8月20日，由中國航天科技集團(tuán)有限公司五院總體設(shè)計部抓總研制的中國空間站核心艙機(jī)械臂，再次托舉航天員出艙操作，雄偉有力的“中國臂”再次炫舞太空。

這個讓國人自豪的空間站機(jī)械臂是怎樣誕生的？有著怎樣的研制故事？讓我們走進(jìn)總體設(shè)計部空間機(jī)器人團(tuán)隊，一起揭秘“中國擎天巨臂”。

空間機(jī)器人團(tuán)隊是一支學(xué)科配置齊全、專業(yè)交叉互補(bǔ)、梯隊結(jié)構(gòu)合理、兼具工程研制能力與科學(xué)研究能力的空間機(jī)器人創(chuàng)新團(tuán)隊。近年來，團(tuán)隊承擔(dān)并完成了嫦娥五號表取采樣機(jī)械臂、空間站核心艙機(jī)械臂、祝融號火星車的技術(shù)抓總及核心分系統(tǒng)與產(chǎn)品研制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了無人條件下月球表層指定區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)樣品的自主采集與封裝、載人航天三期工程空間站大型機(jī)械臂在軌應(yīng)用、首次火星表面移動巡視探測等重大工程目標(biāo)，為國家重大專項工程建設(shè)作出了重大貢獻(xiàn)，并取得了顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

一腔熱血攬月土，十載青春終不負(fù)

探月，很難；采樣返回，極難。

盡管所有人都做好了心理準(zhǔn)備，月表采樣這支隊伍會遇到不少磨練，但沒有人會想到，從立項到最終發(fā)射這一磨就是10年。

2010年正式立項的嫦娥五號任務(wù)，亮點(diǎn)之一是表取機(jī)械臂子系統(tǒng)。它能夠實(shí)現(xiàn)月球表面無人自主采樣、樣品轉(zhuǎn)移和封裝。采樣時，表取采樣機(jī)械臂進(jìn)行智能采樣，獲取到足夠的月壤后，初級封裝裝置智能完成月壤封裝，并通過機(jī)械臂抓取、轉(zhuǎn)移至上升器，將月壤帶回地球。

10年間，主任設(shè)計師帶領(lǐng)型號研制團(tuán)隊艱苦攻關(guān)，從功能性能需求分析入手，系統(tǒng)論證、指標(biāo)分解、仿真分析、測試驗(yàn)證，一輪一輪推導(dǎo)反演，一輪一輪迭代優(yōu)化。表取機(jī)械臂子系統(tǒng)實(shí)質(zhì)就是一個智能機(jī)器人系統(tǒng)，需要結(jié)合機(jī)械、力學(xué)、控制、視覺、信息等多學(xué)科領(lǐng)域，才能獲取系統(tǒng)最優(yōu)的結(jié)果。而這，需要創(chuàng)新思路和創(chuàng)新途徑，才能解決傳統(tǒng)單一學(xué)科領(lǐng)域無法解決的一系列問題。

壓力空前，重責(zé)在肩。月亮是研制期間型號隊伍朋友圈經(jīng)常出現(xiàn)的元素，陪伴整個項目團(tuán)隊的經(jīng)常是高懸在夜空的月亮。那并不明亮、卻足以照亮星空的月光陪伴著大家匆匆的步伐，陪伴著家人略顯孤寂的等待，也陪伴著他們追尋科學(xué)真理的探索。

十年磨一“臂”。在表取機(jī)械臂子系統(tǒng)研制過程中，項目團(tuán)隊先后攻克了月面無人自主采樣與樣品抓取轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵技術(shù)。最終，表取機(jī)械臂子系統(tǒng)所有功能性能全部滿足要求，圓滿交付總體；且經(jīng)對標(biāo)，系統(tǒng)整體技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分關(guān)鍵指標(biāo)國際領(lǐng)先。

