中国“援助之手”惊艳太空

近日，中国航天员成功进行了首次空间站出舱活动。这一过程通过电视直播镜头真实呈现给了亿万观众，让人们不仅体验到了9天前回望蓝色地球家园、凝望无垠太空的不同感受，更领略到了空间科技赋予人类探索太空的巨大力量，看到了中国空间站作为现代科技大师所拥有的梦想装备，尤其是天河核心舱的机械臂。

通过图片，人们可以看到空间站和核心舱的机械臂牢牢地托住宇航员向目标位置移动，灵活轻盈的姿态让人联想到宇宙飞行的古老传说。通过媒体平台播出的相关部门制作的科普视频，人们可以充分了解核心舱机械手的超强性能，感受正在建设中的中国空间站的全智能。

巧妙设计七个自由度

载重量25吨

天河核心舱机械臂简称天河机械臂，因其初始安装位置在天河核心舱小柱段而得名。据航天科技集团五院(中国空间技术研究院)空间站核心舱机械臂分系统负责人皇太子介绍，这种机械臂是一种模仿人类手臂的七自由度机械臂。关于“七自由度”，他解释说，天河机械臂肩部有三个关节，肘部有一个关节，手腕有三个关节，共七个关节，每个关节对应一个自由度，就像人的手臂一样，具有七个自由度的机动性。通过每个关节的旋转，我们可以在任何角度和位置进行抓取和操作。

通过图片，人们可以清楚地看到，天河机器人手臂分为两段。王储从专业的角度介绍了它。他说，从结构上看，天河机械臂由两臂组成，分别对应人体的大臂和小臂。两臂长10.2米，可以共同作用，单臂可以独立工作。天河机械臂配备了两个末端执行器、一套视觉摄像系统和一套总控制器。天河机械手总重量不到800公斤，但其末端在轨最大运载能力可达25吨。

这种能力意味着什么？对此，王储解释说，如果把天河机械臂的承载能力换算成成年人的手臂，相当于一个成年人用一只手臂举起100公斤的重物。

大规模转移是可能的

帮助开展出境活动

在中国空间站首次出舱活动中，天河机械臂将航天员刘伯明抬至指定位置，顺利完成相关作业任务。因此，人们对其在辅助航天员出舱方面的应用有一定的了解，知道天河机械臂是帮助航天员实现安全高效出舱活动的重要设施。

航天员出舱活动一般是指航天员离开载人飞船的乘员舱单独进入太空的活动，也称太空行走。在轨道上安装大型设备、进行科学实验、铸造卫星、检查和维修航天器，是载人航天的关键技术，也是载人航天工程的重要手段。中国首次航天员出舱活动于2008年9月27日进行。神舟七号载人飞船乘务长翟志刚和助手刘伯明共同进行了太空行走并释放了随行卫星。

值得注意的是，与神舟七号飞船相比，天宫空间站组合不仅规模大得多，而且大大增加了出站活动的数量、频率和操作难度。所以要求在保证作业安全的同时，提高出库作业的效率和能力，而天河机械臂的优异性能恰恰在这方面有所帮助。据皇太子介绍，天河的机械臂末端可以与限足器对接。当航天员出舱后站在脚限位器上，机械臂可以安全平稳地将其送到目标位置，可以真实

两臂的末端依次附着在空间站的表面，灵巧地从空间站的一部分攀爬到另一部分。这是天河机械臂的惊人技能之一，得益于其独特的设计。皇太子解释说，由于天河机械臂的肩腕关节配置相同，所以它们的运动功能是相同的。同时，末端执行器安装后，可以对接安装在舱面上的目标适配器。天河机械臂通过末端执行器与目标适配器的对接或分离，配合各关节的协调运动，可以在舱内自由灵活地爬行和转移。

工作离不开能量。天河机械臂在爬行和转移过程中的能量来自哪里？王储说，它的电能是通过末端执行器不断获得的。除了可以提供对接和分离的机械接口和通讯接口外，天河机械手的末端还配备了电源接口。只要末端与目标适配器互联，整个机械手就能获得供电。

