國際空間站的新“手臂”：歐洲機械臂

文/ 遲惑

7月21日，歐空局研制的“歐洲機械臂”總算從拜科努爾空間中心發(fā)射升空，成為繼加拿大臂2、日本機械臂、中國空間站機械臂之外，太空中第四個大型機械臂。為了這一天，歐空局已經(jīng)等了20年。

歐空局設(shè)想的未來歐洲機械臂艙外活動支持模式

測試中的歐洲機械臂

俯視歐洲機械臂和“科學(xué)號”的結(jié)合過程

總算上天的歐洲機械臂

歐洲機械臂（ERA）是由荷蘭航天公司總承包，歐洲阿斯特里姆公司（如今的空客防務(wù)公司一部分）、SABCA公司和Stork公司分包。歐洲機械臂最初打算在2001年用航天飛機發(fā)射，安裝在國際空間站的俄羅斯模塊上。但是因為研制進度推遲、航天飛機退役，發(fā)射任務(wù)只能轉(zhuǎn)給俄羅斯質(zhì)子火箭，隨俄羅斯科學(xué)號多用途實驗室艙（MLM）發(fā)射。“科學(xué)號”一度打算在2015年發(fā)射，但一再推遲，最后就拖到了2021年。一個重點型號推遲20年才上天，這種事情也只會發(fā)生在歐洲這種什么事情都要國際協(xié)調(diào)的機制下。

歐洲機械臂長約10米，質(zhì)量約為620千克，由 7 個關(guān)節(jié)、 2 段手臂和2套末端效應(yīng)器構(gòu)成。和“加拿大臂2”以及中國機械臂一樣，歐洲機械臂采用了兩端對稱設(shè)計，兩段手臂兩端各有一個完整的3自由度腕部和末端效應(yīng)器，讓歐洲機械臂可以在空間站的基點之間爬行。它主要用于俄羅斯艙段部分外掛設(shè)備的在軌裝配，如安裝隔熱板、拓展氣閘艙，并開展其他艙外服務(wù)，這些輔助功能將降低航天員在太空行走時的難度。

主要技術(shù)特性

歐洲機械臂的結(jié)構(gòu)

歐洲機械臂主要包括以下主要部件：

即將與“科學(xué)號”結(jié)合的歐洲機械臂

歐洲很早就展出了“科學(xué)號”與歐洲機械臂的結(jié)合模型

1.末端效應(yīng)器組件（EES）。它是歐洲機械臂的“手”，但是其實沒有手那么復(fù)雜。具體結(jié)構(gòu)包括：抓斗機構(gòu)（GM），包括基點（BP）和抓斗夾具（GF）；綜合維修工具（IST）（包括抓斗夾具上的插座）；扭矩/力傳感器（TFS），包括扭矩剛性機構(gòu)（TRM）。

歐洲機械臂的艙外控制臺

歐洲機械臂的手腕

2.機械臂關(guān)節(jié)組件（MJS）。它由3個模塊化鉸鏈組成，結(jié)構(gòu)基本相同，只有卷軸部分不同。這3個鉸鏈一起形成所謂的“腕”關(guān)節(jié)。其中包括：俯仰關(guān)節(jié)/偏航關(guān)節(jié)/滾動關(guān)節(jié)，位于臂的兩端；肘關(guān)節(jié)使用與腕關(guān)節(jié)相同的基本硬件，但只有一個自由度。

3.發(fā)射固定機構(gòu)。其作用是抑制發(fā)射過程中的意外運動。在俄羅斯“科學(xué)號”上的發(fā)射固定機構(gòu)包括：固定鉤和支撐墊，屬于“科學(xué)號”的一部分；插銷和支撐墊，是歐洲機械臂結(jié)構(gòu)的一部分。航天員要通過艙外活動來把機械臂從發(fā)射支架展開，具體工作包括松開固定鉤、激活一些特殊的機械特性。

