众所周知，太空中的生存环境极其恶劣，超低温、强辐射、高真空，人体如果直接暴露在太空环境下，会在一分钟内迅速死亡。宇航员在空间站驻留，外出作业都必须穿上舱外航天服，然后经过一系列的繁杂程序，如吸氧排氮、气闸舱减压等等，才能顺利出舱。就算顺利出舱，在太空中的每一秒钟，宇航员都面临宇宙辐射、太阳粒子和宇宙撞击的危险，风险极大。那么有没有一种工具，能够代替宇航员进行简单重复的劳动呢？为此，空间机械臂应运而生。
简单来讲，空间机械臂就是一个智能机器人，具备精确操作能力和视觉识别能力，既具有自主分析能力，也可由航天员进行遥控，是集机械、视觉、动力学、电子和控制等学科为一体的高端航天装备。它可以完成辅助对接、目标搬运、在轨建设、摄像、对卫星等空间合作或非合作目标的捕获释放等任务，此外还可以作为航天员出舱活动的辅助设备。
世界上最早的空间机械臂是加拿大斯巴宇航公司研制的“加拿大机械臂1”（Canadarm1），1981年随美国的航天飞机发射升空。这款机械臂总长15.2米，直径为0.38米，自重410千克，能够抓取332.5千克的载荷，具有6个自由度。该机械臂作为空间机械臂的开路先锋，显示了机械臂广阔的使用范围和发展潜力，极大促进了空间机械臂的发展。此后，美苏空间站的设计都带有空间机械臂，德国、欧洲航天局、日本后续也都着手研制了自己的机械臂，在轨试验后投入实际应用。
我国的空间机械臂是在2005年由中国航天科技集团五院开始论证研究。当时机械臂新技术比例超过80%，技术难度可想而知，再加上国外的技术封锁，研究过程可谓困难重重。尽管如此，我们还是顶住了压力，不断突破瓶颈，并在2016年9月，顺利跟随“天宫二号空间实验室”发射升空，开展在轨测试验证。今年发射的神舟十二号载人飞船上，就装载了我国自主研制的空间机械臂，由于它的初始安装位置是在天和核心舱小柱段对地球一面，因此得名“天和机械臂”。
天和机械臂由两根臂杆组成，对应着人体的大臂与小臂，两根臂杆的展开长度达10.2米，可联合动作，也可单根臂杆独立工作。天和机械臂配套了两个末端执行器，一套视觉相机系统、一套总控制器，总重量不到800公斤，而其末端在轨最大承载能力却达到了惊人的25吨，相当于我们成年人一只胳膊抬起100公斤的重物。
天和机械臂具有七个自由度，比“加拿大机械臂1”多一个自由度，同时它还具有在舱外“自主”爬行和“自拍”能力，被广大网友戏称为“百变金刚”。
那何为七自由度呢？天和机械臂就像人的手臂一样，由大臂和小臂组成，既然有大、小臂，那自然要有肩、肘、腕。天和机械臂的肩部设置了三个关节，肘部设置了一个关节，腕部设置了三个关节，一共七个关节，每一个关节对应一个自由度，所以称七自由度。通过各个关节的旋转，能够实现自身前、后、左、右、任意角度与位置的抓取和操作，就如同人类的手臂一般灵活。七自由度机械臂技术是我国工业和设计实力的体现，也是空间站的核心技术之一，这项技术至今只有极个别的国家掌握。
机械臂的“自主”爬行功能，绝对是一个“大脑洞”。它的设计灵感来源于蠕虫的爬行，这项功能可以使机械臂在空间站舱体表面爬行转移，到达任意工作地点，大大增加了空间站的舱外活动范围。在空间站外舱体表面，安装有众多目标适配器。这些目标适配器，不仅为机械臂提供电接口、通信接口和其他一系列的功能接口，还提供了对接与分离的机械接口。机械臂的肩部和腕部关节配置有功能相同的末端执行器，这个末端执行器可以对接舱体表面的目标适配器，就类似木工常用的榫卯结构。机械臂通过末端执行器与目标适配器的对接与分离，同时配合各关节的联合运动，就能实现在舱体上的爬行转移了。
说到机械臂的“自拍”功能，更应该是一个“意外惊喜”。因为最初设计这个功能，可不是为了上天“臭美”用的，而是要实实在在地进行舱外状态监视与舱表状态检查。因为太空中空间碎片繁多，而且速度很快，几毫米大的碎片就会对在轨的航天器造成相当严重的损害，空间站在太空中每时每刻都面临着空间碎片撞击的危险，所以要定期对空间站舱外与舱表状态进行检查确认。为此，天和机械臂肘部、肩部、腕部各装有一台视觉相机，是舱外状态检查与舱表状态检查的主要设备。通过机械臂在舱体表面的爬行配合视觉相机监视，就如同空间站伸出了一根大大的自拍杆，实现了360度全覆盖、无死角的监视，不但非常巧妙地实现了对于空间站舱外设备的巡检功能，还可以给大家传送分享多角度的“自拍”照。
此外，机械臂还是空间站在轨建造的“神兵利器”。明年我国将发射“问天”与“梦天”两个实验舱，它们将与核心舱一同组成“T”字型组合体，完成空间站建造任务。但两个实验舱受限于姿态的问题，无法直接与核心舱的侧向停泊口对接，而是要先与核心舱前向对接口对接后，再转位至侧向停泊口。天和机械臂就具备承载实验舱实施转位对接的能力并具有毫米级的控制精度，它将在后续的对接中大展神威。
当然，天和机械臂的功能虽然很强大，但它也不是万能的，一些精细复杂的舱外活动，还是需要我们的宇航员亲自出马。这个时候，天和机械臂就只能打打下手了。天和机械臂末端可以对接脚限位器，航天员出舱后就站在脚限位器上，机械臂可以安全平稳地把它们送到目标位置，实现航天员的大范围转移，进而辅助航天员执行舱外活动任务。可别小瞧了这个功能，要知道，以前宇航员出舱都是采用系绳子这种软连接的方式，这种方式只能保证宇航员不在太空飘走，但宇航员的姿态、位置控制，只能靠宇航员自己加油了。往往还没到达工作地点，就累出一身汗。有了机械臂这种硬连接方式，就能很好控制宇航员的姿态、位置，使宇航员腾出精力专心工作，对宇航员来说，不啻如虎添翼。
我国的空间机械臂虽然起步较晚，但经过十余年奋力追赶，现在已经达到了世界一流水平，就算与国际空间站现役的“加拿大机械臂2”相比，在灵活性和操控性上也更胜一筹，甚至强于目前国际空间站上所有的机械臂。天和号装备了性能如此强悍的机械臂，标志着我国航天工业水平取得了巨大进步，在通往航天强国的路上迈出了坚实的一大步！
（作者单位：电子科技大学）
责任编辑：王昆鹏