空间站外表面有大量暴露的实验载荷，始终面临空间碎片撞击的危险。这就需要定期检查和确认外太空和空间站表面的状态，而这个重要的任务就交给了天河机械臂。为了完成这一任务，天河机械臂的肘部、肩部和腕部都配备了视觉摄像头。在舱面爬行和转移的过程中，就像是从空间站延伸出来的一根长长的自拍杆，实现了360度全覆盖、无死角监控，非常巧妙地实现了空间站外设备的巡检功能。

作为备份索引的一种方式

执行在轨建造任务

目前天宫空间站正处于关键技术验证阶段，接下来将进入在轨建造阶段。届时，Q-Day实验舱、蒙恬实验舱将与天河核心舱发射对接，形成“T”形组合，最终完成空间站建设任务。但由于姿态控制的问题，上述两个实验舱不能直接与天河核心舱的侧向靠泊口对接，而应先与其前向靠泊口对接，再作为组合转移到侧向靠泊口对接。这无疑给空间站在轨建设带来了困难和挑战。

为确保完成两个实验舱的转弯对接任务，航天科技人员准备了两种互为备份的换位手段，实现了“双保险”。王储说，一方面，他们为两个实验舱各配备了一个结构简单的小型分度机械臂，专门用来帮助他们完成分度，实现转移角度的对接。另一方面，他们还给了天河机械臂，实现了实验舱的换位并使之

其与天和核心舱对接的能力，成为完成该项重任的备份手段。从技术上来说，天和机械臂的控制精度达到毫米级，完全可以保障实验舱侧面转向并帮助其实施对接的要求。

天和机械臂既然有充足能力帮助实验舱转向并完成侧面对接，当然也可以帮助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。因此有评论指出，飞船届时将可以依靠天和机械臂完成交会对接，自身可以不具备自主交会对接能力，这样可以使飞船结构更简单，节约制造和发射成本，进而减少空间站运营成本。

多年努力接续奋斗

成就空间大力神臂

天和机械臂被认为是中国同类航天产品中复杂度最高、规模最大、控制精度最高的空间智能机械系统，涉及任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证等诸多关键技术。到目前为止，天和机械臂已初露峥嵘，小试牛刀便显示出非凡的实力。

作为一项集多种尖端技术的高端航天装备，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奋斗的结晶。据中国空间技术研究院高级工程师李大明等曾撰文介绍，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开展了大量技术验证工作。

2013年7月，中国成功发射的试验七号卫星装备了一款空间机械臂。该机械臂由哈尔滨工业大学在国家“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介绍，该机械臂由6个完全相同的机电集成式空间智能旋转关节构成，实现了在轨捕获等关键技术突破，获得了重要试验数据。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、模拟维修单机等设备，在之后与神舟十一号形成组合体飞行期间，天宫二号成功完成了机械臂操作终端的人机协同在轨维修技术试验任务，圆满完成了在轨辨识、招手、抓小球测试试验，并针对一台单机的维修任务，成功实现旋拧电连接器、旋拧螺钉维修试验项目等，为中国后续空间站机械臂的研制和应用积累经验和在轨数据。

在上述实践的基础上，相关科研团队继续在关键技术、原材料选用、制造工艺、适应空间站环境的长寿命设计等方面实现突破和创新，并实现了核心零部件国产化，终于造就了中国空间站大力神臂。

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 联合研制的舱外移动服务系统，主要包括一个大型遥操作臂系统（SSRMS）（长17.6米、7个自由度）、一个特殊用途的灵巧操作臂（SPDM）（长3.5米、15个自由度）以及移动基座。该系统初始安装在“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分布安装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，末端安装一个2米长的6个自由度小型灵巧机械臂）。

中国空间站核心舱机械臂具有7个自由度，臂长10.2米。综合对比可知，中国空间站核心舱机械臂各项指标均与国际先进水平相当，其中承载能力、精度和速度等关键指标处于国际领先水平。