就在昨晚，神舟十五号顺利点火发射，飞船入轨后，将按照预定程序，与空间站组合体进行快速交汇对接。但是，重达30多吨的空间站，如果出现了设备故障，应该怎么办呢？这时，“黑科技”——空间机械臂，就派上了大用场…
出品：格致论道讲坛
以下内容为航天五院总体设计部工程师朱超演讲实录：
大家好！我是朱超，来自航天五院总体设计部。我现在是中国空间站机械臂的一名设计师，今天很荣幸和大家分享机械臂研制的故事。
大家想不想知道太空是什么样的，然后再到太空里面去看看我们的地球是什么样的？肯定很多人想知道吧。
现在，我们就有一个利器能够看到这样的景象：中国空间站。右图是中国空间站在轨的状态的模拟图，它的轨道距离地面有公里。很多喜爱航天的朋友，大家偶尔看见夜空中有一个点闪过，那有可能就是中国空间站过境。左图就是网友拍摄的中国空间站过境的状态，在夜空划出了一道美丽的弧线。
在中国空间里，航天员就可以透过舷窗，领略宇宙馈赠的绝美风景。
空间站到底是什么样子、具有怎么样的功能呢？上面是未来空间站建造完成后的形态，总共有6个模块：中间的部分是核心舱，左右两侧是问天舱和梦天舱两个舱段，未来还有载人飞船和货运飞船和它进行对接。
机械臂：组装建造小能手
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那么，我们这么庞大的舱体是怎么样运到太空中的？答案是通过火箭发射上去的。例如长征五号火箭，俗称“胖五”，它是我国目前运载能力最强的火箭。
实际上，即使是胖五，也不能将整个空间站运送发射上天，而是把空间站的一个一个模块装在上面发射上去。
这是空间站主体的建造过程。未来的舱段对接完成后，首先要进行姿态的转移，即通过转位机构转换对应的姿态。未来的空间站主舱建造完成后，太阳翼还可以进行运动。
我们空间站是有30多吨重、长达38米的庞大物体，它悬浮在太空里面，如果舱外的设备坏了，或者有国外的飞行器对我们进行监视，怎么办？这时候我们中国空间站的黑科技——空间机械臂就能派上用场了。
它能像机器人那样在舱体上来回爬行，执行很多任务。这是空间机械臂在舱外监视、捕获悬停飞行器和开展状态检查的场景。
我们再通过这段视频，详细看一看机械臂到底能做什么。它能通过相机进行巡检；可以抓一个重达十几吨的很大的舱段；另外，它还能捕获一个特别大的会动的目标；同时会辅助航天员进行出舱活动；还可以转移太阳翼；以及进行状态的检查。在这段视频中，机械臂是不是看起来非常灵活？大家想不想知道这个机械臂到底是如何设计出来的呢？
机械臂的设计与测试
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机械臂的设计灵感来源于哪儿？人类的手臂。我们手臂有肩部、肘部、腕部三个重要部分。
如果将朝一个方向运动称作一个自由度，我们手臂有7个自由度。比如我的肩部可以向3维空间的任何一个方向转动，所以有3个自由度；我的肘只能在一个方向上打开收缩，所以是1个自由度；我的腕部也是可以向3个方向转动。所以最后总结下来就有7个自由度。因为机械臂的设计灵感来源于我们真实的手臂，所以机械臂其实也具有7个自由度，不过它是通过7个关节实现的。机械臂在运动过程中像我们的手臂一样，可以到达任何可及的范围。
这段视频展示了机械臂的组成，包括关节、末端、相机、臂杆、压紧以及目标适配器。它长达10米，相当于4层楼的高度。在末端有一个相机可以进行状态监视和目标识别。
机械臂是不是就这几个部件组成的呢？实际上不是的。从年开始论证到年发射成功，我们上百人的团队用了整整15年。每个机械臂有大概1.8万个零部件，背后还有50万行代码，是一个非常复杂的系统，可以说耗费了我们很大的心血。
举个看似不起眼的例子——机械臂上面的国旗。可以看到国旗非常鲜艳，但背后凝聚了我们很多心血。由于空间辐射环境，普通的国旗可能过个几个月颜色就被完全腐蚀了。于是我们自主研发了红色和黄色的涂层，将它喷在固体的表面，最后镶嵌到机械臂上，才能形成这样比较完美的状态。
设计完成的机械臂是不是就可以直接上天？显然不是的。我们还要做大量的地面实验，来验证设计是否正确。
首先第一个面临的问题就是空间环境。地面上是有重力的，所以人们走路的时候非常平稳。我们的机械臂有0.74吨，相当于半辆小汽车的重量，在地面上一两个人是很难推动的。而在太空里面是零重力的环境，不用力自身就会悬浮在太空中。因此我们需要给机械臂设计一个失重的环境，将它在地面上悬浮，并且进行灵活的运动。
左图两个红圈，是我们用工装使机械臂支撑在地面上。然后怎么使其悬浮呢？这是非常有讲究的。右图红圈中是一个黑色的气足，在它里面充入高压气体的，这样可以让它悬浮起来。
