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空间站大型机械臂:

  为我国空间站研制的7自由度实验舱机械臂(EMM),该机械臂由7个模块化关节、2个末端作用器、2个臂杆和1个中央控制器组成。为实现对实验舱机械臂中核心部件关节、中央控制器或末端作用器的在轨维护,在核心部件的连接部位需要设计有可便于宇航员在轨操作的快换接口。

针对宇航员在轨出舱维护需求,提出一种机械锁紧与电气连接独立操作的快换接口,该快换接口具有在空间环境下拆装快速、拆装操作力小的特点,同时满足机械臂的刚度与承载能力。该接口由容差对接接口本体、机械连接锁紧装置、电连接器组件、电连接器插拔装置四个功能模块组成。采用双圆锥面配合设计容差对接凸凹本体结构。

空间机械臂关节快换接口结构设计与分析


      天宫二号空间实验室一个新安装的设备是机械臂,将测试开展舱外搬运和维修。这个机械臂由中国航天科技集团公司五院自主研发。这种设备目前在国际空间站上已经使用,但在我国航天领域仍处于试验阶段。

  空间机械臂是什么?中国航天科技集团公司五院总体部空间机械臂系统研究所副所长高升说,通俗解释就是一种典型的空间机器人,同大家熟悉的工业机械臂(机器人)一样,它能用于空间站在轨组装、在轨维修、货物搬运与转移、辅助航天员出舱活动等,是空间站建设和运营的关键装备。

  为了研制这条臂展超10米的“手臂”,我国科学家突破了16项关键技术,首次采用自主爬行和双臂组合操作的模式,以实现大范围大负载操作以及局部精细化操作。

  所谓“自主爬行”,我们可以理解成机械臂一种有趣的“走路方式”,它可以头尾互换地爬到每一个角落。虽然太空没有重力,但要在速度快、惯性大的太空里拿起一件东西也不是那么简单的;而且万里之遥的机械臂全靠自己的判断来选择采取什么姿式、用多少劲,这个度很难拿捏。这些都需要在天宫二号上测试。

 

        目前,国际空间站 (ISS)的组装和维护依赖于在轨的加拿大臂 (CANADARM2)、欧洲臂(ERA)和日本臂(JEMRMS)。加拿大臂,又称作空间站遥操作系统 (Space Station Remote Manipulator System, SSRMS), 于2001年发射,至今已完成了国际空间站大部分组 装和维护任务。欧洲臂(European Robotic Arm, ERA)于2002年发射,主要完成俄罗斯舱段的组装 和维护任务。日本臂(Remote Manipulator System of Japanese Experiment Module)分为主臂(MA)和小臂 (SFA)两部分,主要完成日本舱段的维护和组装任务。


      “一名航天员在舱内操作机械臂,一名航天员在舱外太空行走。无论是舱段转位、大设备的移动,还是航天员自身的移动,都可以通过机械臂完成。”这不是科幻片,而是不久将来的现实。“中国空间站有两类机械臂,长度累计15米。人机配合,让空间站建造维修成为可能。”周建平说。


   中国航天科技集团公司第五研究院总体部研制的空间机械臂臂展超过10米,具有自主爬行及扩展能力,灵活性高,可达范围广,能够同时实现大范围大负载操作以及局部精细化操作。


  空间机械臂主管设计师王友渔说,机械臂可头尾互换,这种技术可以大大降低空间机器人及其辅助系统的重量,最大程度地扩大了机械臂的活动范围,与目前国际上应用的典型空间机械臂设计指标相比较,在质量、负载能力、输出力矩、刚度等方面均达到或超越了当前世界先进水平。

      11月23日,2015世界机器人大会在北京开幕,在这个全球性机器人顶级盛会上,由中国航天科技集团公司五院总体部抓总研制的大型空间机械臂和地外天体采样机械臂集中展示了我国在空间智能机器人系统工程领域的最新成就。随着这两款机器人在宇航工程中的首次应用,我国跨入空间智能机器人领域国际先进行列。

