科技神器“機(jī)械手”

蘇更林

2017年10月3日，我國(guó)“深海勇士”號(hào)載人潛水器在南海海試成功，這是繼“蛟龍”號(hào)之后我國(guó)深海裝備的又一個(gè)里程碑。無論是“深海勇士”號(hào)還是“蛟龍”號(hào)，它們的海底科考應(yīng)用作業(yè)都離不開機(jī)械手。那么，什么是機(jī)械手呢？它對(duì)我國(guó)的科學(xué)事業(yè)又有什么樣的重要意義呢？

走進(jìn)生活的機(jī)械手

在數(shù)百萬年的漫長(zhǎng)進(jìn)化過程中，人類的手逐漸演變成了神經(jīng)發(fā)達(dá)、感覺靈敏、活動(dòng)自如的最完美工具。然而，人手也有力不從心和鞭長(zhǎng)莫及的時(shí)候，一類能模仿人手某些動(dòng)作功能的機(jī)械手便應(yīng)運(yùn)而生了。

機(jī)械手是伴隨著生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化而產(chǎn)生的，最初是按照固定程序進(jìn)行抓取、搬運(yùn)和操作物件或工具的。后來，許多特殊機(jī)械手也開始上崗了，如焊接機(jī)械手、噴涂機(jī)械手等都在各自特殊的崗位上發(fā)揮著作用。

機(jī)械手具有力氣大、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。盡管機(jī)械手的靈活度不及人手，但機(jī)械手在進(jìn)行重復(fù)性操作時(shí)表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。在一項(xiàng)“人機(jī)大戰(zhàn)打豆豆”比賽中，機(jī)械手獲勝次數(shù)遠(yuǎn)高于人手，一分鐘可以出手160～210余下；在國(guó)內(nèi)一個(gè)展會(huì)上，某企業(yè)參展的一款名為“蜘蛛手”的分揀機(jī)械手引人注目。該機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)進(jìn)行抓取和搬運(yùn)的功能，具有高效安全的特點(diǎn)，可用于食品、藥品、化妝品、電子制造等行業(yè)。

機(jī)械手主要是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成的。其中，手部安裝在手臂的前端，用來抓持物件，這是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主體，可根據(jù)被抓持物件的形狀、重量、材料以及作業(yè)要求不同而具有多種結(jié)構(gòu)形式。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，具有智能的機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在，機(jī)械手不僅廣泛應(yīng)用于采礦、冶金、石油、化工、船舶等領(lǐng)域，而且已開始在精密制造、核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域大顯身手。

在太空安家的機(jī)械手

航天器在太空中免不了會(huì)發(fā)生點(diǎn)小故障，所以需要為航天器配備“太空醫(yī)生”，進(jìn)行在軌維修。但是，太空嚴(yán)酷的環(huán)境和航天器的復(fù)雜性對(duì)“太空醫(yī)生”提出了苛刻的要求，需要進(jìn)行長(zhǎng)期的驗(yàn)證和積累才能完成。中國(guó)在航天器在軌維修技術(shù)方面已經(jīng)走在了世界前沿。

2013年7月，中國(guó)以“一箭三星”的方式發(fā)射了“創(chuàng)新”三號(hào)、“試驗(yàn)”七號(hào)和“實(shí)踐”十五號(hào)3顆衛(wèi)星，其中安裝在“試驗(yàn)”七號(hào)衛(wèi)星外側(cè)的空間機(jī)械手進(jìn)行了在軌科學(xué)試驗(yàn)。

在“天宮”二號(hào)上，更是搭載了全新的空間應(yīng)用系統(tǒng)，其中就包括空間機(jī)械手。人機(jī)協(xié)同在軌維修試驗(yàn)是“天宮”二號(hào)三大關(guān)鍵試驗(yàn)任務(wù)之一，也是我國(guó)第一次開展人機(jī)協(xié)同太空在軌維修試驗(yàn)。在軌試驗(yàn)主要是面向航天設(shè)備在軌組裝及拆卸任務(wù)，探索人機(jī)協(xié)同完成在軌維修典型作業(yè)，為空間機(jī)器人在軌服務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。2016年10月19日，在“天宮”二號(hào)與“神舟”十一號(hào)飛船對(duì)接后，航天員與機(jī)械手協(xié)同完成了用電動(dòng)工具擰螺釘、拆除隔熱材料、在軌遙操作等科學(xué)試驗(yàn)。

“天宮”二號(hào)空間機(jī)械手是一款智能化水平很高的設(shè)備。在軌試驗(yàn)主要是面向航天設(shè)備在軌組裝及拆卸任務(wù)，探索人機(jī)協(xié)同完成在軌維修典型作業(yè)，為空間機(jī)器人在軌服務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。

挑戰(zhàn)深海的機(jī)械手

沉睡在深海的資源種類和儲(chǔ)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。像深海油氣田、洋底多金屬結(jié)核、熱液硫化物礦床、海底可燃冰以及海底生物等都是極其重要的戰(zhàn)略資源，進(jìn)行深海資源勘探和開發(fā)具有重要的意義。中國(guó)為開展深海探測(cè)活動(dòng)，相繼研發(fā)了以“蛟龍”號(hào)載人潛水器為代表的系列深?？辈煅b備。

“蛟龍”號(hào)是我國(guó)第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的深海載人潛水器?！膀札垺碧?hào)有兩個(gè)機(jī)械手，又被稱為“龍爪”，左右各有一個(gè)。這兩個(gè)機(jī)械手各有多個(gè)關(guān)節(jié)，可以伸縮、旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，開展靈活作業(yè)。機(jī)械手最大伸長(zhǎng)范圍為1.9米，全臂展最大持重達(dá)65千克。

在海底，機(jī)械手簡(jiǎn)直就是一個(gè)“擒拿利器”，可獨(dú)立完成水下布放、回收、拾取、機(jī)構(gòu)觸發(fā)等任務(wù)，并可與其他工具配合開展水下采樣、測(cè)量等作業(yè)。首次公開露面的“深海勇士”號(hào)潛水器，擁有一雙靈巧的機(jī)械手，是進(jìn)行海底科考應(yīng)用作業(yè)的重要裝備。在此次海試期間，利用該機(jī)械手抓取了39個(gè)生物，并在海底放置了3個(gè)標(biāo)志物。