位機械臂，專門用于幫助它們完成轉位，并實現轉移角度對接。另一方面，他們也賦予了天和機械臂實現實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。從技術上來說，天和機械臂的控制精度達到毫米級，完全可以保障實驗艙側面轉向并幫助其實施對接的要求。

天和機械臂既然有充足能力幫助實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。隨著空間站進入常態運營階段，飛船將定期或不定期到訪“天宮”，它們與空間站的交會對接將成為經常性需求。因此有評論指出，飛船屆時將可以依靠天和機械臂完成交會對接，自身可以不具備自主交會對接能力，這樣可以使飛船結構更簡單，節約制造和發射成本，進而減少空間站運營成本。

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，涉及任務規劃、系統控制、路徑規劃、視覺感知、末端執行器、遙操作控制及地面試驗驗證等諸多關鍵技術。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力。

作為一項集多種尖端技術的高端航天裝備，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了空間站機械臂的研發工作，先后研制了空間站機械臂原理樣機和工程樣機并開展了大量技術驗證工作。

2013年7月，中國成功發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大學在國家“863”計劃支持下研制。據哈爾濱工業大學機電工程學院教授劉宏介紹，該機械臂由6個完全相同的機電集成式空間智能旋轉關節構成，實現了在軌捕獲等關鍵技術突破，獲得了重要試驗數據。2016年9月發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同在軌維修技術試驗任務，圓滿完成了在軌辨識、招手、抓小球測試試驗，并針對一臺單機的維修任務，成功實現旋擰電連接器、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驗和在軌數據。

在上述實踐的基礎上，相關科研團隊繼續在關鍵技術、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實現突破和創新，并實現了核心零部件國產化，終于造就了中國空間站大力神臂。

中外空間站機械臂比較（鏈接）

國際上，最具代表性的空間站艙外機械臂是由加拿大和 NASA 聯合研制的艙外移動服務系統，主要包括一個大型遙操作臂系統（SSRMS）（長17.6米、7個自由度）、一個特殊用途的靈巧操作臂（SPDM）（長3.5米、15個自由度）以及移動基座。該系統初始安裝在“國際空間站”的美國艙段上。

“國際空間站”還配備了兩個大型空間艙外機器人系統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械臂（ERA）（長11.3米，7個自由度）和日本研制的實驗艙機械臂系統（JEMRMS）（長9.9米，6個自由度，末端安裝一個2米長的6個自由度小型靈巧機械臂）。

中國空間站核心艙機械臂具有7個自由度，臂長10.2米。綜合對比可知，中國空間站核心艙機械臂各項指標均與國際先進水平相當，其中承載能力、精度和速度等關鍵指標處于國際領先水平。

摘自《空間站機械臂關鍵技術研究》（李大明等） 

《人民日報海外版》（ 2021年07月22日 第 09 版）

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