大型空间机械臂

♦ 空间机械臂是一种典型的空间机器人

♦ 多指标达到或超越当前世界先进水平

♦ 有力推动和支持宇航工程首次应用

          据五院总体部空间机械臂系统研究所副所长高升介绍,空间机械臂是一种典型的空间机器人,它同大家熟悉的工业机械臂(机器人)一样具有承载能力大、定位精度高等特点,但是由于空间环境特殊性,它具有更大的技术难度、更多的学科交叉和关联环节,涉及机、电、热、控等多个学科技术,是一个多学科集成化、一体化的系统。

        通过与目前国际上应用的典型空间机械臂设计指标相比较,在质量、负载能力、输出力矩、刚度等指标均达到或超越了当前世界先进水平。空间机械臂的研制将有力推动和支持我国大型空间机器人系统在宇航工程在轨实际任务中的首次应用。

      空间机械臂长达10余米,有7个关节。

1  空间机械臂的特点?

① 臂展超10米,具有自主爬行及扩展能力,灵活性高,可达范围广,能够同时实现大范围大负载操作以及局部精细化操作;

② 采用机、电、热多技术高度集成的一体化关节,实现了大负载自重比设计;

③ 针对复杂的空间环境,突破了高速轻载与低速重载传动机构空间润滑和寿命验证方法;

④ 采用组合气浮与悬吊零重力模拟等方法,实现大型机械臂的地面验证。

2 什么是自主爬行?

        这是技术人员创造的一种有趣的“走路方式”——机械臂可头尾互换,实现机械臂大范围空间的灵活应用,通过爬行达到每一个角落。

        空间机械臂主管设计师王友渔说,这种技术可以大大降低空间机器人及其辅助系统的重量,最大程度地扩大了机械臂的活动范围。

3 几百公斤 Vs 几十吨

       空间机械臂身强力壮,承载的范围非常宽,鸿毛能拿,数十吨重的东西也易如反掌。但是,目前已投入应用的机器人搬几百公斤的东西已经非常吃力。

        在太空中搬东西可不能跟地面简单地进行比较,因为虽然太空没重力,但速度快,惯性大。而且在太空中搬东西时,万里之遥的机械臂全靠自己判断进行选择,比如采取什么姿式,用多少劲很难拿捏等等,远比地面要复杂得多。

4 高速轻载与低速重载

         很多机器人在轻负载高速度工作时动作还很连贯,可速度一旦低了,或者负载一旦重了,臂就很不好控制,“磕磕绊绊”地不协调。但是空间机械臂无论高速还是低速状态下,无论负载重还是负载轻,它都能保持动作连贯,协调轻盈,适应空间在轨的不同任务。

5  几个月、几年 Vs 金身不坏

      普通机器人的设计寿命大都在几个月、几年不同,但空间机械臂必须保证在太空中长时间“金身不坏”。

      对此,技术人员进行了多项技术创新。首先,突破了大承载空间润滑技术,可以保证在大载荷条件下,机械臂可靠的工作;其次,严酷考核各零部件,例如专门对某关节齿轮进行了长达一亿多转的寿命试验;另外,系统设计模块化,便于出现问题时快速更换和在轨维修,这在国内空间领域还属于首创。

 

         空间站机械臂是我国载人航天三期工程的四大关键技术之一,主要用于空间站在轨组装、在轨维修、货物搬运与转移、辅助航天员出舱活动等,是空间站建设和运营的关键装备。我国空间站机械臂首次采用了自主爬行和双臂组合操作的模式,实现了大范围大负载操作以及局部精细化操作,突破了16项关键技术,达到国际先进水平。


空间站大型机械臂初样阶段研制工作获新突破

      近日,中国航天科技集团公司五院总体部组织完成了空间站大型机械臂初样结构臂力学环境试验。该试验是我国空间智能机器人系统进入工程研制阶段后的首次大型试验项目。

      该试验过程对于总体部空间机器人领域研制团队深入了解空间机器人系统的力学性能、确定大型复杂空间机器人系统级试验条件和方法具有极其重要的意义。

      该试验的圆满成功标志着我国空间站大型机械臂初样阶段研制工作取得了又一重大突破,为早日实现“中国臂”炫舞太空奠定了坚实的基础。

     目前,空间智能机械系统技术已经在国际空间站和行星表面巡视器上得到广泛应用,航天型号应用前景非常广阔。随着我国空间站、月球探测、在轨服务等工程任务的逐步实施,总体部空间智能机器人系统技术不断提升,无论从技术实力还是工程应用经验等方面都为实现技术应用转化创造了积极条件。

