材制视角 | 机械臂——探测车之魂

初原载于 爱学习的 青春材制    2020-10-23

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2020年7月23日，我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功在中国文昌航天发射场发射升空。其将在地火转移轨道飞行约7个月，预计2021年2月进入环火轨道、同年5月降落火星。同嫦娥落月放出玉兔号一样，天问一号降落火星后也会放出火星车。除了帮助这些小车前行的传动系统，发送信号的通讯装置，它们搭载的机械臂，是探测车上不可或缺的灵魂。

在科幻电影中，战斗机器人打斗作战中挥舞刀枪也靠机械臂，其每次挥臂都只是机械重复系统中的指令。但由于太空探测需要更加精细的控制和微操、科学家需要实时掌控并调整机械臂的动作情况，这时我们的传动装置就要大显身手了。

传动装置是把动力装置的动力传递给工作机构等的中间设备，通俗的说就是运送动力的中介。其可分为机械传动、电力传动、气体传动、液体传动。目前我国的探测车机械臂主要靠电力传动和液体传动，而电力传动无法进行频繁的启动、制动，因此很少单独采用。液体传动中主要采用液压传动，即利用液体压力进行能量转换，可以简化结构，减轻质量，减少材料消耗与劳动强度，提高工作效率和工作的可靠性。

再来说说动力输送的流程，动力源产生的动力会激发电流电信号，从而告诉传动系统要干活儿了。传动系统会以下图的方式与发动机等元件结合，形成等效动力源。类似于计算机编程的输入与输出信号，发动机的转速越大，其产生的动力越强，输送到机械臂自由端的驱动力会越大，其移动的速度会越快。同样的，这个速度会以电信号的形式传回传动系统，告知系统此速度是快是慢，形成类似生物上的“负反馈调节”。

有了传动装置输送的源源动力，探测车的机械臂才能大展宏图。其有一个相当于肩的“关节”，得以使机械臂展开，就像我们人类可以自由屈、伸、收、展、旋转及环转胳膊一样；然后再伸展另一个“关节”，将机械臂的自由端伸张出去，通过类似人类腕关节来运动。如此，机械臂就可以载着探头探向地面，在地球上科学家的指挥下，探索我们还未知的世界。如玉兔号落月后，机械臂伸展安装在机械臂前端的粒子激发X谱仪，在两个月昼各进行了一次探测，获取了落月地月表组成元素的数据。

2020年9月19日的中国航天大会上，中国探月工程副总设计师表示，预计2020年底之前发射“嫦娥五号”，实现月球区域软着陆及采样返回。嫦娥五号月球车上的机械臂被设计为一种能够满足俯仰和滚动姿态、升降高度可按需求调节的装置。届时，我们将有机会一睹机械臂的真容和它的伟大功用，在人类向未知领域探索时发挥的重大作用，在人类肉体触手所不能及的地方拾取知识的碎片。

忆往昔，从东方红一号响彻苍穹到神舟五号撼动世界、从天宫一号空间实验室建立到中国太空空间站的建设、从嫦娥揽月到天问远行，是一代又一代中国航天人的努力结晶，机械工程的理论知识在其中发挥着不可磨灭的作用。看今朝，我们未来的学习之旅，依旧很长；未来的中国航天，仍有很长的路要走，但这条路的远方，有你我潜心学习的身影。路亦崎岖，险亦峥嵘，齐心与共，祖国长宏。

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引用文献：

1.（传动装置——百度百科）

2.（传动装置——MBA智库百科）

3.（液压传动——百度百科）

4.（嫦娥三号月球车机械臂展开——中国新闻网）

5.（高奔,韩佩彤,石光达,盆洪民,冉江南,李祺.“嫦娥五号”月球探测器着陆姿态模拟装置设计[J].航天器环境工程,2020,37(01):65-72.）

6.（曹原,金钊,郝鹏飞,李风刚,王峰.液力传动机械动力匹配方法研究[J].装备与车辆工程,2020,58(09):77-81.）

撰  稿  人：科技协会科创部　　　 张凯旋

责任编辑：科技协会科创部　　　 马浩然

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总  编  辑：　　　　　　　　　    李晓萌