空間繩網機器人的張力控制機構研制與性能研究

王 班，易 琳，郭吉豐

（浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）

空間繩網機器人的張力控制機構研制與性能研究

王 班，易 琳，郭吉豐

（浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027）

研制空間繩網機器人的張力控制機構樣機.論證繩網機器人捕獲目標物后從兩分散剛體鎮(zhèn)定成一個穩(wěn)定復合體過程中可能出現(xiàn)的沖擊、擺動和振動等問題.借鑒釣魚過程中通過彈性釣桿和線盤組合保證提供合理的張力，說明張力控制機構及控制技術是空間繩網機器人捕獲目標物的關鍵技術之一，通過張力控制配合繩網機器人系統(tǒng)總體運動規(guī)劃和控制策略是有效解決上述問題的唯一途徑.提出系繩張力機構必須具有系繩入角姿態(tài)可測、繩長可測和系繩張力可控可測等功能要求.開展高精度的張力控制機構設計工作，對研制的樣機進行單機測試和地面防沖擊緩沖釋放實驗.測試和實驗結果反映張力控制機構樣機具有很好的操作性，能夠較好地滿足地面試驗要求.

繩網機器人；系繩張力控制機構；單機測試；防沖擊

空間碎片清理、防止小行星撞擊地球等空間任務是當前空間探索的重要任務之一[1].空間繩網機器人一般采用自由飛行任務星與飛網彈射捕獲裝置相結合的方式.當目標物在繩網捕獲作業(yè)的有效距離內，繩網將被指向目標物彈射、張開并包裹鎖緊目標物，此后目標物通過系繩與任務星連接，可以根據(jù)任務需求拖曳目標實施變軌[2].與傳統(tǒng)的機械臂等抓捕方式相比，空間繩網機器人具有安全性高、對任務星影響小、消耗能量少和抓捕容錯范圍大等優(yōu)點.Mankla等[3-4]對空間繩網機器人進行理論研究，主要包括捕獲動力學仿真與控制.另外，ESA在2001年提出利用繩網機器人抓捕地球靜止軌道廢棄衛(wèi)星的軌道回收器（ROGER）項目[5].國內研究也在穩(wěn)步推進中，并取得了一定的研究成果[6-9].上述工作主要是針對空間繩網機器人系統(tǒng)的運動規(guī)劃、動力學建模和控制策略等方面的研究，都沒有針對空間繩網機器人捕獲要求設計相應的張力控制機構樣機，而系繩張力控制技術對繩網機器人來說是一項關鍵技術，能夠實現(xiàn)系繩張力控制的機構對捕獲任務能否順利完成有重要影響.國外相關機構開展了空間繩系衛(wèi)星的繩系控制機構方面的研究，主要是針對兩星間長距離（千米級）的.美國國家航空航天局（NASA）在繩系衛(wèi)星任務YES2[9]與歐洲太空局（ESA）的繩系衛(wèi)星SED2[10]中采用了‘螺旋軸’張力控制機構，通過系繩纏繞螺旋軸圈數(shù)的多少對系繩張力進行控制，并成功進行了空間在軌試驗，但該控制機構只能實現(xiàn)系繩的釋放而不具有系繩的回收功能.Mori等[11]為類似繩系衛(wèi)星編隊研制了一種張力控制機構樣機，在地面氣浮平臺上進行了繩系編隊組合的控制試驗，但該樣機各構件集成度較低，體積過大.文浩[12]為進行地面實驗，提出一種簡易的系繩控制機構，無張力檢測，只可實現(xiàn)簡單的系繩收放功能而無法實現(xiàn)張力閉環(huán)控制.空間繩網機器人是近距離（300 m以內）進行捕獲、拖曳、離軌等操作的，因此在系繩長度、系繩張力以及系繩工作狀態(tài)等方面與繩系衛(wèi)星都存在很大差別，空間繩網機器人張力控制機構有特殊性.

本文針對空間繩網機器人捕獲目標物過程中，為實現(xiàn)各種任務系繩張力控制機構應具有的功能和設計要求，具體給出一種張力控制機構的結構方案.研制樣機，并結合樣機進行單機張力控制測試和防沖擊緩沖釋放實驗.

