空間站機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)研究

李大明，饒 煒，胡成威，王耀兵，唐自新，王友漁

(中國空間技術(shù)研究院總體部，北京100094)

1 引言

空間站機(jī)械臂是我國空間站建造、運(yùn)營、維修及拓展等過程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一［1］。它涉及機(jī)、電、熱、光、控等多學(xué)科交叉耦合，高度集成且研制難度巨大［2］。與俄羅斯及美國等發(fā)達(dá)國家相比，我國在基礎(chǔ)學(xué)科特別是材料、元器件、加工、制造及測試等方面還存在較大差距，因此瞄準(zhǔn)國際航天技術(shù)前沿、攻克重大關(guān)鍵技術(shù)，是我國航天事業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展、縮小與世界先進(jìn)水平差距的必由之路?？臻g站機(jī)械臂的研制為我國迅速發(fā)展空間機(jī)器人技術(shù)提供了一個(gè)良好的機(jī)遇，也使我國航天科技人員面臨前所未有的巨大挑戰(zhàn)。

從2007年起，中國空間技術(shù)研究院總體部全面啟動了空間站機(jī)械臂的研發(fā)工作［3-5］，先后研制了空間站機(jī)械臂原理樣機(jī)和工程樣機(jī)，開展了大量的技術(shù)驗(yàn)證工作。目前已初步突破系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、核心產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證、整臂控制、功能測試、空間環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證等各個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合我國空間站機(jī)械臂任務(wù)要求，提出了機(jī)械臂技術(shù)解決方案，并闡述了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)成果。

2 任務(wù)要求

依據(jù)我國空間站工程的建設(shè)方案，空間站機(jī)械臂在軌的主要任務(wù)包括:

1)空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對接:空間站三艙基本構(gòu)型采用對接和轉(zhuǎn)位的方式完成建造，實(shí)驗(yàn)艙先對接于核心艙節(jié)點(diǎn)艙的軸向端口，然后通過機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)艙段分離、轉(zhuǎn)位、再對接操作，對接于節(jié)點(diǎn)艙側(cè)面;

2)懸停飛行器捕獲與輔助對接:采用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)來訪飛行器捕獲，并將其轉(zhuǎn)移至空間站停泊口或?qū)涌谔?，完成來訪飛行器與空間站對接;

3)支持航天員出艙活動:航天員通過腳限位器可以將自己固定于機(jī)械臂末端，在機(jī)械臂的支持下，進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)移完成既定任務(wù);

4)艙外各類負(fù)載搬運(yùn):通過機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的位置轉(zhuǎn)移;

5)艙外狀態(tài)檢查:利用機(jī)械臂末端可移動能力及配置的視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間站定期巡檢，艙體表面圖像傳回艙內(nèi)，供艙內(nèi)航天員(或地面飛控人員)觀察，判斷艙壁健康狀態(tài);

6)艙外設(shè)備安裝、更換或維修:航天員在艙內(nèi)控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)空間站平臺、載荷等大質(zhì)量設(shè)備的安裝、更換或維修過程中搬運(yùn)、機(jī)械對齊與連接等工作。

我國空間站需要配置核心艙機(jī)械臂和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂各一套，共同完成上述任務(wù)。其中核心艙機(jī)械臂規(guī)模大且承載能力強(qiáng)，能夠完成大負(fù)載搬運(yùn)、大范圍轉(zhuǎn)移、艙段轉(zhuǎn)位對接等類型任務(wù);實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂靈活小巧，能夠完成載荷安裝等精細(xì)化操作任務(wù)［1］。

3 國內(nèi)外空間站機(jī)械臂比較

最具代表性的空間站艙外機(jī)械臂是由加拿大和NASA聯(lián)合研制的艙外移動服務(wù)系統(tǒng)［6］，主要包括一個(gè)大型遙操作臂系統(tǒng)(SSRMS)(長17.6 m、7個(gè)自由度)、一個(gè)特殊用途的靈巧操作臂(SPDM)(長3.5 m、15個(gè)自由度)以及移動基座。該系統(tǒng)初始安裝在“國際空間站”的美國艙段上［7］。

