北京哪间医院治白癜风好 https://jbk.39.net/yiyuanzaixian/bjzkbdfyy/bdf/为什么kg的机械手会带动25吨的负荷？无重力的环境负荷来自哪里？摘要：日前，中国空间站的机械臂设计圈粉无数，尤其是它的爬行能力令人赞叹。机械手整机自重kg，刨去7个驱动电机，真正的承重结构不重，那它是怎样带动25吨的负荷的？空间是无重力的环境，机械臂所承受的25吨究竟意味着什么？1、导论六月十七日，随着神舟十二号的升空，中国空间站终于迎来了第一批访客。随着多任务的逐步展开，中国空间站也逐渐揭开其神秘面纱。在其中，空间站机械臂由于其特殊设计的“类手”，在某剧“剪卫星”的梗下，被网友们津津乐道，乐此不疲。在空间站辅助航天员工作中的机械臂该空间站的机械臂以“3+1+3”的方式，高度模拟了人体手臂的运动方式，即：肩、腕部可绕三个方向旋转，手肘可以在一个方向上旋转，总共7个自由度(即7个旋转方向)。肩腕三个旋转方向配合使用，可实现°无死角作业。核心室机械臂[1]核心舱机械臂展开长度10.2m[2]，其自身总质量为kg，相当于10个成人重量。最高载重25吨，相当于一辆重型卡车的重量。很明显，十个成年人抬不起一辆重型卡车，但这个核心舱的机械臂能承受25吨的负荷。此外，机械手的7个自由度，即表示其有7个驱动电机，所以整个机械手，估计大部分质量都是驱动电机，真正承载的筒状结构其质量不大。为什么这么轻的结构能承受25吨的负荷呢？2、机械臂在地面的承载能力将机械手一端固定在另一端捕捉物体进行作业时，在临界状态下机械臂可简化成直径约mm、长10.2m的悬臂梁。宇航材料一般为铝、镁合金或钛合金，追求强度高、质量轻。此处计算的是铝镁合金，密度约为2.66g/cm3，合金材料的屈服应力为MPa，许用应力为MPa。悬臂模型若按实心圆截面计算，10.2m长的悬臂梁，一端负荷可达2.6e9N，或2.6e5吨的重载，远超25吨。因为机械手的直径限定，有mm，比较大，因此其承弯能力较好。即使实际结构是一个空心圆形截面，在地面上的静力也几乎为这个量级。然而，筒体结构虽然能承受25吨的重量，关节上的驱动电机却不能承受。在临界状态下，驱动扭矩必须大于2.55e6Nm。一般电动机的转矩约为数百至几千个数量级，如此大的驱动力矩，即使是航天领域也不会专门为这种电机定制。用直径mm的铝-镁合金长杆，依靠直径差不多的驱动电机，在地面上要吊25吨重的重载卡车是非常困难的。这不是长杆结不结实，而是电机是否有这种能力。另外，机械手实为两部分，7台电机的安装连接位置是整个结构的薄弱环节。由此可以看出，25吨机械手的极限负荷并非地面负荷。事实上，机械臂是在空间环境中工作的，地面载荷对它来说并不重要。3、机械臂在空间中的承载能力空间中，机械手臂和空间站一起围绕着地球运行，两者处于相对静止状态。空间站和机械手在绕地运动时均处于失重状态。这就是说，在太空中，重量的概念已经失去意义。胖人与瘦子在太空拔河，是不分胜负的。太空站在地面上移动一个物体，很小的力就能使它在太空中运动。航天员在舱外用手指轻点空间站，两个空间站就会分离。此时分离速度与质量有关，必须符合动量守恒。机械手在进行轨道器对接时，一端与空间站相连，另一端需伸直固定于对接的轨道器。轨道器进入空间站后，由于动量守恒，空间站本身也接近轨道器。在牵引过程中，所用的力其实并不大，但是，空间站的轨道位置略有变化。靶标质量越大，其位置变化也越大，很明显这是不允许过大位移的。因此，25吨的负荷极限，部分原因正在于此。机械手进行对接操作空间中仍然存在着惯性，惯性是机械臂承载25吨极限的另一个原因。机器人手臂想要驱动25吨重的物体，它的速度从0开始增加，有一个加速度存在，这就会产生“惯性力”。体积越大，惯性力越大，对驱动电机的要求就越高。起动时，必须具有较好的抗“冲击”能力。除此惯性力外，电动机还必须具有良好的控制精度。因为质量越大，惯性就越大。要带动25吨重的物体开始移动，启动时控制比较困难。如不计工作时间，可采用缓慢加速的方法，这样对电机的要求就会更少。但事实显然并非如此。4、总结太空站机械臂的极限载荷为25吨，与地面结构强度无关。这是由惯性原因、电机控制能力等因素决定的，同时动量守恒定理也起作用。