4.服務(wù)型設(shè)備。主要包括：攝像機和照明裝置（CLU），連接器匹配/取消匹配機構(gòu)；太空行走人機界面，也就是各類開關(guān)和按鈕；超越控制機構(gòu)，在太空行走期間，航天員通過使用這些機構(gòu)，可以超越電子控制設(shè)備，來手動控制歐洲機械臂的活動；太空行走時使用的可放置扶手。

功能強大的“手”

歐洲機械臂有兩個末端效應(yīng)器，就像兩只手，雖然它們沒有手那么復(fù)雜，但功能依然十分強大。在軌運行期間，一端的末端效應(yīng)器連接到一個基點上，可以在艙段和歐洲機械臂之間提供足夠的剛性連接，并為歐洲機械臂的運行提供電力、數(shù)據(jù)和視頻信號。另一端的末端效應(yīng)器用作抓取器，能夠抓取配備有抓取夾具或基點的物體。此外，這個自由的末端效應(yīng)器還要為整個歐洲機械臂提供扭矩/力值數(shù)據(jù)，來支持歐洲機械臂的正常安全運行，它還可以向被抓取的物體提供機械支撐和電力，以及數(shù)據(jù)傳輸。

歐洲機械臂的抓斗實拍

歐洲機械臂即將與“科學(xué)號”結(jié)合

為了實現(xiàn)上述能力，末端效應(yīng)器被分配了以下功能：測量扭矩/力，抓斗/導(dǎo)向裝置，電力、數(shù)據(jù)和視頻傳輸，插入綜合維修工具頭以提供機械動力，提供足夠的剛度。如果不需要測量扭矩/力，末端效應(yīng)器就要保持剛性化。扭矩/力傳感器的剛性化能力，對于在末端效應(yīng)器充當(dāng)“肩部”時所需剛度以及運輸操作期間充當(dāng)“手部”所需剛度，是必要的。

歐洲機械臂的肘部

1.外殼結(jié)構(gòu)

末端效應(yīng)器的主要承載結(jié)構(gòu)，包括下殼體結(jié)構(gòu)和帶電子單元的外殼。下殼體結(jié)構(gòu)由3個加強筋組成，在加強筋上附有蓋板、接口環(huán)，以及導(dǎo)向裝置。電子裝置外殼上裝有機械臂關(guān)節(jié)組件的滾動關(guān)節(jié)以及攝像頭、照明裝置的接口。外殼結(jié)構(gòu)的所有零件均由高強度鋁合金制成，接口環(huán)和導(dǎo)向裝置由鈦合金制成，主軸和掛鉤由鋼制成。

2.驅(qū)動和傳感裝置

驅(qū)動和傳感裝置由驅(qū)動裝置、扭矩/力傳感器和扭矩/力傳感器剛性化機構(gòu)組成。

驅(qū)動裝置包括一個內(nèi)部冗余的無刷式電動機、一組安裝在電機軸上的冗余霍爾傳感器、一個齒輪系和三個安裝在移動平臺上的帶螺母滾柱螺桿組成。齒輪/電機組件同步驅(qū)動滾柱螺桿。三個滾柱螺釘螺母安裝在平臺上，具備有限的浮動能力，滾柱螺桿的旋轉(zhuǎn)可以驅(qū)動平臺向上/向下移動。

扭矩/力傳感器是一個配備應(yīng)變計的機電裝置，它能測量6個自由度上的扭矩和力。采集到的模擬信號經(jīng)電子裝置采集和處理，并發(fā)送至臂上計算機。扭矩/力傳感器具有溫度補償功能，并裝有剛性端部止動塊，防止機械過載。如果不需要扭矩/力傳感器的測量功能，并且需要增加扭矩/力傳感器的剛度，則用扭矩/力傳感器剛性機構(gòu)進行阻斷。

扭矩/力傳感器剛性機構(gòu)用來阻止扭矩/力傳感器工作。它動作的時候，會自動形成一個剛性結(jié)構(gòu)，把末段效應(yīng)器變成一個純粹的固定設(shè)備。不需要剛性化的時候，它會形成柔性結(jié)構(gòu)，以保護機械臂不過載。