      机械臂所相继完成了大型一体化关节、末端执行器等核心部件研制,空间机械臂项目核心舱机械臂、实验舱机械臂双臂组合试验取得圆满成功,攻克16项关键技术,空间智能机械技术实力实现跨越式提升。总体部将目光瞄准未来10~15年空间智能机械系统相关型号任务的产品研制和技术开发。

       经过十余年的学科建设与技术培育,中国航天科技集团公司五院总体部已初步在空间机器人领域开花结果:空间站机械臂、行星表面取样机械臂、机器人航天员等重大工程项目及研发项目立项先后完成。


发展历程

      2015年,中国航天科技集团公司五院总体部组织完成了空间站大型机械臂初样结构臂力学环境试验。该试验是我国空间智能机器人系统进入工程研制阶段后的首次大型试验项目。

       该试验过程对于总体部空间机器人领域研制团队深入了解空间机器人系统的力学性能、确定大型复杂空间机器人系统级试验条件和方法具有极其重要的意义。

      试验的圆满成功标志着我国空间站大型机械臂初样阶段研制工作取得了又一重大突破,为早日“中国臂”炫舞太空奠定了坚实的基础。

      2014年,空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室在总体部成立,成为集团公司在空间机器人领域首个省部级科研与创新平台。

      2012年,总体部大胆创新研制体系,在部内成立了独立建制的空间机械臂系统研究所。

        研究所下设系统总体与研发室、系统核心部件研究室、系统集成测试与在轨应用研究室,新型组织机构覆盖空间和地面机器人研制领域技术研发、制造、试验的全过程。以此为平台,牵引了国内23家单位、260余名核心人员组成的产品队伍,构成了完整的智能机器人总体设计、技术研发、生产制造、试验测试的产业链条。

        全国单位大协作,顺利实现空间仿人机器人、移动机器人的技术突破,为深空探测、空间攻防、载人航天等领域的应用提供了解决方案。同时,致力于以外骨骼机器人及特殊环境操作机器人等为代表的智能机器人系统高新技术产业群建设。

      2011年,总体部与香港理工大学联合成立“空间精密机械系统联合实验室”。陆港机器人领域专家密切合作,实现了把香港大学丰富的精密仪器专业知识与该部丰富的航天工程经验的有机结合,开创了空间领域陆港合作的先河,把理论成果转化为工程成果的典范。

       联合研制的嫦娥三号巡视器转移机构与相机指向机械臂为我国嫦娥三号系统“玉兔落月、两器互拍”做出重要贡献,获得国防科学技术三等奖。

       此外,总体部还与清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、北京邮电大学成立了智能机器人领域不同学科的联合实验室,并与北京航空航天大学、北京理工大学、中南大学联合开展了相关系统的研究,实现产学研用的有机结合,为推动我国智能机器人技术和产品具备国家级、世界级的水平提供了平台。

       2010年后,在航天科技集团公司的支持下,先后引进了两名具有丰富的设计及工程研制经验的智能机器人领域国家“千人计划”专家,提升了团队核心竞争力。

       目前,该部已构建了一支由国家“千人计划”专家领衔、50多名囊括机器人领域各学科的专业研究人员、涵盖国内各相关单位200多制造生产测试人员组成的空间智能机器人产业团队。十年,团队促进了智能机构、机器人视觉、智能控制、动力学建模与仿真等新学科的发展,为建设国内一流的空间机器人研发基地提供了优质的人才队伍和技术储备。

        2005年,总体部抽调和吸纳了机械、电子、热控、力学、自动控制、计算机、模式识别等专业人才30余人,联合中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院各专业厂所及国内相关高校、院所,致力于我国空间站大型机械臂技术攻关与研发,开启了空间机器人领域的破冰之旅。

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