主播君的話

十年來，梁常春先后研發(fā)嫦娥五號機(jī)械臂和載人空間站機(jī)械臂，讓中國智造“百變神臂”遨游浩瀚太空，逐夢航天！

對梁常春而言，與航天結(jié)緣，源于一場美麗的“意外”。而恰是這次“意外”，令梁常春十年磨“兩劍”，研制出靈活而有力的“百變神臂”，在浩瀚太空中“予取予求”。

梁常春現(xiàn)任中國航天科技集團(tuán)第五研究院空間站機(jī)械臂控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師、高級工程師。

2012年，梁常春從同濟(jì)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)碩士畢業(yè)。恰是畢業(yè)前一場偶然參加的中國航天科技集團(tuán)宣講會，燃起梁常春的航天夢想。

48小時(shí)，嫦娥五號機(jī)械臂采回1.7千克月壤

入職航天五院總體設(shè)計(jì)部不久，梁常春便被予以重任——研發(fā)嫦娥五號表取采樣機(jī)械臂。

嫦娥五號是中國嫦娥探月工程中首顆地月采樣往返探測器，是“繞、落、回”中的第三步，其中關(guān)鍵任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)月面無人采樣并返回地球。

明白任務(wù)的艱巨而重要，梁常春內(nèi)心激動而忐忑。他激動于深度參與國家航天重大工程的分量和意義，又忐忑于自身經(jīng)驗(yàn)的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，需要盡快轉(zhuǎn)換心態(tài)和角色，迎接挑戰(zhàn)和考驗(yàn)。

梁常春說，嫦娥五號機(jī)械臂的主要功能就是用來在未知的月表環(huán)境下完成自動采樣、封裝以及樣品轉(zhuǎn)移這一系列復(fù)雜動作，需要在有限的時(shí)間窗口內(nèi)采集更多的月壤樣品。

然而，研制過程難以避免遭遇了諸多現(xiàn)實(shí)困境。“對于我們國家而言，當(dāng)時(shí)尚沒有類似一種機(jī)械臂在星表的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從工程角度來講確實(shí)是從無到有的過程?！绷撼４赫f。

從中國數(shù)十年航天工程的深厚積累中，從大量衛(wèi)星、探測器等航天器的復(fù)雜機(jī)電裝置中，梁常春尋覓到可資借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)，并充分調(diào)研“鳳凰號”等國外型號的采樣系統(tǒng)，盡管在后者上收效甚微。

機(jī)械臂有著近乎矛盾的兩面：一方面精度要求極高，一方面重量嚴(yán)格受限。

梁常春說，在月表1/6重力特殊的應(yīng)用環(huán)境中，采集、抓取、轉(zhuǎn)移等高精度的動作要求，都對機(jī)械臂控制系統(tǒng)提出高要求。

控制系統(tǒng)是以軟件算法為核心，既然無先例可循，如何破“零”之局？

梁常春一步步推導(dǎo)、攻關(guān)，自己編寫幾千行MATLAB程序代碼，形成了空間機(jī)械臂控制算法的第一代SIMULINK模型庫，其攻克了高精度視覺伺服容器抓取與轉(zhuǎn)移技術(shù)，解決了嫦娥五號的多點(diǎn)不確定地形采樣與容器高精度轉(zhuǎn)移難題。

“從無到有去開發(fā)、積累、調(diào)試，這的確是一個(gè)艱辛的過程?！绷撼４焊锌?/p>

對于這根如釣魚竿般纖細(xì)的機(jī)械臂而言，艱辛之處還面臨著如何去真實(shí)模擬月表環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證。

為了確保萬無一失，研發(fā)團(tuán)隊(duì)采取懸吊法、斜面法等多種手段反復(fù)驗(yàn)證，預(yù)設(shè)各種能想到的故障一一測試，將機(jī)械臂不斷迭代，趨于“完美”。

2020年11月24日，嫦娥五號成功發(fā)射，飛向月球。12月1日，嫦娥五號成功落月，并將開啟為時(shí)48小時(shí)的月壤采集任務(wù)。

對于梁常春而言，這48小時(shí)就像八年前剛接到研發(fā)機(jī)械臂任務(wù)時(shí)一樣激動而忐忑。

全神貫注盯著屏幕上的月面采樣實(shí)時(shí)影像，鉆土、鏟土、挖土、夾土、放土……機(jī)械臂的每一個(gè)動作，梁常春都既熟悉又“陌生”。熟悉的是，這些動作他曾多次操縱機(jī)械臂完成；“陌生”的是，如今這些動作是在月球上真實(shí)上演完成。