此外，在“國際空間站”還配備了兩個(gè)大型空間艙外機(jī)器人系統(tǒng)分布安裝在俄羅斯艙和日本艙，即歐洲航天局研制的歐洲機(jī)械臂(ERA)［8］(長11.3 m，7個(gè)自由度)和日本研制的實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)(JEMRMS)［9］(長9.9 m，6 個(gè)自由度，末端安裝一個(gè)2 m長的6自由度小型靈巧機(jī)械臂)。

我國空間站核心艙機(jī)械臂具有7個(gè)自由度，臂長10.2 m，當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)與國際先進(jìn)機(jī)械臂指標(biāo)對比情況如表1所示［10］。由表可知，我國空間站核心艙機(jī)械臂在各項(xiàng)指標(biāo)對比中均與國際先進(jìn)水平相當(dāng)，其中承載能力、精度和速度等關(guān)鍵指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平。

4 主要技術(shù)方案

如圖1所示，核心艙機(jī)械臂由天、地兩大部分組成。

表1 國內(nèi)外機(jī)械臂性能對比Table 1 Performances of manipulators

圖1 我國空間站機(jī)械臂系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Constitution of the space station manipulator of china

1)艙內(nèi)部分

艙內(nèi)部分由機(jī)械臂操作臺和空間站為機(jī)械臂提供的接口組成，為機(jī)械臂提供電源、數(shù)據(jù)、指令、操作控制的保障。

2)艙外部分

鎖緊釋放機(jī)構(gòu)用以完成機(jī)械臂發(fā)射或軌道機(jī)動階段的鎖緊和入軌或姿態(tài)穩(wěn)定后的解鎖釋放。

機(jī)械臂本體由7個(gè)關(guān)節(jié)、2個(gè)末端執(zhí)行器、2個(gè)臂桿、1個(gè)中央控制器以及1套視覺相機(jī)系統(tǒng)組成。關(guān)節(jié)的配置采用“肩3+肘1+腕3”方案，即肩部依次設(shè)置肩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩偏航關(guān)節(jié)和肩俯仰關(guān)節(jié)，肘部設(shè)置肘俯仰關(guān)節(jié)，腕部依次設(shè)置腕俯仰關(guān)節(jié)、腕偏航關(guān)節(jié)和腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。這種對稱的結(jié)構(gòu)可在空間站艙體表面實(shí)現(xiàn)肩、腕互換的位置轉(zhuǎn)移，即“爬行”。關(guān)節(jié)是機(jī)械臂的核心部分，是機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的直接執(zhí)行部件。末端執(zhí)行器能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)適配器的捕獲、鎖緊和釋放，是完成抓握目標(biāo)的主要工具。核心艙機(jī)械臂配備3臺視覺相機(jī)，肩部、肘部、腕部各1臺，肩部和腕部相機(jī)可對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)識別和位姿測量功能，肘部相機(jī)具有視頻監(jiān)視功能。臂桿是機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)部分，用來連接與支撐關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器、中央控制器等部件。中央控制器是機(jī)械臂控制核心，依據(jù)在軌路徑規(guī)劃與算法或地面注入運(yùn)動規(guī)劃實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)動;它還集成了以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，能夠?qū)σ曈X相機(jī)的視頻信號進(jìn)行集中管理。

目標(biāo)適配器是末端執(zhí)行器抓取的目標(biāo)，布置在空間站艙體表面用于“爬行”，或布置在目標(biāo)物體上用于抓取物體。

3)遙操作平臺

地面系統(tǒng)主要由遙操作平臺組成，實(shí)現(xiàn)天、地通信，用于機(jī)械臂在軌任務(wù)的地面規(guī)劃以及運(yùn)動控制，同時(shí)具有機(jī)械臂故障檢測與在軌診斷的能力。

5 關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合我國空間站方案設(shè)計(jì)階段的主要工作成果，對以高精度伺服控制技術(shù)、多約束路徑規(guī)劃技術(shù)等為代表的八大類關(guān)鍵技術(shù)逐一進(jìn)行描述。

5.1 高精度伺服控制技術(shù)

影響機(jī)械臂精度的主要因素包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，其中裝配間隙、控制器誤差以及環(huán)境因素等引起的隨機(jī)誤差難以消除，但是對于機(jī)械臂零部件機(jī)械加工誤差、基座裝配誤差以及負(fù)載引起的誤差等系統(tǒng)誤差，可以通過標(biāo)定及控制補(bǔ)償?shù)仁侄渭右韵瑥亩鴮?shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端高精度控制。

