江蘇科技報 | 智能裝置保障擎天巨臂轉運 江蘇參研“水下機械臂”系統助力神舟十三號出艙成功

發布時間:2021-11-12瀏覽次數:214發布者:王偉來源:南京航空航天大學新聞網


11月8日1時16分,經過約6.5小時的出艙活動,神舟十三號航天員乘組密切協同,圓滿完成出艙活動全部既定任務,航天員翟志剛、王亞平安全返回天和核心艙,出艙活動取得圓滿成功。


此次是空間站階段第三次航天員出艙活動,是神舟十三號航天員乘組首次出艙活動,也是中國航天史上首次有女航天員參加的出艙活動。航天員出艙活動期間,天地間大力協同、艙內外密切配合,先后完成了機械臂懸掛裝置與轉接件安裝、艙外典型動作測試等任務,全過程順利圓滿,進一步檢驗了我國新一代艙外航天服的功能性能,檢驗了航天員與機械臂協同工作的能力及出艙活動相關支持設備的可靠性與安全性。



“水下機械臂”系統由南航團隊參研

航天員出艙牽涉多個層面,是航天科技實力的綜合呈現。這背后凝結了眾多科研人員的智慧和心血,其中,南京航空航天大學科研團隊參與研制的“水下機械臂及其智能控制系統”提供了重要技術保障。


應航天員中心、上海宇航系統工程研究所委托,南航機電學院張得禮副教授領銜課題組,參與研制“水下機械臂及其智能控制系統”,該系統逼真地模擬了空間站出艙活動的機械臂轉運以及定點作業支持工況,是出艙活動任務工程實驗驗證和航天員訓練的重要保障。


在航天員中心指導下,上海宇航系統工程研究所聯合課題組經過技術途徑仿真驗證、總體方案設計、工程實施、調試聯試以及試運行,創新性研制出了國內首臺10米級水下大作業空間、高可靠性、高安全性水下機械臂。


其中,課題組面向模擬失重環境的中性浮力水槽航天員訓練任務,開展了水下機械臂控制系統、人機交互系統以及供配電支持系統的學術研究與工程研制。課題組研制的內容作為整系統核心指揮樞紐,突破了基于多傳感融合和基于優化算法的水下路徑規劃技術、水下機械臂人機交互控制技術、虛擬孿生的大尺寸空間碰撞檢測預測技術、水下安全監控技術等,有力保障了整系統的可靠、高效運行,是水下機器人控制技術在載人航天模擬失重訓練應用的一次突破。


課題組接到任務時,離產品交付時間只有10個月。設備涉及結構、軟件、硬件、關鍵算法、人機工程、水下安全等多方面的技術,時間緊,任務重,疫情的影響更給研制工作增加了不小的難度。


為獲得水下試驗的條件,課題組搭建臨時水池,進行關鍵部件的靜、動密封和重力配比水下試驗,并租用上海交通大學的海洋實驗水池進行集成測試。在有限的經費條件下,租用時間僅有一周。一周時間,需要完成所有指標的驗證,團隊每天工作到凌晨兩三點,一天只睡2~3個小時。


項目研制過程中,課題組在第一現場見證了航天員中心、上海宇航系統工程研究所等載人航天大軍隊伍“特別能吃苦、特別能戰斗、特別能攻關、特別能奉獻”的載人航天精神,備受激勵和啟迪。航天員敢為人先執著訓練的場景,也更讓課題組甘于沉下心來,攻堅的信心越發扎實。


談及未來的研究計劃,張得禮介紹,課題組瞄準空間站長期運營期間出艙活動水下工程驗證以及航天員訓練的需要,將繼續深入探討研究相關技術、擴展應用需求、優化人機控制系統,為載人航天任務再立新功。


轉接頭“四兩撥千斤”


此次出艙活動中,由航天科技集團五院抓總研制的空間站核心艙機械臂再次耀眼亮相,托舉航天員到達指定位置開展出艙操作,順利完成了機械臂級聯裝置的安裝工作,為后續實現擎天巨臂的組合打下扎實基礎。


空間站機械臂是我國航天事業發展的新領域之一,此次出艙活動的“主角”--機械臂級聯裝置由雙臂組合轉接件和懸掛裝置組成,是空間站機械臂實現組合動作的關鍵裝備。其中,雙臂組合轉接件更是被空間站型號研制人員形象地比喻為“宇宙級機械臂轉接頭”。它將幫助兩個形態截然不同的機械臂完成轉接,保證組合機械臂具備承載更大載荷進行大范圍轉移的能力,它的突破與創新向世界展示了中國智慧和中國力量。


五院空間站機械臂飛控負責人高升介紹,空間站機械臂由核心艙機械臂(大臂)和“問天”實驗艙機械臂(小臂)組成。按照空間站關鍵技術驗證及建造階段的任務規劃,實驗艙機械臂將隨“問天”實驗艙一起發射入軌,并將在太空中與核心艙機械臂完成“大小臂在軌組合”的亮眼操作。操作過程中,實現組合的關鍵裝置就是雙臂組合轉接件。然而,由于長度為10米的核心艙機械臂和長度為5米的實驗艙機械臂“體型”差異較大,因此端口設計也有較大差別。


如何做好兩個機械臂的對接,實現“1+1=1”的效果?五院的研制團隊將小小的“宇宙級機械臂轉接頭”從創意變成了“四兩撥千斤”的科技神器--它不僅有助于完成兩個機械臂的接口互連,還實現了兩者間電氣和信息的互通,在惡劣的太空環境中安全打通兩個機械臂之間的“任督二脈”。


完成在軌任務便可收“刀”回“鞘”


在機械臂級聯裝置安裝過程中,首先安裝在核心艙艙壁上的懸掛裝置帶有巧妙的抱爪結構,用于捕獲和存放雙臂組合轉接件,并為它提供供電保證。


完成懸掛裝置安裝后,航天員翟志剛輕推雙臂組合轉接件進入卡口位置,懸掛裝置在指令的遙控下,通過抱爪結構準確地將轉接件抓住,并將其“擁入懷中”。


那么,雙臂組合轉接件和懸掛裝置到底是什么關系呢?據五院空間站機械臂懸掛裝置主管設計師高翔宇介紹,雙臂組合轉接件好比“刀劍”,懸掛裝置則好比“刀鞘”。未來,當兩個空間站機械臂開展對接工作時,核心艙機械臂(大臂)將主動探向雙臂組合轉接件,通過末端視覺相機識別靶標,將轉接件從懸掛裝置上精準取出,進而完成與“問天”實驗艙機械臂的組合,形成更長、更穩定的靈巧型空間機器人。


屆時,空間站機械臂可達范圍直接拓展為14.5米,活動范圍可直接覆蓋空間站三個艙段,隨時實現對空間站艙體表面的巡檢。同時,機械臂在組合對接狀態下完成在軌任務后,又要重新分為大小機械臂兩個部分,此時雙臂組合轉接件自然是收“刀”入“鞘”,由核心艙機械臂主動將雙臂組合轉接件重新放回懸掛裝置中。


“未來,在空間站完成三艙組合后,航天員出艙任務大部分將由組合臂的形式完成。”五院空間站機械臂雙臂組合轉接件主管設計師朱超憧憬著兩個機械臂組裝起來的壯觀模樣并感慨道。


后續,空間站機械臂將通過雙臂組合轉接件實現兩個機械臂的組裝,進而完成高難度、更加多樣化的任務目標。



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

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