“天宫空间站天和核心舱入轨已一年有余,在两批神舟飞行乘组进行的4次航天员出舱活动中最吸引眼球的毫无疑问是核心舱上未来感十足的“大臂”—— “天和机械臂”。近日,随着问天实验舱发射成功,空间站“第二大机械臂”——“问天机械臂”正式上线了。

中国空间站机械臂是目前我国智能化程度最高、制造难度最大也是最复杂的空间智能制造系统。

天和机械臂

问天机械臂

天和机械臂和问天机械臂的主体结构均由两根臂杆组成,前者展开长度10.2 m,重约 700 kg,后者展开长度约5米,重量约350kg。二者均采用7自由度结构,肩部3个自由度,肘部1个自由度和腕部3个自由度。

1.7自由度,最似人手

普通的机械臂大多是6自由度结构。随着构型变换,看似灵活,却无法做到末端机构轨迹“精准”。而空间站机械臂采用7自由度结构,这样的机械臂更灵巧、精准,最完美地模仿了人手的机能。相较于“天和机械臂”,“问天机械臂”末端定位精度更高,位置精度优于“天和机械臂”5倍,姿态精度优于“天和机械臂”2倍,其运动精度也更高,可用于完成精度要求更高的科学载荷安装、拆卸等任务。保证机械臂动作精准,需对其“位姿特性”进行检测。就特性中比较重要的重复性指标来说,目前,国际先进工业机械臂的位姿重复性接近 0.04 mm。

2.爬行,自由自在

空间站机械臂的这种结构还实现了一个重要功能,就是在空间站舱段上自由爬行!一举解决了臂长对于操作范围的限制。科学家们将中国传统智慧木工工艺中的榫卯结构融入现代科技,“肩3+肘1+腕3”的关节配置,使得肩部和腕部关节配置相同,两端活动功能一样。这样,通过末端执行器与目标适配器对接或分离,并配合各关节联合运动,空间站机械臂自由地“爬”了起来。细分“天和机械臂”与“问天机械臂”的不同之处,前者的对接机构是撞针式,而后者是三指捕获式。在与目标适配器对接时,三指捕获式的冲击力更小,对载荷的抗冲击性能要求小。

3.小马拉大车

“天和机械臂”自重 738 kg,却能带动25t的载荷,相当于一头驼鹿拉动一台重型大巴车。即使是较小的“问天机械臂”也可以350 kg的自重带动3t的载荷。

虽然,太空失重环境下,一个很小的力即可推动物体。但是,推拉中物体的速度和惯性仍会随其质量增大而增大,所需的承载能力也越大。因此,“天和机械臂”承载 25t,说明我国在高精度伺服控制技术等方面实现了巨大突破。

目前,25t的承载能力已远超欧洲和日本的空间站机械臂,仅次于国际空间站上的加拿大臂2号。在这里,载荷的单位是吨(t)。

4.双臂强强联手,优势互补

“尺有所长,寸有所短”,“天和机械臂”臂长大、承载能力强,“问天机械臂”位姿精度高、对接的冲击力小。通过双臂组合转接件将“天和机械臂”与“问天机械臂”级联组合,优势互补,形成展开长度可达15米的机械臂组合体,由“天和机械臂”负责机械臂组合体的大范围转移,抵达目标区域后,再由“问天机械臂”进行精细操作,不仅能实现空间站外表面的全触达,还能进行货物的跨舱转移。

此外,“天和机械臂”与“问天机械臂”还可以强强联手,协同使用,互巡互检,对机械臂自身状态进行检查,从而提高机械臂系统的可靠性。空间站的机械臂凝聚着我国科研人员心血和汗水,体现了我国强大的制造技术综合实力。