高精度伺服控制技術(shù)主要包括集中式和分布式兩種控制形式［2］?？紤]到機(jī)械臂多關(guān)節(jié)設(shè)備離散分布且單關(guān)節(jié)功能復(fù)雜的特點(diǎn)，如果采用集中控制需要解決電纜布線復(fù)雜、信號相互干擾以及分時(shí)控制一致性不強(qiáng)等問題，因此機(jī)械臂優(yōu)選采用分布式控制方式。分布式控制采用單關(guān)節(jié)集成控制器方式，伺服控制可采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)反饋控制，并輔以動力學(xué)前饋補(bǔ)償、摩擦力補(bǔ)償?shù)确椒ā㈦姍C(jī)的驅(qū)動測量信號的采集處理、運(yùn)動控制等功能直接解決在單個(gè)關(guān)節(jié)上，通過并行處理與工作可以有效避免相互干擾。

核心艙機(jī)械臂工程樣機(jī)二維平動驗(yàn)收測試結(jié)果表明，機(jī)械臂末端定位精度約為20 mm，姿態(tài)定位精度約為0.4°。依據(jù)機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)仿真分析，預(yù)示機(jī)械臂在軌三維任務(wù)工況下的末端定位精度可優(yōu)于45 mm，姿態(tài)定位精度可優(yōu)于1°。

5.2 多約束路徑規(guī)劃技術(shù)

核心艙機(jī)械臂在采用通用逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行仿真規(guī)劃的基礎(chǔ)上，針對空間站姿態(tài)擾動、艙外布局設(shè)計(jì)、空間站避碰需求等約束條件，開展了路徑規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)研究。

針對機(jī)械臂和空間站幾何形狀，將機(jī)械臂可能發(fā)生碰撞桿件以及艙體分別進(jìn)行簡化處理，機(jī)械臂與空間站之間的碰撞檢測歸結(jié)為線段間距計(jì)算，以此判斷是否發(fā)生碰撞。機(jī)械臂在運(yùn)動過程中，實(shí)時(shí)進(jìn)行碰撞檢測，確保任務(wù)過程安全。

對于機(jī)械臂抓捕動作，采取分段路徑規(guī)劃策略，設(shè)立中間點(diǎn)，將中間點(diǎn)之后的運(yùn)動設(shè)計(jì)為垂直于目標(biāo)適配器錐桿的直線運(yùn)動，以免同錐桿發(fā)生側(cè)向碰撞;另外，根據(jù)空間站基座和空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)速度之間的映射關(guān)系，以初始和終止關(guān)節(jié)角度/角速度/角加速度為條件，建立空間站基座位姿擾動和關(guān)節(jié)角速度關(guān)系的多項(xiàng)式或目標(biāo)函數(shù)，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用相關(guān)算法進(jìn)行最優(yōu)路徑求解，實(shí)現(xiàn)對基座姿態(tài)擾動最小化的路徑規(guī)劃;綜合考慮機(jī)械臂任務(wù)期望目標(biāo)位姿、機(jī)械臂當(dāng)前構(gòu)型及末端位置、機(jī)械臂所處環(huán)境等信息，采用最短距離規(guī)劃算法完成機(jī)械臂空間最短路徑選擇。以上描述的抓捕碰撞力最小、基座擾動最小、轉(zhuǎn)移時(shí)間最短的規(guī)劃方法可應(yīng)用于特定任務(wù)的頂層規(guī)劃。

5.3 多柔體系統(tǒng)動力學(xué)建模與分析技術(shù)

空間機(jī)械臂在軌運(yùn)動時(shí)，其臂桿及關(guān)節(jié)的柔性及振動對機(jī)械臂的動態(tài)特性(如定位精度、平穩(wěn)性等)影響較大，甚至影響系統(tǒng)安全性，因此機(jī)械臂柔性動力學(xué)建模與分析技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在軌任務(wù)驗(yàn)證的重要基礎(chǔ)。

針對核心艙機(jī)械臂任務(wù)特點(diǎn)，根據(jù)關(guān)節(jié)中電機(jī)、行星減速器等部件的工作原理建立關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，考慮摩擦、間隙、剛度、負(fù)載變化影響等非線性因素;同時(shí)采用有限元方法建立臂桿模態(tài)模型，建立帶柔性鋼絲繩的末端執(zhí)行器動力學(xué)模型，用于機(jī)械臂捕獲過程的仿真驗(yàn)證。