1 捕獲過程及對張力控制機構要求

如圖1所示，繩網機器人一般由任務星、系繩張力控制機構、系繩、繩網和4個收口質量塊等組成.張力控制機構固定在任務星上，任務星上安裝有繩網發(fā)射機構.在捕獲動作進行的前期，任務星調整到與目標物較近距離（百米級），任務星通過彈射裝置將繩網發(fā)射并通過質量塊牽引繩網并張開，使繩網快速接近目標物；當目標物完全落入網中后，4個收口質量塊動作，收緊收口繩，將網口收緊鎖死，而后張力控制機構根據(jù)要求對目標物進行回收、釋放和拖曳（狀態(tài)保持）.通過任務星的軌道調整，使兩者進入預定的廢棄軌道.

圖1 繩網機器人捕獲概念圖Fig.1 Capture concept of tethered robot

當網口完全收攏后，目標物被完全包覆，系統(tǒng)處于空間懸浮開放狀態(tài).從物理意義上來講，捕獲過程是從兩個分散系統(tǒng)（剛體）形成一個穩(wěn)定的剛柔藕合系統(tǒng)的過程，這在整個繩網機器人空間捕捉過程中是最復雜的，即需要實施捕獲后復合體協(xié)調控制過程，這時單純依靠任務星運動姿態(tài)控制有很大難度，需要張力控制機構進行協(xié)調控制.當任務星和目標物形成空間兩剛體和一繩系組成的穩(wěn)定復合體后，可以通過連接系繩實現(xiàn)對目標物的回收、釋放、拖曳、離軌等操作，這些過程一般是通過系統(tǒng)整體控制策略（任務星的運動姿態(tài)控制）加張力控制機構組合完成的.考慮目標物的回收、釋放、拖曳、離軌等操作過程較捕獲后復合體協(xié)調控制過程簡單得多，對張力控制機構無特殊要求，為此重點分析捕獲后復合體協(xié)調控制過程中的各種可能性.

捕獲后復合體協(xié)調控制過程中，由于任務星和目標物在捕獲后兩者一般會有一定的速度差（平動速度差和旋轉速度差），速度差產生的原因主要有跟瞄系統(tǒng)的誤差、發(fā)射引起的任務星運動和繩網包覆過程對目標星的沖擊等，因素較多.當存在平動速度差時，有兩種可能：一是兩者接近，以任務星為參考點，若目標物接近，任務星則采用推進裝置主動避讓并牽引，但牽引過程會出現(xiàn)系繩突然拉緊現(xiàn)象，如圖2（a）所示.若目標物遠離時，也會出現(xiàn)突然拉緊，如圖2（b）所示.這兩種情況，若處理不好，可以引起系繩斷裂和系統(tǒng)失穩(wěn)，并伴有系繩縱向振動，這時需要類似于釣魚桿上線盤和釣桿功能的張力控制裝置適當釋放系繩，并使系繩張力連續(xù)下降至穩(wěn)態(tài)值（即不超調）.最理想的狀態(tài)是兩剛體通過系繩產生同向同速運動，系繩的釋放和張力控制可以采用自整定PID控制律對系統(tǒng)實現(xiàn)防沖擊緩沖釋放，使兩者動量實現(xiàn)柔性交換.

圖2 系繩突然拉緊前的松弛現(xiàn)象Fig.2 Relaxation phenomenon when tether is taut

當兩者相對系繩軸線轉速度不一致時，相對任務星的目標物自旋易使系繩纏繞，須通過系統(tǒng)整體運動策略和系繩張力控制等實現(xiàn)目標物消旋.

當任務星推力方向與連接系繩不在同一方向上時，系統(tǒng)會存在空間擺動現(xiàn)象，必須通過控制系繩長度或者張力等配合繩網機器人整體運動控制進行擺動抑制，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此需要檢測任務星與目標物的相對姿態(tài)角.在張力控制機構系繩入口設置姿態(tài)角檢測裝置比較簡便，且須測量兩個自由度的入角.另外，將任務星和捕獲目標物從兩個分散系統(tǒng)鎮(zhèn)定成一個繩網機器人穩(wěn)定系統(tǒng)時，系繩的作用力是快速變化的，系繩一般采用具有彈性、時滯、大阻尼等非線性特征的高分子材料，易誘發(fā)系繩的縱、橫向的振動，須通過張力控制實現(xiàn)振動抑制.

以上分析表明，張力控制的目標是通過系繩的收、放張力控制操作完成兩剛體的動量交換，使兩剛體的運動速度盡量保持高度一致，并保證兩剛體的有效連接，避免沖擊、纏繞、擺動等問題的出現(xiàn)，保證捕獲、曳引、釋放等任務高效地完成.針對以上對系統(tǒng)控制的要求，用于控制連接繩的張力控制機構必須有繩長控制、繩長速率控制、張力控制、空間姿態(tài)角度可測量和系繩張力可測量等功能，且工作模式可調.