用32.48公斤的子系統(tǒng)去承擔(dān)整器（8.2噸）的關(guān)鍵任務(wù)之一，不能不說是“勇敢者的游戲”。而圓滿的表取采樣結(jié)果向世人證明了，中國人有能力用自主知識產(chǎn)權(quán)完成在另一顆星體表面的無人自主采樣操作。2020年12月2日至3日凌晨，在項目團(tuán)隊緊張的注視下，表取機(jī)械臂子系統(tǒng)穩(wěn)穩(wěn)地將整個采樣環(huán)節(jié)執(zhí)行得分毫不差、絲絲相扣，圓滿完成了表取采樣、封裝和轉(zhuǎn)移任務(wù)，不負(fù)祖國和人民的期待。

嫦娥五號帶回的這一掬月土，凝聚和寄托了無數(shù)中國人的期望與夢想。但為了這份期望和夢想成真，團(tuán)隊足足等了3年多。自2017年驗(yàn)收完成、交付總體，由于長征五號運(yùn)載火箭的研制進(jìn)展并不順利，嫦娥五號只能貯存等待。整個月表采樣任務(wù)團(tuán)隊陷入了沉寂。

面對現(xiàn)實(shí)，團(tuán)隊主動集中研討，互相鼓勵，互相疏導(dǎo)，及時將盼望任務(wù)成功的焦急心情轉(zhuǎn)化為保障任務(wù)成功的堅定決心。文件復(fù)查、模型復(fù)查、仿真復(fù)查、數(shù)據(jù)復(fù)查，腦海里萬千遍模擬的任務(wù)演練，操作中不斷熟悉的故障預(yù)案……整個團(tuán)隊都在用忙碌而扎實(shí)的日常工作填滿漫長的等待，用仰望月空的寧靜舒緩枯燥繁多的發(fā)射前準(zhǔn)備。

終于，2020年，長征五號遙五火箭整裝待發(fā)。兩天工作任務(wù)，月面多點(diǎn)采樣、樣品轉(zhuǎn)移等一連串動作按預(yù)定方案有條不紊地執(zhí)行，團(tuán)隊成員的心也愈發(fā)激動。

自動采樣是子系統(tǒng)乃至嫦娥五號任務(wù)的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在超過100攝氏度的月面高溫環(huán)境下，子系統(tǒng)克服了測控、光照、電源等方面的條件約束，依托精心研制的表采機(jī)械臂及末端采樣機(jī)構(gòu)，完美實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)、自動化采樣。直到月球樣品圓滿完成封裝，整個項目團(tuán)隊才真正放下心來，大家歡呼雀躍地相互擁抱祝賀。

蝴蝶翩躚起舞，遨游紅色星球

2014年10月，五院啟動了火星探測器研制工作，計劃一次實(shí)現(xiàn)對火星“繞、落、巡”的探測任務(wù)。其中，火星車成為耀眼的明星。當(dāng)時，人類成功在火星行駛的巡視器只有美國4輛火星車，但卻在軌相繼發(fā)生了車輪破損、車輪沉陷脫困困難、松軟坡道爬坡困難、車體托底等問題，火星表面惡劣的地形也給產(chǎn)品設(shè)計帶來了極大的難度。

火星車在研制之初就面臨著諸多困難。首先要解決美國火星車在軌發(fā)生的所有問題，尤其是車輪沉陷、沙地爬坡困難、車輪破損這3個重大在軌問題，它們是造成火星車無法繼續(xù)行駛的致命故障。

其次，這是世界上首次采用主動懸架的星球車，基于搖臂結(jié)構(gòu)的主動懸架移動機(jī)構(gòu)，在世界上都沒有成功應(yīng)用的先例，主動懸架將帶來多少問題、造成什么困難都需要不斷探索和研究。

最后，火星車重量要求極為苛刻，相比于美國火星車，我們的機(jī)構(gòu)數(shù)量明顯增多，但是移動系統(tǒng)與整車重量占比卻優(yōu)于美國火星車。