12月17日，約1.7千克月壤被封裝帶回地球，屬于梁常春的初戰(zhàn)告捷。

十米長、七個(gè)關(guān)節(jié)，空間站機(jī)械臂能搬運(yùn)25噸重物體

中國載人空間站機(jī)械臂體型龐大，有十米長、七個(gè)關(guān)節(jié)，既能搬運(yùn)25噸重大艙段，又能快速抓捕殘余速度很大的懸停飛行器，被稱作是“靈活的大胖子”。

2016年，在研發(fā)嫦娥五號機(jī)械臂的同時(shí)，梁常春開始擔(dān)任中國“天宮”載人空間站大型機(jī)械臂控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。

相比嫦娥五號機(jī)械臂而言，空間站機(jī)械臂在應(yīng)用環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)方面存在巨大差異。

“空間站機(jī)械臂是要在我國唯一的太空實(shí)驗(yàn)室上長期在軌應(yīng)用的一套重要智能機(jī)械裝備，可以完成艙外大范圍巡檢、支持航天員出艙活動、安裝艙外暴露載荷等多種重要工作，可以說是空間站表面配置的一個(gè)靈活的手臂。”梁常春說。

為此，類似零重力環(huán)境如何模擬、怎樣讓有限的臂長覆蓋大范圍的艙段作業(yè)區(qū)域等，都成為研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要一一攻克的難題。

從機(jī)械臂長度和移動方式等方面著手研發(fā)，在最初設(shè)計(jì)過程中，梁常春也曾考慮過國際空間站所使用的移動導(dǎo)軌，但發(fā)現(xiàn)其并不適用中國空間站。

“團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員在茶余飯后都會思考，這個(gè)機(jī)械臂到底長成什么樣子才是合理的？”梁常春給出答案：好看的往往都是合理的。

從模仿人的手臂開始，研發(fā)團(tuán)隊(duì)分析關(guān)節(jié)和臂桿布局的配置，為了實(shí)現(xiàn)全空間的靈活運(yùn)動，關(guān)節(jié)的自由度必不可少。

為此，空間站機(jī)械臂設(shè)計(jì)成七個(gè)關(guān)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)七個(gè)自由度，在每個(gè)關(guān)節(jié)上都設(shè)置有豐富的傳感器和電路，在太空中能夠?qū)崿F(xiàn)類似人類手臂的運(yùn)動能力。

如何實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在艙體上覆蓋“爬行”？無意間，團(tuán)隊(duì)從圓規(guī)中得到靈感，將機(jī)械臂創(chuàng)新設(shè)計(jì)成擁有兩只腳（手），即末端執(zhí)行器，和一個(gè)大腦，即中央控制器的結(jié)構(gòu)。

“中央控制器作為整臂的大腦，我們將它放到了離臂本體最近的地方?！绷撼４赫f，機(jī)械臂對稱配置，可以首尾互換，很好地解決了功能性難題。

梁常春曾形容說，“兩根臂桿展開后在艙表爬行時(shí)，仿佛就是一個(gè)巨大的圓規(guī)在空間站表面輾轉(zhuǎn)騰挪?！?/p>

在梁常春看來，空間站機(jī)械臂最主要的特色就是“爬行”功能，“團(tuán)隊(duì)利用最少的資源和代價(jià)，在有限臂長的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了整站作業(yè)區(qū)域的覆蓋，是一大創(chuàng)新?！?/p>

日復(fù)一日，年復(fù)一年，在無數(shù)次推倒重來的“歸零”中，梁常春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一輪輪迭代優(yōu)化，誓言做到“世界最好”。如今，空間站機(jī)械臂能夠圓滿完成艙外巡檢、輔助航天員出艙作業(yè)任務(wù)等各項(xiàng)任務(wù)，在技術(shù)、功能等方面達(dá)到世界先進(jìn)水平。

“從事航天工作一定要有良好的心態(tài)和如履薄冰的責(zé)任感，要善于從復(fù)雜的工程技術(shù)難題中尋找規(guī)律?！?0年前，梁常春第一次聽到這句話時(shí)就將其深深印在心底，也踐行在行動中。

從“上天攬?jiān)隆?，到“手摘星辰”，在追逐航天夢的過程中，梁常春勇于擔(dān)當(dāng)，甘于奉獻(xiàn)。如今，他在深空后續(xù)探測、小天體采樣、載人月球探測等任務(wù)中繼續(xù)踐行航天精神，為建設(shè)航天強(qiáng)國奉獻(xiàn)自己的青春力量。

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記者/編輯｜李川 統(tǒng)籌｜陳鳳莉