由于兩剛體完全是通過系繩實現(xiàn)連接，從太空環(huán)境的特殊性以及捕獲任務出發(fā)，對連接系繩和繩網有多方面的要求：強度高、耐高（低）溫、質量輕和柔軟性好等.常選擇綜合性能好的凱夫拉纖維作為系繩的材料，但凱夫拉系繩自身具有黏彈性、塑性變形等非線性特性[13]，且當系繩較長時，會呈現(xiàn)變阻尼和滯回特性[14]等現(xiàn)象.凱夫拉系繩特性如何描述和識別以及繩網機器人捕獲過程中如何利用該特性等，都是亟待解決的問題.

根據(jù)以上分析，可以匯總對張力控制機構的功能和設計要求如下.

1）張力控制機構系繩的長度可控，即可以實現(xiàn)系繩的釋放和回收.

2）張力控制機構的張力大小要易控，控制分辨率要盡量高，對電機不僅要求速度和位置型伺服，還要求有力矩伺服，從而實現(xiàn)系繩的張力控制.

3）張力控制機構要能夠測量系繩的卷取或釋放的長度、速度和張力.

4）張力控制機構要能夠實現(xiàn)系繩姿態(tài)角的測量.由于空間繩網機器人在捕獲到目標物后，任務星與目標物的相對位姿關系可以用系繩姿態(tài)入角描述，特別是當兩者存在空間相對擺動時，必須測量系繩姿態(tài)入角并控制擺動（一般為二維空間擺動），須有兩自由度的空間姿態(tài)角測量功能.

5）張力控制機構的集成度要高，結構簡單、可靠和緊湊等.

2 張力控制機構樣機研制

圖3 張力控制機構樣機Fig.3 Prototype of tension control mechanism

考慮系繩要釋放、回收及張力控制，采用力矩/速度/位置伺服電機實現(xiàn)對系繩張力的控制，張力控制機構的最前端必須有測量張力的傳感器，保證測量到的是系繩張力.隨后，計量系繩釋放或回收的長度或速度.如圖3所示為根據(jù)具體使用要求所設計的系繩張力控制機構[15].動力模塊驅動卷繩筒，系繩入角姿態(tài)測量機構可分可合，分時結合系統(tǒng)的總體要求可以在任務星平臺的其他位置安裝.系繩張力測量傳感器和入角姿態(tài)測量機構之間，需要系繩張緊裝置，但張緊裝置的張力應盡量小，保證系繩在張力控制機構中的釋放和回收狀態(tài)都是張緊的，張緊裝置的預緊張力應盡量滿足張力測量的最小分辨率要求.動力模塊由伺服電機、減速器、光電編碼器和電磁剎車組成，須采用動力模塊與走繩模塊平行的方案，節(jié)省空間.繩長測量機構和張力測量器等組成走繩模塊.

空間兩自由度的姿態(tài)入角測量是一個難題，接觸式測量會帶來額外阻力，非接觸式測量如CCD光學成像傳感器檢測[16]因空間環(huán)境輻照強和明暗快速交替等的影響會使得測量結果不可靠.本文采用2個正交安裝的滑軌支架的接觸式測量，如圖4所示.采用兩同心安裝的半環(huán)框架a和b相交，各繞相交的軸線轉動.球心處和相交框架處都有出線孔.系繩張力推動兩半環(huán)框架繞各自的軸線轉動.兩半環(huán)框架分別帶動兩編碼器轉動，從而測得系繩在2個方向的擺動角度.為了避免空間輻射的影響，兩角度傳感器是電位移器而非光電式.這種姿態(tài)角測量會要求系繩存在一個最小張力，用于克服兩半環(huán)框架阻力.

走繩模塊的具體結構和功能如圖5所示.系繩首先穿過姿態(tài)入角測量裝置中兩弧形懸臂底部中心的方形槽，然后經過弧形懸臂球心處的出線口穿出.經過系繩預緊張力器，通過調節(jié)螺母控制預緊張力，系繩的預緊張力既要比較小又要穩(wěn)定，保證系繩在外部松馳的情況下，張力控制裝置內的系繩具有一定的張緊力，但不能對力矩控制有較大的影響，因為張力測量點在預緊張力器之后，即控制張力與實際張力至少有預緊張力的誤差，樣機預緊張力可以控制在0.05 N左右.然后系繩經過輔助輪1和輔助輪2，將系繩引導至張力測量輪處，張力測量輪與張力傳感器相連，再經過繩長測量輪將系繩連接固定于卷筒的內壁處.繩長測量輪上方裝有系繩壓力調節(jié)裝置，調節(jié)螺母可以調節(jié)導輪與系繩的摩擦力到合適值，從而避免出現(xiàn)打滑，這樣測量得到的繩長將更準確.

