8月20日14時(shí)33分，經(jīng)過約6小時(shí)的出艙活動(dòng)，神舟十二號(hào)航天員乘組密切協(xié)同，圓滿完成出艙活動(dòng)期間全部既定任務(wù)。

此次出艙活動(dòng)，航天員聶海勝、航天員劉伯明出艙，湯洪波在艙內(nèi)協(xié)同配合出艙操作，先后完成了艙外擴(kuò)展泵組安裝、全景相機(jī)D抬升、艙外設(shè)施組裝等任務(wù)，全過程順利圓滿，進(jìn)一步檢驗(yàn)了我國(guó)新一代艙外航天服的功能性能，檢驗(yàn)了航天員與機(jī)械臂協(xié)同工作的能力及出艙活動(dòng)相關(guān)支持設(shè)備的可靠性與安全性。

這次出艙活動(dòng)有很多震撼的畫面，想必大家對(duì)聶海勝和劉伯明互拍的畫面印象深刻，劉伯明幾乎“掛”在空間站上，聶海勝則“站在機(jī)械臂上”，背景是藍(lán)色的地球，蔚為壯觀。

此次出艙任務(wù)，機(jī)械臂將航天員從核心艙的前部節(jié)點(diǎn)艙接上送到核心艙的后部資源艙進(jìn)行作業(yè)，然后再返回前部節(jié)點(diǎn)艙，總的路程較第一次出艙任務(wù)要遠(yuǎn)很多，任務(wù)時(shí)間也更長(zhǎng)。

航天員出艙活動(dòng)經(jīng)常離不開機(jī)械臂的支持，而且機(jī)械臂在飛行器捕獲等方面也有發(fā)揮重要作用，被譽(yù)為“太空巧手”。那么，中國(guó)空間機(jī)械臂的水平如何？

聶海勝則“站在機(jī)械臂上”，背景是藍(lán)色的地球，蔚為壯觀。

不可或缺的“太空巧手”

隨著人類探索太空腳步的不斷向前邁進(jìn)，各種各樣的航天飛行器發(fā)射進(jìn)入太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)。在各種空間活動(dòng)中，諸如空間飛行器的自主交會(huì)對(duì)接、空間碎片清除、深空探測(cè)等，通常需要一種具有精確操作能力和視覺識(shí)別能力的空間機(jī)構(gòu)來輔助完成，在這種情況下，空間機(jī)械臂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

空間機(jī)械臂是一個(gè)機(jī)、電、熱、控一體化高度集成的空間機(jī)電系統(tǒng)，其本身實(shí)際上是一個(gè)智能機(jī)器人。根據(jù)安裝位置不同，空間機(jī)械臂分為艙內(nèi)和艙外兩大類，艙內(nèi)機(jī)械臂因?yàn)槭芘搩?nèi)空間的限制，尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍都受到了制約，主要的用途是艙內(nèi)組件的裝配、零部件的更換、對(duì)漂浮物體的抓取，空間科學(xué)試驗(yàn)等。艙外機(jī)械臂針對(duì)不同任務(wù)而設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度從幾米到十幾米不等，可以輔助空間飛行器完成交會(huì)對(duì)接、對(duì)空間目標(biāo)的捕獲釋放、在軌服務(wù)、空間觀測(cè)等任務(wù)。

上世紀(jì)70年代，美國(guó)就開始探索機(jī)械臂等機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于航天領(lǐng)域，用于替代航天員在惡劣的太空環(huán)境中完成在軌組裝、維修和回收空間設(shè)備的任務(wù)。

世界上第一套空間機(jī)械臂系統(tǒng)由加拿大Spar公司于1981年設(shè)計(jì)研制，名為 Canadarm1，安裝在美國(guó)航天飛機(jī)上。該機(jī)械臂長(zhǎng)約15米，重410千克，有6個(gè)可控關(guān)節(jié)，其上安裝有相機(jī)系統(tǒng)來觀察機(jī)械臂的工作狀態(tài)，協(xié)助末端執(zhí)行器完成操作任務(wù)。Canadarm1機(jī)械臂最大負(fù)約30噸，參與了空間飛行器的維護(hù)和空間站的組裝等工作。

國(guó)際空間站上的機(jī)械臂。

后面，加拿大又研發(fā)了多套空間機(jī)械臂，其中，最著名的機(jī)械臂就是為國(guó)際空間站研制的Canadarm2。該機(jī)械臂長(zhǎng)17.6米，有7個(gè)自由度，總重1.8噸，最大負(fù)荷超過116噸，可以自我重定位，具備艙體表面爬行功能（但只能在美國(guó)艙段上爬行，因?yàn)橛行┢渌麌?guó)家艙段沒有供機(jī)械臂爬行的點(diǎn)位）。這里要提一下的是7個(gè)自由度活動(dòng)能力，這是一種仿生的設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀內(nèi)藦募绲绞志褪怯?個(gè)自由度，非常靈活。

空間站的機(jī)械臂可以幫助航天器停靠國(guó)際空間站，支持航天員出艙活動(dòng)，完成太空試驗(yàn)以及空間站的建設(shè)、維護(hù)等，加拿大航天局也因此獲得了國(guó)際空間站3%的使用權(quán)。除了加拿大的機(jī)械臂，其實(shí)國(guó)際空間站還有日本和歐空局的機(jī)械臂，但尺寸比加拿大的小，加上日本和歐空局的艙段少，知名度遠(yuǎn)小于加拿大的機(jī)械臂。歐空局的機(jī)械臂（ERA）今年7月隨俄羅斯的“科學(xué)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙一同升空，該機(jī)械臂長(zhǎng)11米，重630千克，有7個(gè)自由度，也具備艙體表面爬行功能。

