江苏科技报 | 智能装置保障擎天巨臂转运 江苏参研“水下机械臂”系统助力神舟十三号出舱成功

发布时间:2021-11-12浏览次数:214作者:张宇 时小丹 付毅飞 何亮 何佳芮 王伟 柯龙婕旻来源:江苏科技报供图:南京航空航天大学责任编辑:岳出琛审核:许静

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11月8日1时16分,经过约6.5小时的出舱活动,神舟十三号航天员乘组密切协同,圆满完成出舱活动全部既定任务,航天员翟志刚、王亚平安全返回天和核心舱,出舱活动取得圆满成功。


此次是空间站阶段第三次航天员出舱活动,是神舟十三号航天员乘组首次出舱活动,也是中国航天史上首次有女航天员参加的出舱活动。航天员出舱活动期间,天地间大力协同、舱内外密切配合,先后完成了机械臂悬挂装置与转接件安装、舱外典型动作测试等任务,全过程顺利圆满,进一步检验了我国新一代舱外航天服的功能性能,检验了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性。



“水下机械臂”系统由南航团队参研

航天员出舱牵涉多个层面,是航天科技实力的综合呈现。这背后凝结了众多科研人员的智慧和心血,其中,南京航空航天大学科研团队参与研制的“水下机械臂及其智能控制系统”提供了重要技术保障。


应航天员中心、上海宇航系统工程研究所委托,南航机电学院张得礼副教授领衔课题组,参与研制“水下机械臂及其智能控制系统”,该系统逼真地模拟了空间站出舱活动的机械臂转运以及定点作业支持工况,是出舱活动任务工程实验验证和航天员训练的重要保障。


在航天员中心指导下,上海宇航系统工程研究所联合课题组经过技术途径仿真验证、总体方案设计、工程实施、调试联试以及试运行,创新性研制出了国内首台10米级水下大作业空间、高可靠性、高安全性水下机械臂。


其中,课题组面向模拟失重环境的中性浮力水槽航天员训练任务,开展了水下机械臂控制系统、人机交互系统以及供配电支持系统的学术研究与工程研制。课题组研制的内容作为整系统核心指挥枢纽,突破了基于多传感融合和基于优化算法的水下路径规划技术、水下机械臂人机交互控制技术、虚拟孪生的大尺寸空间碰撞检测预测技术、水下安全监控技术等,有力保障了整系统的可靠、高效运行,是水下机器人控制技术在载人航天模拟失重训练应用的一次突破。


课题组接到任务时,离产品交付时间只有10个月。设备涉及结构、软件、硬件、关键算法、人机工程、水下安全等多方面的技术,时间紧,任务重,疫情的影响更给研制工作增加了不小的难度。


为获得水下试验的条件,课题组搭建临时水池,进行关键部件的静、动密封和重力配比水下试验,并租用上海交通大学的海洋实验水池进行集成测试。在有限的经费条件下,租用时间仅有一周。一周时间,需要完成所有指标的验证,团队每天工作到凌晨两三点,一天只睡2~3个小时。


项目研制过程中,课题组在第一现场见证了航天员中心、上海宇航系统工程研究所等载人航天大军队伍“特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献”的载人航天精神,备受激励和启迪。航天员敢为人先执着训练的场景,也更让课题组甘于沉下心来,攻坚的信心越发扎实。


谈及未来的研究计划,张得礼介绍,课题组瞄准空间站长期运营期间出舱活动水下工程验证以及航天员训练的需要,将继续深入探讨研究相关技术、扩展应用需求、优化人机控制系统,为载人航天任务再立新功。


转接头“四两拨千斤”


此次出舱活动中,由航天科技集团五院抓总研制的空间站核心舱机械臂再次耀眼亮相,托举航天员到达指定位置开展出舱操作,顺利完成了机械臂级联装置的安装工作,为后续实现擎天巨臂的组合打下扎实基础。


空间站机械臂是我国航天事业发展的新领域之一,此次出舱活动的“主角”--机械臂级联装置由双臂组合转接件和悬挂装置组成,是空间站机械臂实现组合动作的关键装备。其中,双臂组合转接件更是被空间站型号研制人员形象地比喻为“宇宙级机械臂转接头”。它将帮助两个形态截然不同的机械臂完成转接,保证组合机械臂具备承载更大载荷进行大范围转移的能力,它的突破与创新向世界展示了中国智慧和中国力量。


五院空间站机械臂飞控负责人高升介绍,空间站机械臂由核心舱机械臂(大臂)和“问天”实验舱机械臂(小臂)组成。按照空间站关键技术验证及建造阶段的任务规划,实验舱机械臂将随“问天”实验舱一起发射入轨,并将在太空中与核心舱机械臂完成“大小臂在轨组合”的亮眼操作。操作过程中,实现组合的关键装置就是双臂组合转接件。然而,由于长度为10米的核心舱机械臂和长度为5米的实验舱机械臂“体型”差异较大,因此端口设计也有较大差别。


如何做好两个机械臂的对接,实现“1+1=1”的效果?五院的研制团队将小小的“宇宙级机械臂转接头”从创意变成了“四两拨千斤”的科技神器--它不仅有助于完成两个机械臂的接口互连,还实现了两者间电气和信息的互通,在恶劣的太空环境中安全打通两个机械臂之间的“任督二脉”。


完成在轨任务便可收“刀”回“鞘”


在机械臂级联装置安装过程中,首先安装在核心舱舱壁上的悬挂装置带有巧妙的抱爪结构,用于捕获和存放双臂组合转接件,并为它提供供电保证。


完成悬挂装置安装后,航天员翟志刚轻推双臂组合转接件进入卡口位置,悬挂装置在指令的遥控下,通过抱爪结构准确地将转接件抓住,并将其“拥入怀中”。


那么,双臂组合转接件和悬挂装置到底是什么关系呢?据五院空间站机械臂悬挂装置主管设计师高翔宇介绍,双臂组合转接件好比“刀剑”,悬挂装置则好比“刀鞘”。未来,当两个空间站机械臂开展对接工作时,核心舱机械臂(大臂)将主动探向双臂组合转接件,通过末端视觉相机识别靶标,将转接件从悬挂装置上精准取出,进而完成与“问天”实验舱机械臂的组合,形成更长、更稳定的灵巧型空间机器人。


届时,空间站机械臂可达范围直接拓展为14.5米,活动范围可直接覆盖空间站三个舱段,随时实现对空间站舱体表面的巡检。同时,机械臂在组合对接状态下完成在轨任务后,又要重新分为大小机械臂两个部分,此时双臂组合转接件自然是收“刀”入“鞘”,由核心舱机械臂主动将双臂组合转接件重新放回悬挂装置中。


“未来,在空间站完成三舱组合后,航天员出舱任务大部分将由组合臂的形式完成。”五院空间站机械臂双臂组合转接件主管设计师朱超憧憬着两个机械臂组装起来的壮观模样并感慨道。


后续,空间站机械臂将通过双臂组合转接件实现两个机械臂的组装,进而完成高难度、更加多样化的任务目标。



原文链接:http://www.jskjb.com/xpaper/appnews/80248/88405/94679-1.shtml

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