為了驗(yàn)證我國火星車是否能夠應(yīng)對美國火星車在軌遇到的各類問題，團(tuán)隊開展了大量極為苛刻的地面研制試驗(yàn)。

在車輪沉陷方面，美國火星車沉陷脫困往往都需要花費(fèi)十幾天甚至幾個月，2輪沉陷就會造成永遠(yuǎn)無法脫困。項目團(tuán)隊試驗(yàn)了將6個車輪全部埋入土壤、車體完全著地的極端惡劣工況，并且找到了解決辦法，火星車?yán)弥鲃討壹苁畮追昼娋湍茼樌摾я傠x。在爬坡能力驗(yàn)證中，團(tuán)隊設(shè)計了6種智能爬坡方案，松軟坡道爬坡能力從國外的15度提高到27度。在應(yīng)對車輪破損方面，國際上首次采用高強(qiáng)度、輕量化、高硬度的某型材料，一體化加工成型，輪胎表面單點(diǎn)承載能力超過1000牛，輪齒單點(diǎn)承載能力也超過1000牛，相對于給1個車輪底部或輪齒上放個釘子，就能舉起整個火星車。

研制團(tuán)隊創(chuàng)造性地提出了搖臂主動懸架的設(shè)計概念，同時又采用了6輪轉(zhuǎn)向，火星車一下子變得靈活了很多，能夠?qū)崿F(xiàn)很多以往星球車不具備的功能：可以實(shí)現(xiàn)車體升降，再也不怕托底；可以實(shí)現(xiàn)蠕動前進(jìn)，解決車輪沉陷、松軟坡道爬坡困難的難題；具備六輪轉(zhuǎn)向“蟹行”功能，應(yīng)對復(fù)雜地形更加從容；車輪故障，可抬輪行駛，移動能力基本不變。

新的技術(shù)也帶來了很多新的問題，包括車體升降如何保持水平、顛簸路面懸架如何牢牢鎖定、抬輪過程車輪負(fù)載成倍增加等各類問題。設(shè)計團(tuán)隊通過精準(zhǔn)的仿真分析、全面深入地試驗(yàn)驗(yàn)證，確保每一個問題都得到完美解決，產(chǎn)品設(shè)計萬無一失。

團(tuán)隊在研制過程中，精益求精，追求卓越，雖然應(yīng)用了大量創(chuàng)新和減重設(shè)計措施，但是對高可靠性的要求沒有放松，從設(shè)計到地面驗(yàn)證更是嚴(yán)上加嚴(yán)。大家常說，“在軌需要1分力，產(chǎn)品設(shè)計保證10分力，摸底試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到20分力?！币曰鹦擒囈苿域?qū)動能力為例，在真空高低溫下測試，火星車只需要付出20%的功力，牽引力就能達(dá)到自身重量的3倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計要求。

炫舞璀璨太空，擎起中國脊梁

空間站核心艙機(jī)械臂是目前同類航天產(chǎn)品中復(fù)雜度最高、規(guī)模最大、控制精度最高的空間智能機(jī)械系統(tǒng)，主要承擔(dān)艙段轉(zhuǎn)位、航天員出艙活動、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查、艙外大型設(shè)備維護(hù)等八大類在軌任務(wù)。其中，核心艙機(jī)械臂展開長度為10.2米，最多能承載25噸的重量，是空間站型號任務(wù)中融合了機(jī)、電、熱、控制、光學(xué)等多個專業(yè)的“大力士”。

空間站核心艙機(jī)械臂是一款模仿人類手臂的七自由度機(jī)械臂。核心艙機(jī)械臂的肩部設(shè)置了3個關(guān)節(jié)、肘部1個關(guān)節(jié)、腕部3個關(guān)節(jié)，一共7個關(guān)節(jié)。每一個關(guān)節(jié)對應(yīng)一個自由度，就如同人的手臂一般，具有七自由度的活動能力。通過各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)自身前后左右任意角度與位置的抓取和操作，真實(shí)地模擬人類手臂的靈活運(yùn)動，為航天員順利開展出艙任務(wù)提供了強(qiáng)有力的保證。

空間站核心艙機(jī)械臂還是我國首個能長期在太空軌道運(yùn)行的機(jī)械臂。作為我國首個實(shí)現(xiàn)工程研制的大型空間機(jī)械臂產(chǎn)品，機(jī)械臂還具備“爬行”功能?！凹?+肘1+腕3”的關(guān)節(jié)配置方案中，肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著機(jī)械臂兩端活動功能相同。同時肩部與腕部各安裝了一個末端執(zhí)行器，作為機(jī)器臂的“觸手”，末端執(zhí)行器可以對接艙體表面安裝的目標(biāo)適配器，機(jī)械臂通過它們的對接與分離，同時配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動，就能實(shí)現(xiàn)在艙體上的爬行轉(zhuǎn)移。

