◎ 科技日报记者 金凤
“太棒了，终于稳稳地睁开了。”在微信朋友圈看到中国空间站问天实验舱睁开柔性太阳电池翼的绝美刹时，东南大学首席传授宋爱国滑屏的手指微微颤抖。
图片泉源：中国载人航天微信公众号
8月16日，担当科技日报记者采访时，他感慨道：“我们做了多年的研究，终于不负所托！”
在距离地面约400公里的太空，到底需要用多大的力，才华恰好睁开一块相当于尺度单打羽毛球场巨细的太阳电池翼？宋爱国领导团队研发的力测量传感器和测量系统，给出了精准答案。
穿越天地间，该怎样用“力”控制航天器，这个标题贯穿了宋爱国的科研人生。1992年，当代号为“921”的中国载人航天工程正式启动时，宋爱国正在为成为一名博士生做预备。那时的他未曾想到，今后的30年，他和团队研究的人机交互力觉临场感遥操纵、航天员在轨操纵力测量技术等，将助力托举中国的航天事业探月问天。
为太空遥操纵探路
力觉临场感呆板人是一种先辈的人机交互遥操纵呆板人。普通地说，它通过各种传感装备来捕获人的动作、力度，去控制远端呆板人的活动，犹如“千里手”。同时，呆板人的视觉、力觉、触觉等各种感觉也能反馈给人，使人“身临其境”。
“这项技术在20世纪90年代初的中国，还是一片空缺。”宋爱国说，他博士入学的半年前，中国载人航天工程刚刚启动。这项工程的第三步，就是建造空间站。他意识到：“我国要发展自己的空间站，就肯定需要人机交互遥操纵呆板人。让呆板人成为人在太空的代理，去完成各项作业。”
图片泉源：中国载人航天微信公众号
“一穷二白”地突入崭新的研究范畴，一个巨大的挑战摆在宋爱国眼前：空地间的信号传输存在时延，这短暂的几秒内，如何感知遥操纵呆板人的力反馈，让它不失控？
经过数次演算后，宋爱国和团队发现，呆板人在遥操纵过程中时延的力反馈模式是一个多余能量输出的过程。他们假想：“如果将多余的能量耗散掉，是不是就可以让呆板人在时延阶段，徐徐稳定下来？”
历经多年，数不清画了多少图纸、熬了多少夜，团队计划出一套控制算法，根据呆板人的接触力巨细和电机的转速、加速率，分别判定呆板人输出的能量巨细和活动趋势，由电机主动天生阻力。如果时延产生的能量大，电机的阻力就大；如果能量小，阻力就小。
正要验证这套理论模子的精准度时，团队却遭遇“苍白”的现实：当时的实验室没有工业呆板人，国内能生产空间呆板人特种电机的工厂也凤毛麟角。
为嫦娥三号研制地面模拟实验月球车
工欲善其事必先利其器，没有条件，就创造条件。宋爱国和同事们自己计划电机指标和布局参数，并将图纸和指标送到北京一家电机厂定制。两三个月后拿到的成品，还是不行，又送到南京一家电机厂改装。第一台电机，团队就改装了五六个月。
有了电机，呆板人便有了灵魂。10年间，团队相继研发了力觉传感器、力反馈器件和力控制器等器件，创建了力觉临场感呆板人控制系统，就多维力测量不正确、时延带来的呆板人力反馈遥操纵不稳定等标题提出系列解决方案。
2008年底，宋爱国团队开始为嫦娥三号研制地面模拟实验月面巡视呆板人，告急研究月球车的遥操纵控制算法和辨认情况的感知系统。在做野外实验时，此前已履历证多次的理论模子，却难以精准控制月球车的机械臂。
“我们分析后发现，由于外场测试的场地要模拟凹凸不平的月面，呆板人行驶时的震惊低落了机械臂的遥操纵精度。”宋爱国领导团队立即改正参数，重新建模。半年时间里，他们每隔十几天往返一次北京和南京举行测试。
深冬的北京，北风和雪花冷酷地拍打着这些年轻的脸庞，却不曾扑灭他们的探月梦想。
2014年1月14日21时45分，在北京航天飞行控制中央精确控制下，“玉兔号”月球车睁开机械臂，对月壤成功实施初次月面科学探测。
图片泉源：人民网
这次探测任务的成功，标记着我国掌握了月面高精度机械臂遥操纵控制技术，实现了38万公里外机械臂毫米级精确控制。宋爱国团队此前的地面模拟实验提供了告急支持。
帮航天员“实事求是”
如果说掌握了人机交互的“力”，可以通过“千里手”隔空作业，那么，了解太空中航天员施力的变化，将为航天员的在轨工作提供依据。
“航天员的操纵力涉及指捏力、手握力、推拉力、双手插拔力、手部多维力和足部多维力等十几种力，这要求力测量装备要对应各种施力方式精确测量。”宋爱国说。
有一次，团队研发的一款测量航天员脚蹬力的传感器在水下试验时漏水。“水下密封是一个很大的挑战。因为完全密封了，力就传不进传感器，无法测量；而密封欠好，又会漏水。”
面对几乎不可能完成的任务，宋爱国团队为传感器计划了一个活动密封装置，在航天员踩踏的传感器接触面开了一个孔，在孔里垂直塞入外貌光滑的波纹管和胡杨木，以确保传感器不漏水。当航天员蹬在波纹管上时，管子会将力传到传感器上，后期网络数据时，再去除波纹管和传感器之间的摩擦力。
调整再三，再次测试。由于水压太大，波纹管被压扁了，摩擦力又发生了变化。团队又模拟水压重新计划，将仪器放在压力舱中测试，最终成功交付。
创新无止境。2017年起，团队又开始研制面向空间站的小型化长命命高精度多维力传感器以及航天员在轨生物力学综合测试系统。2021年4月29日，该综合测试系统随中国空间站天和焦点舱成功发射升空，并将长期在轨运行。
现在，宋爱国时常会遥望夜空，寻找中国空间站这颗“夜空中最亮的星”。每当此时，他的耳畔总会回响起习近平总书记的话语——“星空众多无比，探索永无止境，只有不停创新，中华民族才华更好走向未来”。
编辑：张琦琪
审核：朱丽 |
