主播君的話

十年來，梁常春先后研發(fā)嫦娥五號機械臂和載人空間站機械臂，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第五研究院空間站機械臂控制系統(tǒng)主任設計師、高級工程師。

2012年，梁常春從同濟大學機械設計制造及自動化專業(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宣講會，燃起梁常春的航天夢想。

48小時，嫦娥五號機械臂采回1.7千克月壤

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

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)鍵任務就是實現(xiàn)月面無人采樣并返回地球。

明白任務的艱巨而重要，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)驗的遠遠不足，需要盡快轉(zhuǎn)換心態(tài)和角色，迎接挑戰(zhàn)和考驗。

梁常春說，嫦娥五號機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)移這一系列復雜動作，需要在有限的時間窗口內(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)實困境?！皩τ谖覀儑叶?，當時尚沒有類似一種機械臂在星表的應用經(jīng)驗，從工程角度來講確實是從無到有的過程?！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雜機電裝置中，梁常春尋覓到可資借鑒的寶貴經(jīng)驗，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，一方面重量嚴格受限。

梁常春說，在月表1/6重力特殊的應用環(huán)境中，采集、抓取、轉(zhuǎn)移等高精度的動作要求，都對機械臂控制系統(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、攻關(guān)，自己編寫幾千行MATLAB程序代碼，形成了空間機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，這的確是一個艱辛的過程?！绷撼４焊锌?。

對于這根如釣魚竿般纖細的機械臂而言，艱辛之處還面臨著如何去真實模擬月表環(huán)境進行驗證。

為了確保萬無一失，研發(fā)團隊采取懸吊法、斜面法等多種手段反復驗證，預設各種能想到的故障一一測試，將機械臂不斷迭代，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48小時的月壤采集任務。

對于梁常春而言，這48小時就像八年前剛接到研發(fā)機械臂任務時一樣激動而忐忑。

全神貫注盯著屏幕上的月面采樣實時影像，鉆土、鏟土、挖土、夾土、放土……機械臂的每一個動作，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械臂完成；“陌生”的是，如今這些動作是在月球上真實上演完成。

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、七個關(guān)節(jié)，空間站機械臂能搬運25噸重物體

中國載人空間站機械臂體型龐大，有十米長、七個關(guān)節(jié)，既能搬運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)嫦娥五號機械臂的同時，梁常春開始擔任中國“天宮”載人空間站大型機械臂控制系統(tǒng)負責人。

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

“空間站機械臂是要在我國唯一的太空實驗室上長期在軌應用的一套重要智能機械裝備，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靈活的手臂?！绷撼４赫f。

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)團隊需要一一攻克的難題。

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

“團隊每個成員在茶余飯后都會思考，這個機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)團隊分析關(guān)節(jié)和臂桿布局的配置，為了實現(xiàn)全空間的靈活運動，關(guān)節(jié)的自由度必不可少。

為此，空間站機械臂設計成七個關(guān)節(jié)，即實現(xiàn)七個自由度，在每個關(guān)節(jié)上都設置有豐富的傳感器和電路，在太空中能夠?qū)崿F(xiàn)類似人類手臂的運動能力。

如何實現(xiàn)機械臂在艙體上覆蓋“爬行”？無意間，團隊從圓規(guī)中得到靈感，將機械臂創(chuàng)新設計成擁有兩只腳（手），即末端執(zhí)行器，和一個大腦，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，仿佛就是一個巨大的圓規(guī)在空間站表面輾轉(zhuǎn)騰挪?！?/p>

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

日復一日，年復一年，在無數(shù)次推倒重來的“歸零”中，梁常春帶領(lǐng)團隊一輪輪迭代優(yōu)化，誓言做到“世界最好”。如今，空間站機械臂能夠圓滿完成艙外巡檢、輔助航天員出艙作業(yè)任務等各項任務，在技術(shù)、功能等方面達到世界先進水平。

“從事航天工作一定要有良好的心態(tài)和如履薄冰的責任感，要善于從復雜的工程技術(shù)難題中尋找規(guī)律。”10年前，梁常春第一次聽到這句話時就將其深深印在心底，也踐行在行動中。

從“上天攬月”，到“手摘星辰”，在追逐航天夢的過程中，梁常春勇于擔當，甘于奉獻。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中繼續(xù)踐行航天精神，為建設航天強國奉獻自己的青春力量。

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記者/編輯｜李川 統(tǒng)籌｜陳鳳莉