在空間站方案設(shè)計(jì)階段，針對核心艙機(jī)械臂轉(zhuǎn)位與輔助對接兩個(gè)實(shí)現(xiàn)難度大的核心任務(wù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。我國空間站采用了周邊式對接機(jī)構(gòu)［11］，這類對接機(jī)構(gòu)雖在主動對接的互換性、對接后的偏離校正等方面具有一定優(yōu)勢，但是這類對接機(jī)構(gòu)在主動環(huán)、被動環(huán)中心存在偏差時(shí)，需要的對接力較大，這對于核心艙機(jī)械臂來說是難以做到的。核心艙機(jī)械臂采用視覺閉環(huán)方法減少對接前兩對接口中心偏差，從而大幅減小對接過程中所需要的推力;對接過程中，核心艙機(jī)械臂采用力控制方法輔助對接任務(wù)方案可行。

5.4 目標(biāo)識別與測量技術(shù)

核心艙機(jī)械臂目標(biāo)識別與測量依靠視覺相機(jī)系統(tǒng)完成。視覺相機(jī)實(shí)現(xiàn)視場范圍內(nèi)已知尺寸、形狀、分布和數(shù)量等信息的視覺標(biāo)記快速、可靠的檢測和連續(xù)跟蹤，并實(shí)時(shí)連續(xù)輸出特定觀測目標(biāo)與機(jī)械臂特定組件之間高精度的相對位姿關(guān)系，即目標(biāo)坐標(biāo)系與組件坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，包括旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，提供機(jī)械臂控制系統(tǒng)或航天員做出操作判斷。在目標(biāo)識別與測量方面，完成如下成果:

1)確定相機(jī)標(biāo)定方案。為保證測量功能的實(shí)現(xiàn)并滿足測量精度的要求，需要通過標(biāo)定過程獲取相機(jī)成像模型中的所有未知參數(shù)，包括表示相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部參數(shù)和相機(jī)空間位姿的外部參數(shù)。

2)確定目標(biāo)識別技術(shù)方案。核心艙機(jī)械臂視覺相機(jī)對裝配有特定人工視覺標(biāo)記的合作目標(biāo)進(jìn)行識別。

3)確定目標(biāo)測量方案。采用雙目相機(jī)測量，根據(jù)相機(jī)模型和圖像特征的匹配結(jié)果，求解出標(biāo)記在雙目視覺系統(tǒng)坐標(biāo)系下坐標(biāo)，再建立與標(biāo)記在目標(biāo)坐標(biāo)系下坐標(biāo)的一一對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算得到目標(biāo)位姿。

5.5 核心機(jī)構(gòu)部件設(shè)計(jì)技術(shù)

核心機(jī)構(gòu)部件主要包括關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器。

關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)難度一方面是傳動及軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求高，需要綜合考慮布局及測量等方面的影響，另一方面還要考慮產(chǎn)品裝配工藝性及在軌維修性等方面的影響。最終核心艙機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用機(jī)、電、熱高度集成的一體化設(shè)計(jì)方案，由完全備份的電機(jī)組件、減速器、雙通道旋變、軸系、控制器、電源模塊、熱控組件等幾部分組成。電機(jī)組件主要由直流無刷電機(jī)、制動器和雙通道旋變組成;減速器采用雙驅(qū)動齒輪減速和多級行星減速的傳動形式;控制器同時(shí)集成關(guān)節(jié)運(yùn)動控制和熱控控制兩部分功能。整機(jī)剛度約為1×106N·m/rad，與加拿大臂同類產(chǎn)品相當(dāng)。

核心艙機(jī)械臂具備“爬行”功能，并可與實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂合作，進(jìn)行空間作業(yè)，這需要機(jī)械臂應(yīng)具備與目標(biāo)物之間高剛度連接功能，同時(shí)還能夠進(jìn)行電連接。要實(shí)現(xiàn)空間自動電器連接，首先應(yīng)保證被連接物之間的高精度對接，然后再進(jìn)行電連接，并要求電連接器也應(yīng)具備一定容差功能。由這些功能需求確定末端執(zhí)行器由捕獲模塊、拖動模塊、四個(gè)鎖緊模塊、殼體組件、配電組件、控制器、六維力傳感器等組成，實(shí)現(xiàn)對安裝有目標(biāo)適配器的目標(biāo)物實(shí)施抓取、釋放功能。