圖4 空間姿態(tài)入角測量機構Fig.4 Attitude angles measurement mechanism

圖5 走繩模塊結構Fig.5 Structure of tether conduct module

當系繩較短時，可以采用窄卷線筒；當系繩較長時，應采用寬卷線筒，這時要考慮系繩在卷繞筒上的分布情況，需要有排線機構[12]，否則會使系繩在卷繞筒上發(fā)生塌落現(xiàn)象.要實現(xiàn)收、放繩一致性，收繩和放繩兩狀態(tài)必須切換，否則對張力控制會有很大的影響.電氣線圈繞線機和紡織上許多排線控制機構具有一定的借鑒意義[17-18].

張力控制機構的控制系統(tǒng)示意圖如圖6所示，DSP為系統(tǒng)處理器，卷取機構上的長度測量裝置、張力傳感器以及伺服電機的編碼器實時地將所測得的數(shù)據(jù)傳輸給DSP處理器，DSP處理器根據(jù)所得的數(shù)據(jù)經過計算將驅動指令通過CAN總線發(fā)送給驅動器來對伺服電機進行控制.伺服驅動系統(tǒng)采用全數(shù)字伺服驅動控制，實現(xiàn)電流環(huán)（力矩模式）、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，通過DSP處理器編程控制，高效功率變換.電機的狀態(tài)信息通過CAN總線發(fā)送給主控器.同時，通過CAN總線接收主控器發(fā)送的指令.

圖6 張力控制機構控制系統(tǒng)示意圖Fig.6 Control system of tension control mechanism

3 單機性能測試實驗

研制的張力控制機構樣機如圖3所示.對樣機進行單機實驗、防沖擊緩沖釋放控制實驗和擺動抑制等實驗，該張力控制機構能夠較好地實現(xiàn)上述作業(yè).

張力控制機構樣機的性能參數(shù)如表1所示.表中，lm為最大卷繩長度，δl為繩長測量精度，F(xiàn)Tm為提供最大張力，δFT為張力測量精度，θ為角度，δθ為角度測量精度.張力的測量精度為0.1 N，適合于任務星小推力下的張力控制，預緊張力為0.05 N，對張力測量的影響很小.另外，機構各模塊的測量誤差較小，精度較高.

表1 張力控制機構性能參數(shù)Tab.1 Property parameters of tension control mechanism

張力控制采用閉環(huán)PID調節(jié)，為了測試張力控制機構的張力跟蹤性能，對樣機進行單機張力控制測試，實驗示意圖如圖7所示.

將系繩末端固定，通過張力控制機構對系繩張力進行控制，將目標張力分設為斜坡函數(shù)、階躍函數(shù)和正弦函數(shù)形式.為了了解張力控制機構在不同系繩長度情況下的張力跟蹤能力，分別對短系繩（l為0.2 m）、長系繩（l為10 m）和超長系繩（末端連接一根柔軟彈簧模擬）進行測試，測試結果分別如圖8～10所示.圖中，F(xiàn)T為張力.

對于各種尺度系繩，張力控制裝置樣機都能夠較好地完成系繩張力跟蹤任務，且隨著系繩尺度的增大，張力跟蹤過程中系繩張力波動有所增加，特別地，對大尺度系繩進行階躍張力跟蹤測試時，張力超調量較大，后續(xù)可以考慮將一些先進的控制算法應用于系繩張力控制.由于張力控制機構中在張力傳感器前端安裝有滑輪、預緊張力器及出繩孔，會使得張力傳感器的測量數(shù)值與外部系繩張力有一定的差值，且該差值與系繩收放速度及系繩張力有關.建立該差值的具體模型并將該模型加入到控制策略中加以補償是下一步須詳細研究的內容.

圖7 單機測試實驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of single test experiment

圖8 短系繩單機測試結果Fig.8 Test results with short tether

4 防沖擊緩沖釋放實驗

在捕獲后復合體協(xié)調控制過程中，由于兩者一般會存在速度差、導致系繩突然拉緊的情況，這種情況會對系繩造成較大的沖擊力，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須加以控制.當目標星為一合作目標時，一般會在目標物上安裝噴氣推進裝置，當噴氣力為恒定值時，則繩子突然拉緊時對任務星造成的沖擊和后續(xù)的振動情況可以用地面重力場下的實驗進行模擬.如圖11所示為所設計的地面防沖擊緩沖釋放實驗方案示意圖.張力控制機構的系繩末端與一0.9kg的重物相連，通過一滑輪使重物豎直懸掛，重物上方固定安裝一激光位移傳感器，用來實時采集重物在豎直方向的位移X.位移X的原點取在重物下方的地面上，豎直向上為正方向，張力控制機構中的張力傳感器實時采集FT，通過計算機將位移和張力進行處理與輸出.