3.移動平臺

移動平臺負責(zé)啟動抓斗機構(gòu)，負責(zé)集成維修工具頭部插入工作，并匹配系統(tǒng)線束接頭（用于電源、視頻和數(shù)據(jù)線）。公插頭將與位于基點/抓斗處的母插座結(jié)合，用3個冗余開關(guān)監(jiān)測平臺位置，為末端效應(yīng)器電子單元提供狀態(tài)信息。除了通過開關(guān)進行監(jiān)控外，移動平臺還可以隨時通過執(zhí)行器單元電機的霍爾效應(yīng)傳感器提供信號。

4.抓斗機構(gòu)

歐洲機械臂

歐洲機械臂結(jié)構(gòu)

抓斗夾具安裝在所有要用末端效應(yīng)器處理的物體上。每個抓斗夾具都裝有連接器的母插座部分，通過這種插座，電力、信號和視頻數(shù)據(jù)被路由到被抓取的對象上。此外，抓斗夾具上還裝有綜合維修工具頭部插座，通過這個插座，可為被抓取的物體提供扭矩（例如擰緊/擰松）。歐洲機械臂的抓斗機構(gòu)由3個鉤/桿系統(tǒng)組成，可以耦合到移動平臺上。抓斗機構(gòu)在抓斗夾具或基點處拉動，直到它們和末端效應(yīng)器之間的間隙閉合，然后抓斗機構(gòu)剛性化并預(yù)緊。抓斗機構(gòu)的掛鉤由螺旋彈簧不斷向外壓，在抓斗夾具或基點的抓取過程中，當(dāng)一個吊鉤接觸到障礙物時，由于彈簧產(chǎn)生變形，吊鉤會產(chǎn)生約30牛頓的力。扭矩/力傳感器測量到反作用力后，通過電子單元傳輸至臂上計算機。然后末端效應(yīng)器將對抓斗夾具/基點重新定位，以減輕誘導(dǎo)載荷。

歐洲機械臂正在安裝到“科學(xué)號”上

航天員正在為歐洲機械臂的來到接受訓(xùn)練

5.系統(tǒng)線束接頭

安裝在移動平臺上的3個接頭將在一側(cè)的末端效應(yīng)器和另一側(cè)的抓斗夾具或基點之間傳輸電力、視頻和數(shù)據(jù)。連接器通過浮動裝置安裝在移動平臺上，以提供橫向和角度偏差補償能力。每個連接器都有提供監(jiān)控匹配/未匹配狀態(tài)的功能。

6.綜合維修工具

綜合維修工具用于為被抓物體提供扭矩，例如擰緊或擰松螺栓，或收起散熱器組。綜合維修工具安裝在下端效應(yīng)器室中，由電氣冗余無刷電機、齒輪箱和帶有彈出式裝置的工具頭組成。齒輪箱輸出軸驅(qū)動綜合維修工具插頭，插入抓斗夾具處的插座中，為螺釘接口提供機械動力。

7.基點

基點在機械結(jié)構(gòu)上與抓斗夾具相同。它們沒有插座，但負責(zé)提供歐洲機械臂和艙段之間的所有系統(tǒng)線束連接。它們包含3個系統(tǒng)線束接頭的內(nèi)螺紋部分，用于歐洲機械臂的電力、信號和視頻數(shù)據(jù)傳輸和路由分配。基點還提供了末端效應(yīng)器一側(cè)抓斗機構(gòu)和另一側(cè)俄羅斯艙段之間的機械接口。

靈活的“關(guān)節(jié)”

歐洲機械臂比大多數(shù)工業(yè)機器人靈活得多。手臂的主要彎曲模式很重要，因為它要控制超過90%的總轉(zhuǎn)動慣量，是控制系統(tǒng)最主要的處理對象。歐洲機械臂結(jié)構(gòu)緊湊、重量有限、剛度高、齒隙小、壽命長，需要在熱真空環(huán)境中工作，對接頭和鉸鏈單元的研發(fā)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