這是一張經(jīng)典照片，航天員站在國(guó)際空間站機(jī)械臂上進(jìn)行出艙活動(dòng)。

日本很早就開始研制空間機(jī)械臂，于1997年成功發(fā)射了ETS-7工程試驗(yàn)衛(wèi)星，ETS-7由一顆追蹤星和一顆目標(biāo)星組成，驗(yàn)證了交會(huì)對(duì)接和空間機(jī)器人技術(shù)。其機(jī)械臂具有6個(gè)自由度，配有攝像機(jī)和輔助工具，末端安裝有三指靈巧機(jī)器手系統(tǒng)。它首次進(jìn)行了無人情況下的自主交會(huì)對(duì)接和艙外空間機(jī)器人遙操作試驗(yàn)，演示了多自由度、多傳感器機(jī)械手用于空間精密在軌服務(wù)的能力。

寫到這里可能有一些人會(huì)問，作為世界上航天科技實(shí)力最強(qiáng)的美國(guó)怎么沒有研制機(jī)械臂，其實(shí)，美國(guó)在這一領(lǐng)域也處于世界領(lǐng)先水平，只是美國(guó)與這些盟國(guó)關(guān)系很好，有些項(xiàng)目也可以給其他國(guó)家做，沒必要大包大攬。美國(guó)馬里蘭大學(xué)從1992年起開始了“漫游者”空間機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與研究，1996年完成了遙控機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)。2007年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“軌道快車”項(xiàng)目搭乘宇宙神-5火箭發(fā)射升空。衛(wèi)星裝備了高度自動(dòng)化的機(jī)械臂，在試驗(yàn)中，機(jī)械臂反復(fù)地從一顆衛(wèi)星傳遞部件到另一個(gè)衛(wèi)星上，以驗(yàn)證其功能、可操作性和可重復(fù)性，初步具備了替代航天員在太空完成維修作業(yè)的能力。

盡管取得了不錯(cuò)的成績(jī)，加拿大航天局并沒有坐吃老本，后面又開始研制第三代空間機(jī)械臂——Canadarm3，其比前一代機(jī)械臂更加靈活和緊湊，機(jī)械臂長(zhǎng)15米，擁有6個(gè)自由度和高級(jí)軟硬件結(jié)構(gòu)。據(jù)悉，Canadarm3將用于美國(guó)的“門戶”深空空間站，支持美國(guó)“阿爾忒彌斯”載人登月計(jì)劃，主要負(fù)責(zé)航天器的抓取和釋放，支持航天員出艙活動(dòng)等。

國(guó)際空間站的機(jī)械臂捕獲“龍”貨運(yùn)飛船。

世界領(lǐng)先水平的中國(guó)機(jī)械臂

中國(guó)空間站核心艙上的空間站機(jī)械臂是我國(guó)目前智能程度最高、規(guī)模與技術(shù)難度最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的空間智能制造系統(tǒng)。

中國(guó)載人航天工程總設(shè)計(jì)師周建平此前介紹稱，機(jī)械臂的作用在于空間站組裝建造、維護(hù)維修、輔助航天員出艙活動(dòng)等任務(wù)，“是中國(guó)空間站在軌建造能力水平的重要標(biāo)志”。

根據(jù)官方公布的信息，該機(jī)械臂平時(shí)安裝在核心艙的小柱段上，主體結(jié)構(gòu)是兩根臂桿，展開長(zhǎng)度10.2米，重約700千克，其肩部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)、肘部設(shè)置了1個(gè)關(guān)節(jié)、腕部設(shè)置了3個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)1個(gè)自由度，具有7個(gè)自由度。通過各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，空間站核心艙機(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，為航天員順利開展出艙任務(wù)提供強(qiáng)有力的保證。

珠海航展上展示的核心艙和機(jī)械臂。

為擴(kuò)大任務(wù)觸及范圍，該機(jī)械臂還具備爬行功能。由于核心艙機(jī)械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的關(guān)節(jié)配置方案，肩部和腕部關(guān)節(jié)配置相同，意味著機(jī)械臂兩端活動(dòng)功能是一樣的。機(jī)械臂通過末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器對(duì)接與分離，同時(shí)配合各關(guān)節(jié)的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在艙體上的爬行轉(zhuǎn)移。

除了支持航天員出艙活動(dòng)外，機(jī)械臂在后續(xù)任務(wù)中還將承擔(dān)艙段轉(zhuǎn)位、懸停飛行器捕獲和輔助對(duì)接、艙外貨物搬運(yùn)、空間環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)照料等重要任務(wù)。該機(jī)械臂還可以從10米擴(kuò)展到15米，把小臂和大臂組合在一起，形成一個(gè)更長(zhǎng)的組合臂。機(jī)械臂設(shè)計(jì)壽命15年、負(fù)載能力25噸、末端定位精度45毫米，可實(shí)現(xiàn)大范圍、大負(fù)載操作以及局部精細(xì)化操作。此外，機(jī)械臂以后還可以擴(kuò)展到實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ、實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ，還有光學(xué)艙，這些艙都可以進(jìn)行艙外機(jī)械臂支持航天員開展的一些作業(yè)。

橫向?qū)Ρ仁澜缙渌麌?guó)家機(jī)械臂，中國(guó)空間站機(jī)械臂操控精度、負(fù)載自重比和擴(kuò)展性等指標(biāo)均已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，而且值得一提的是全部核心部件實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。