圖9 長系繩單機測試結果Fig.9 Test results with long tether

為了方便對比，首先進行不控條件下的實驗，即用電磁剎車將張力控制機構的卷線筒鎖死，然后將重物提起一定高度釋放.重物運動過程中的X及FT的變化如圖12所示.

通過張力控制機構對系繩張力進行閉環(huán)控制.設由控制系統(tǒng)到張力控制機構張力輸出環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為G（s），輸入為給定無刷直流伺服電機電樞電流，輸出為系繩張力.設張力傳感器的傳遞函數(shù)為H（s），控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為Gc（s），給定張力和實際系統(tǒng)輸出張力分別為R（s）和C（s），閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖13所示.

在相同的條件下將重物釋放，重物運動過程中的位移及系繩張力變化如圖14所示.

圖10 超長系繩單機測試結果Fig.10 Test results with superior long tether

圖11 防沖擊緩沖釋放實驗示意圖Fig.11 Schematic diagram of anti-impact buffering release experiment

通過上述2組實驗可以看出，在不控條件下，由于重物在系繩拉緊前具有一定的速度，重物對系繩的沖擊力較大，且后續(xù)持續(xù)一定的振動；在使用張力控制機構進行張力閉環(huán)控制后，重物對系繩的沖擊力大大減小，且完全抑制了后續(xù)的振動現(xiàn)象.上述結果驗證了所設計的張力控制機構良好的控制性能和操作性能，下一步可以考慮在該實驗中加入最優(yōu)控制，如使重物在最短的時間內達到靜止狀態(tài).

圖12 張力不控時的實驗結果Fig.12 Experimental results under uncontrolled condition

圖13 張力閉環(huán)控制框圖Fig.13 Diagram of tension closed loop control

圖14 張力控制條件下的實驗結果Fig.14 Experiment results under tension control condition

5 結 語

對于空間繩網機器人捕捉空間碎片作業(yè)，張力控制技術是一項關鍵技術.通過對捕獲過程的分析，得出適用于空間繩網機器人的張力控制機構必須具有繩長可控可測、張力可控可測及系繩空間入角姿態(tài)可測量等功能的結論.據(jù)此研制的張力控制機構樣機能夠基本滿足要求，且有較高的張力控制分辨率，對各種系繩尺度都具有良好的張力跟蹤能力.開展的地面防沖擊緩沖釋放實驗獲得了良好的實驗效果，說明張力控制機構樣機具有較好的操作性和良好的實際應用價值.該張力控制機構為繩系機構相互之間實現(xiàn)張力控制和其他控制策略提供了基礎.

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Performance study and development of tether control mechanism for space tethered-net robot

WANG Ban，YI Lin，GUO Ji-feng
（College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

The prototype of tension control mechanism for space tethered-net robot was developed.The possible impact，swing and vibration problems during the system stabilized from two decentralized rigid bodies to a stable combination were emphatically demonstrated.The tension control mechanism and its control strategy is one of thekey technologies，and the only way to solve the problem is the coordination of tension control and the whole motion planning which is inspired from providing reasonable tension by the coordination of fishing rod and reel.The tension control mechanism should be with the measurement of attitude angles，the measurement of the length of tether，the regulation and measurement of tether tension in order to fulfill the control requirements.A design scheme of tension control mechanism with high precision was proposed.The single machine test and anti-impact buffering release experiment were conducted.Results show that the tension control mechanism has good operability and can fulfill the requirements of experiments on the ground.

tethered-net robot；tether tension control mechanism；single machine test experiment；anti-impact

V 526

A

1008-973X（2015）10-1974-08

2014-07-21.浙江大學學報（工學版）網址：www.journals.zju.edu.cn/eng

國家自然科學基金資助項目（51475411）；國家“863”高技術研究發(fā)展計劃資助項目（2013AA7044026）.

王班（1988—），男，博士生，從事空間機器人技術及空間結構設計的研究.E-mail：bigban@zju.edu.cn

郭吉豐，男，教授.E-mail：usm@zju.edu.cn