手腕部分包含一個電子箱，獨立驅(qū)動3個電機。電子箱中有兩套印刷電路板實現(xiàn)冗余。肩關(guān)節(jié)和手腕各有單獨的電子箱，用于實現(xiàn)供電和遙測功能。肘部的電子設(shè)備箱位于肢體之間的矩形長方體中，構(gòu)成結(jié)構(gòu)荷載的一部分。因此，箱形結(jié)構(gòu)用肋板進行了加固。

歐洲機械臂終于成行

每個接頭由以下機械元件組成：①電機裝置：電機、分解器、關(guān)節(jié)位置傳感器，用于將關(guān)節(jié)位置反饋給關(guān)節(jié)控制電子設(shè)備和制動器；②齒輪箱總成：用于扭矩傳遞和減速的四級行星齒輪系，包括軸承，潤滑油/潤滑脂；③電機外殼和軛架。此外，還為手動超控提供了太空行走時的訪問權(quán)限。其他非機械元件包括：①電纜和連接器；穿過接頭供外部使用的交叉線和連接至接頭內(nèi)電氣元件的入口線；②熱硬件、加熱器；③電纜蓋/連接器蓋。

歐洲七自由度機械臂，也可以爬行

熱真空測試中的歐洲機械臂

發(fā)射固定機構(gòu)：“查理·卓別林”

歐洲機械臂固定在俄羅斯“科學(xué)號”的基座上發(fā)射。在發(fā)射過程中，兩個末端效應(yīng)器都抓住一個特定基點，用它們來充當(dāng)負載懸掛系統(tǒng)。在軌道運行的休眠階段，兩個末端效應(yīng)器也都要抓住一個基點。在這種配置下，所有的電氣連接器都將與空間站相匹配。

固定機構(gòu)被戲稱為“查理·卓別林”，用6個發(fā)射固定機構(gòu)固定在”科學(xué)號”上。每個固定機構(gòu)包括兩個掛鉤，掛鉤是可調(diào)的，歐洲機械臂上的嚙合銷不可調(diào)。掛鉤上的預(yù)緊力為500~1000牛頓。在歐洲機械臂和固定機構(gòu)之間留有間隙，以便于組裝和適應(yīng)熱膨脹，也方便釋放。固定機構(gòu)分別位于肘關(guān)節(jié)、手腕電子箱和滾動關(guān)節(jié)上。

手動超控

為了方便安裝和維護，歐洲機械臂保留了手動超越控制功能。所謂“超越”就是人超越計算機，直接控制機械設(shè)備。在末端效應(yīng)器執(zhí)行單元、集成維修工具和扭矩/力傳感器剛性機構(gòu)中，可以實現(xiàn)太空行走時的手動超控。但發(fā)射過程中，致動器裝置和扭矩剛性機構(gòu)的手動超控是不能工作的，以確保剛性機構(gòu)處于關(guān)閉位置。在軌安裝歐洲機械臂期間，必須解除發(fā)射閉鎖機構(gòu)。具體解除動作是，用超控工具插入致動器裝置和扭矩剛性機構(gòu)手動超控接口的六角插座中。通過第一次插入，位于六角形插座內(nèi)的插銷被向后推到解鎖位置。閉鎖裝置確保插銷在此后所有在軌操作期間保持在解除閉鎖位置。

正在吊裝到科學(xué)號上的歐洲機械臂

手動超控插入口和位置指示器平時用蓋子覆蓋，以防止陽光遮擋和熱量泄漏。在啟動太空行走超控裝置之前，航天員必須將相關(guān)部分向后折疊，然后將其固定住。

歐洲機械臂由輕質(zhì)的鋁和碳纖維構(gòu)成，能夠移動和安裝約8000千克的組件，末端定位精度可達5毫米。航天員能夠從科學(xué)號實驗艙內(nèi)部實時控制手臂，或者對其進行預(yù)編程以自主執(zhí)行任務(wù)。手臂的中間還有一個內(nèi)置的中控計算機，太空行走過程中的航天員可以通過設(shè)備輸入指令。機械臂還加裝了腳限位器用來擴展航天員的出艙活動范圍，輔助加成提高太空行走的工作效率。