这个视频是机械臂在地面做实验的场景。黑色气足旁边的红色管路里，正不断地向内输送压缩空气。于是气足会向下喷气，与地面形成一层只有头发丝四分之一厚的气膜，这样我们在地面测试的过程中，机械臂的运动是非常平稳的。
实际上，空间环境除了刚才所说的失重外，还有剧烈的温差。我们地面上是不是二三十度就非常热了？太空里面是从零下度到零上度，差距是多度，机械臂要在这样的环境中工作。
▲轴长16.64米，直径4.2米，重量22.5吨
在测试的时候，我们首先将机械臂和空间站组合、固定在一起。然后将整个空间站和机械臂送到右下图中的黑色大罐子中。之后将罐子封闭，往里面充氮气。温度区间可以设置为零上度到零下度。温度来来回回地进行循环，通过多次循环来检验机械臂的性能。
此外，机械臂还有很多很多这样的测试。比如我们还会将机械臂拆成散件，进行各种各样的地面测试。地面测试全部完成之后，机械臂才具备了上天的条件。
到太空中帮助航天员执行任务
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年4月29日，机械臂就随着空间站发射上天了。在发射成功的那一刻，我们是非常开心的。这是花费15年的时间研制成功的产品，大家当时都很激动。
但是在开心之余，我们还有一点忐忑。因为机械臂即将面临一个真正的大考——它要在太空里面进行运动、执行状态巡检等任务。以状态巡检为例，大家知道空间站外表面非常的大，还装了很多庞大的设备。如果外面的设备坏了、有损伤了，我们通过地面无法判断的时候，我们怎么办？这就需要机械臂出场了。
像左图就是太阳翼，空间站太阳翼展开后非常大，是为空间站供电的。一旦太阳翼有损伤，空间站便不能发电，我们的航天员在里面就无法生活了，所以这个非常重要。右图就是机械臂转成一个指定的构型去巡检太阳翼的状态。
这是机械臂在运动的状态。根据地面的指令，它就能转移到指定的位置，用末端的相机给太阳翼拍照。
还有就是机械臂执行出舱任务。出舱任务非常复杂，除了机械臂自身运动之外，还需要人机的协同。下面这个视频就是机械臂执行出舱任务的场景。
首先，通过地面指令将机械臂移动到出舱口，等待航天员来装设备。视频中航天员先在机械臂的末端固定一个脚限位器，方便航天员踩上去后卡住。
接下来安装一个特别大的操作台。航天员将设备都挂在操作台上，不用人手拿着，还可以通过机械臂直接转移。在航天员安装的时候，机械臂是柔性晃动的，所以在天上操作是非常困难的。
接下来，机械臂就能载着航天员，带着从舱内传出来设备，进行大范围的转移，可以看到画面右方空间站外侧已经有一位航天员在工作，中间站在机械臂上的航天员抓着一个设备。最后这个场景，是机械臂载着航天员在这个区域安装一台设备。这个时候航天员会通过专用工具进行操作，机械臂处于静止状态，可以保证航天员有足够的支撑。
视频中航天员在机械臂上操作得非常灵活，其实航天员在地面上就需要和机械臂进行大量的合练，这个训练的时间会持续1-2年。那么我们又遇到了同样的难题，如何在地面去模拟空间中的失重环境？我们就在水下通过水的浮力去抵消机械臂的重力，形成一个失重的环境。
左图画圈的地方就是我们研制的水下机械臂，当然它和天上的机械臂是有些差别的。在合练过程中，我们会配合航天员进行整个任务，每次航天员要进行长达6个小时的训练。任务结束之后，我们也在一起交流。作为设计人员，能够参与这样一个重要的任务，并且可以和航天员近距离的接触，我是非常自豪的。
▲左：8年神舟七号
右：年神舟十三号
大家了解了机械臂的作用，但是可能还不明白这个作用的重要性。下面给大家讲一个小故事。8年神舟七号发射后，翟志刚代表中国航天员首次进行太空出舱任务。这是具有历史意义的一刻，当时他穿着飞天航天服，出舱了16分钟，只是在舱口附近进行了简单的操作。年，神舟十三号发射后，翟志刚作为中国唯一一位两次出舱的航天员，与王亚平一起出舱，完成了7个小时的任务，非常成功，机械臂可以送航天员到达想要去的任何位置。从这两个对比来看，可以发现机械臂让航天员的作业时间更长、到达地方更远，这就是机械臂的重要性。
未来，我们的机械臂并不只有以上这些任务。目前（年7月）在轨的机械臂只有10米长，上面的视频展示了我们还会发射另外一条5米长的“问天”机械臂。将它们组合在一起之后，两个机械臂互相“握手”去执行任务，任务完成后脱开。另外还会通过组合臂去执行舱外巡检，支持航天员出舱等等任务。
虽然我是一名小小的设计师，但是非常荣幸，在团队中通过15年的时间成功研制了机械臂，能够通过自己的工作为国家载人航天事业贡献微薄的力量。未来希望更多的小朋友能够了解航天，加入我们。我们的征途一定是星辰宇宙！
谢谢大家！
“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”