空間站核心艙機(jī)械臂是空間站組裝、建造以及航天員艙外操作的重要裝備。從2006年開始，五院總體設(shè)計部就召集精銳專家、骨干力量組成空間站機(jī)械臂的技術(shù)攻關(guān)工作團(tuán)隊，先后花費(fèi)6年時間開展近百余項工程摸底與關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證工作，并在2015年、2017年順利完成力學(xué)試驗(yàn)以及EMC試驗(yàn)，最終于2021年4月隨著天和核心艙一起進(jìn)入太空預(yù)定軌道。

航天事業(yè)起步之初，面對國際嚴(yán)密封鎖的局面，錢學(xué)森帶領(lǐng)中國科技專家打開了中國導(dǎo)彈、火箭的發(fā)展創(chuàng)新之路。“外國人能搞的，難道我們中國人不能搞？”時隔多年，錢老的鏗鏘話語猶在耳畔，研制團(tuán)隊踐行自立自強(qiáng)的精神，全面跨越國際技術(shù)封鎖，在國內(nèi)首次提出并實(shí)現(xiàn)了可爬行、可維護(hù)的大型七自由度全對稱構(gòu)型空間機(jī)械臂系統(tǒng)方案。

心中有信仰，腳下有力量。空間站核心艙機(jī)械臂每一項工作的順利開展、推進(jìn)，以及在軌穩(wěn)定運(yùn)行的亮眼表現(xiàn)，都離不開五院總體設(shè)計部研制團(tuán)隊的心血和努力。

中國空間站核心艙機(jī)械臂的研制攻關(guān)歷程，是中國航天科技發(fā)展的求索創(chuàng)新之路的一個縮影。自主創(chuàng)新是我們攀登世界科技高峰的必由之路。團(tuán)隊也深刻地認(rèn)識到，關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的，唯有滿懷“亦余心之所善兮，雖九死其猶未悔”的奮斗豪情，唯有堅持“甘于坐冷板凳，勇于做栽樹人、挖井人”的戰(zhàn)斗定力，才能花費(fèi)十余年的時間真正推動空間站機(jī)械臂各項指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

在團(tuán)隊夜以繼日的努力下，機(jī)械臂全部核心部件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，具有從無到有的里程碑意義，并形成多項空間機(jī)器人行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，獲得多項國家授權(quán)專利，出版多本專著，在空間智能裝備的中國制造之路上披荊斬棘、破浪前行。

面向空間機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展需求，團(tuán)隊構(gòu)建了系統(tǒng)總體與核心專業(yè)協(xié)調(diào)配套的業(yè)務(wù)體系，形成了集任務(wù)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)驗(yàn)證、系統(tǒng)管理于一體的研制體系；建立并發(fā)展了以特色核心技術(shù)為主體的空間機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)；配置了覆蓋空間機(jī)器人研制全周期、全流程、全要素且綜合驗(yàn)證能力最優(yōu)的配套基礎(chǔ)設(shè)施，完備性和先進(jìn)性處于國內(nèi)一流水平。

空間機(jī)器人是支撐航天事業(yè)未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，面向后續(xù)任務(wù)，總體設(shè)計部空間機(jī)器人團(tuán)隊主動思考、積極謀劃，以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想和習(xí)近平總書記關(guān)于航天強(qiáng)國建設(shè)的重要指示為指導(dǎo)，牢記“發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國”的歷史使命，大力弘揚(yáng)航天精神，在空間機(jī)器人這一多學(xué)科交叉的戰(zhàn)略性高技術(shù)領(lǐng)域，不斷推動新技術(shù)進(jìn)步與新產(chǎn)品研發(fā)，努力提升我國空間機(jī)器人技術(shù)整體水平。

空間機(jī)器人團(tuán)隊將前赴后繼，奮勇前行，共同展望中華民族偉大復(fù)興的光明前景，共同奔赴航天強(qiáng)國建設(shè)的偉大征程！

來源：中國航天報