5.6 活動部件長壽命潤滑設(shè)計(jì)

為了保持設(shè)計(jì)壽命內(nèi)潤滑性能穩(wěn)定，滿足工作任務(wù)要求，對活動部件的潤滑方式及材料進(jìn)行充分選型:

1)在高速輕載傳動機(jī)構(gòu)潤滑方面，設(shè)計(jì)采用了脂潤滑材料;

2)在低速重載機(jī)構(gòu)潤滑方面，設(shè)計(jì)采用固體潤滑材料;

3)在薄壁軸承潤滑方面，針對薄壁軸承重力環(huán)境下自變形、內(nèi)外圈受結(jié)構(gòu)影響較大等特點(diǎn)，采用內(nèi)外圈溝道濺射固體潤滑材料;

4)在潤滑材料空間環(huán)境適應(yīng)性及防護(hù)方面，針對各種潤滑材料，特別是非密封且暴露在艙外環(huán)境的潤滑材料，進(jìn)行空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了潤滑材料可滿足空間長壽命要求。

5.7 雙臂組合操作技術(shù)

核心艙機(jī)械臂和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂具有串聯(lián)在一起組合工作的模式，組合操作技術(shù)主要包括組合接口設(shè)計(jì)和組合控制策略兩個(gè)方面:

1)組合接口設(shè)計(jì)?？紤]到核心艙機(jī)械臂與實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的直徑不同，設(shè)計(jì)了錐臺形轉(zhuǎn)接件，轉(zhuǎn)接件兩側(cè)可分別與核心艙機(jī)械臂、實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂進(jìn)行機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)兩臂的串聯(lián)組合。在核心艙機(jī)械臂或?qū)嶒?yàn)艙機(jī)械臂獨(dú)立工作時(shí)，轉(zhuǎn)接件懸掛于空間站艙體表面;另外，為了減少空間站出艙電纜的需求，核心艙機(jī)械臂設(shè)計(jì)有實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂所需的測控接口及信息接口，在兩臂組合時(shí)實(shí)現(xiàn)電氣連接。

2)組合控制方案。為提高組合臂控制的可靠性和安全性，組合臂采用分時(shí)獨(dú)立控制的方案，即核心艙機(jī)械臂運(yùn)動時(shí)，實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂不動;核心艙機(jī)械臂到達(dá)指定位置后制動，為實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂提供基座，之后實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂進(jìn)行相應(yīng)精細(xì)化操作。

5.8 地面試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

對于核心艙機(jī)械臂這種大型空間機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，地面上難以采用全物理測試方式驗(yàn)證其在軌實(shí)際運(yùn)動功能，建議采取數(shù)字仿真、半物理試驗(yàn)及物理試驗(yàn)相結(jié)合方式，以期全面覆蓋機(jī)械臂在軌任務(wù):

1)數(shù)字仿真。利用部件測試、機(jī)械臂二維測試數(shù)據(jù)校正數(shù)字機(jī)械臂模型，使得模型表現(xiàn)出的運(yùn)動特性與物理產(chǎn)品相逼近;采用全數(shù)字模型實(shí)施在軌任務(wù)驗(yàn)證。

2)半物理試驗(yàn)。機(jī)械臂除控制系統(tǒng)外的部分采用數(shù)字模型，控制系統(tǒng)采用物理產(chǎn)品，兩者交互，對控制系統(tǒng)實(shí)施全任務(wù)的測試，確保控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確。

3)物理試驗(yàn)。采用氣浮平臺與懸吊系統(tǒng)相結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂二維平面內(nèi)測試與驗(yàn)證，獲得機(jī)械臂運(yùn)動特性數(shù)據(jù)，與數(shù)字模型相互驗(yàn)證。

6 結(jié)論

空間站機(jī)械臂對我國空間站建造與運(yùn)營起著至關(guān)重要的作用，在空間站工程推動下，已完成空間站機(jī)械臂高精度伺服控制、多約束路徑規(guī)劃、多柔體系統(tǒng)動力學(xué)建模與分析、目標(biāo)識別與測量、核心機(jī)構(gòu)部件設(shè)計(jì)、活動部件長壽命潤滑、雙臂組合操作、地面試驗(yàn)驗(yàn)證共八大類關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，具備了工程化實(shí)施條件。

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