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自由度|十年研发，造就天和核心舱“大力神臂”，七个自由度完美模仿人类手臂运动

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自由度|十年研发，造就天和核心舱“大力神臂”，七个自由度完美模仿人类手臂运动
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图片来源：视觉中国
今天（4月29日）中午11时23分 ， 中国空间站“天和”核心舱由长征五号B遥二运载火箭发射升空 。 “天宫”被称为我国21世纪最大航天器 ， “天和”核心舱的发射 ， 将开启我国载人航天活动的又一个高峰期 。
从2009年起 ， 中国电科21所（下称“21所”）就开始为航天配套研制载人三期天和舱空间机械臂空间驱动组件、高精度位置传感器等机械臂核心部件以及空间站任务其他相关配套电机 。
从模样、初样、初样鉴定件、正样——产品研制经历四个阶段 ， 耗时10年 ， 贯穿整个载人航天三期任务 ， 最终完成正样11个品种共上百台产品交付 ， 见证了我国载人三期向空间站建设迈进的历程 。
太空“大力神臂”可在太空抓取物体
“天和”核心舱外有一对大型机械臂 ， 为我国首个具有七个自由度的机械臂 ， 从而在太空可以实现类似人类手臂的运动能力 ， 工作时最长长度可达18米左右、直径约4米左右 ， 可以在太空抓取物体 ， 方便设备的对接、安装、变轨、分离等操作 。
七个自由度意味着什么？据21所专家介绍 ， 这是对人类手臂的最真实还原 。 核心舱机械臂通过末端执行器与目标适配器之间的对接与分离 ， 类似于木工常用的榫卯结构 ， 可实现舱体爬行功能 ， 以一种类似蠕虫的运动方式移动到空间站的许多部分 ， 进而在更大范围触达空间站各舱体外表面 。
“七个关节驱动组件及高精度位置传感器是实现机械臂运动、精确定位的执行机构 ， 作为机械臂的核心部件 ， 需具备小体积、大转矩输出 ， 待机械臂运行到指定位置后 ， 可实现定位锁定功能 ， 从而使机械臂固定在相应位置 ， 以及到位锁定后由末端执行驱动组件实现目标捕获及抓取的功能 。 ”21所相关工作人员介绍 。
21所研发人员突破了空间机械臂核心部件小型化设计技术、空间电磁制动器无粉尘结构设计技术、长寿命空间运动部件润滑技术等关键技术难题 ， 为我国空间机械臂提供了高可靠的核心部件 。 核心部件也因此于2020年获得了国防科学技术进步二等奖 。
为宇航员舱内日常生活提供有效保障
“天和”核心舱由生活控制舱、资源舱、节点舱三个部分构成 ， 在太空为宇航员和科学家提供居住和科研环境 ， 支持人员长期驻留 ， 可以对接货运与载人飞船 。
环境控制与生命保障系统是空间站天和舱十分重要又相当复杂的系统 ， 直接关系到航天员身体健康和生命安全 ， 也关系到此次航天任务能否圆满完成 。 21所新研的某款步进电动机主要用于天和舱环控生保分系统泵组件机构 ， 是确保环控生保分系统中整个水处理循环系统正常运行的重要件 ， 对宇航员生活用水起着至关重要的作用 。
【自由度|十年研发，造就天和核心舱“大力神臂”，七个自由度完美模仿人类手臂运动】该电机安装在宇航员生活居住的环境中 ， 最大的难点就是在保证水处理循环系统正常工作的同时 ， 还要保持噪声控制 ， 不能对宇航员的日常生活造成影响 。 尽管在测试中噪声未超标 ， 但研发人员还是本着“以人为本”的原则 ， 尽可能降低噪声 。 通过与某声学研究所进行沟通合作 ， 对噪音进行声学溯源 ， 通过技术调研、仿真分析与实验验证 ， 并在几个关键时间节点上加班加点 ， 硬是在一个月内抢出时间 ， 啃下了这块“硬骨头” 。

自由度|十年研发，造就天和核心舱“大力神臂”，七个自由度完美模仿人类手臂运动
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为科学实验任务的正常实施提供便利
继“天和”核心舱之后 ， 今年我国还将发射 “天舟”货运飞船、“神舟”载人飞船各两艘 ， 为空间站核心舱送去两个乘组和大量物资 。 明年 ， 我国还将发射“问天”和“梦天”两个实验舱 ， 完成与“天和”核心舱对接 ， 并再发射“天舟”货运飞船、“神舟”载人飞船各两艘 ， 继续为空间站送去乘组和物资 ， 最终完成中国第一座空间站“天宫”的建造 。
这样繁复的科学任务 ， 需要从一开始就打下扎实的基础 ， 作为大型机械系统中“肌肉”和“神经末梢”的电机发挥着关键作用 。
相机相当于空间站在茫茫太空中的“眼睛” ， 在空间站天和舱机械臂相机云台上 ， 有两款新研混合式步进电动机构成的驱动机构 ， 其中一款电机用于纠正飞行器航道的偏航功能 ， 另一款用于控制相机机位进行拍摄角度选取的俯仰功能 。

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作者：沈湫莎
图片：除注明外为21所提供
责任编辑：任荃

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