北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 孫 剛 劉廣通 郭 濤 高 峰 唐賴穎
太陽翼是由多個太陽電池板組成的陣列,在空間軌道上將太陽能轉(zhuǎn)換為電能供航天器使用。目前,使用最廣泛的太陽翼形式是剛性基板的折疊式太陽翼,主要包括根部鉸鏈、連接架、太陽翼基板等。在航天器發(fā)射前,先把各塊基板以折疊方式收攏在一起,從航天器發(fā)射到入軌,太陽電池陣依次經(jīng)歷折疊狀態(tài)、解鎖、展開、鎖定等階段[1]。由于擔(dān)負(fù)著為航天器提供能源的重要任務(wù),太陽翼在發(fā)射后是否能順利展開及正常工作直接影響航天器發(fā)射的成敗,太陽翼的對接質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)射后能否順利展開。
數(shù)字化柔性總裝是航天器總裝集成未來的重要發(fā)展方向,隨著并聯(lián)調(diào)姿技術(shù)和姿態(tài)測量技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字化自動對接成為航天、航空行業(yè)解決大型結(jié)構(gòu)高精度對接、安裝的重要手段[2]。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在航空界已有應(yīng)用先例,激光跟蹤儀在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,但是基于激光跟蹤儀和并聯(lián)機(jī)器人在太陽翼對接過程中的工程應(yīng)用國內(nèi)外鮮有報(bào)道[3-6]。
本文設(shè)計(jì)了一種基于六自由度并聯(lián)機(jī)器人、激光跟蹤儀的太陽翼數(shù)字化對接方法,根據(jù)激光跟蹤儀精度測量數(shù)據(jù)自動驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人調(diào)姿,實(shí)現(xiàn)星體俯仰、偏航、滾動3個指標(biāo)的單獨(dú)精確調(diào)整,完成太陽翼的高精度、數(shù)字化、高效率對接。
表1 星體位置和精度要求
航天器與太陽翼對接前,太陽翼需要單體展開懸掛在展開架上,展開架主要作用為卸載太陽翼的重力,展開架系統(tǒng)通過機(jī)構(gòu)與太陽翼基板相連,實(shí)現(xiàn)太陽翼在展開架上零重力展開和收攏,太陽翼對接分為太陽翼的安裝和拆卸兩個過程。航天器根據(jù)太陽翼對接的姿態(tài)精度要求進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整,為確保太陽翼零重力的展開環(huán)境,以及多次對接與分離的重復(fù)性與安全性,展開裝置系統(tǒng)對星體和太陽翼的對接精度有明確要求,即星體位置和姿態(tài)必須滿足太陽翼裝星條件,如表1所示。
圖1 太陽翼安裝工藝流程Fig.1 Solar wing installation process
傳統(tǒng)衛(wèi)星太陽翼安裝過程中,其安裝流程如圖1所示,衛(wèi)星處于兩軸轉(zhuǎn)臺或架車上,依據(jù)模擬墻的俯仰、偏航、滾動及壓緊座距地面的實(shí)測高度,通過經(jīng)緯儀完成對星體姿態(tài)的測量,按照星體與模擬墻的偏差要求微調(diào)星體,調(diào)整流程如下:一次測量完畢后,根據(jù)俯仰、偏航及滾動數(shù)據(jù)判斷調(diào)整順序,原則上先調(diào)整偏差最大的指標(biāo),每次調(diào)整量為讀數(shù)值的一半,采取逐次逼近的方法調(diào)整到位,卸裝過程(圖2)是安裝過程的逆過程,精測和星體姿態(tài)調(diào)整過程一致。調(diào)整過程中,俯仰、偏航、滾動3個指標(biāo)互相耦合,每調(diào)整完一個指標(biāo)后,均需對其他兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)測,根據(jù)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。雖然調(diào)整量只有俯仰、偏航和滾動3個變量,但是姿態(tài)的調(diào)整每一個變量的調(diào)整過程繁雜,對操作者操作技能要求高,耗費(fèi)時間較長[7-8]。
圖2 太陽翼卸裝工藝流程Fig.2 Solar wing uninstall process
對接系統(tǒng)為激光跟蹤儀和并聯(lián)機(jī)器人集成系統(tǒng),主要包括激光跟蹤儀(API)、靶球、測量輔具、并聯(lián)機(jī)器人。各部分主要功能為:(1)激光跟蹤儀:建立測量場,通過測量點(diǎn)的坐標(biāo)來標(biāo)定動平臺與壓緊點(diǎn)組成的坐標(biāo)系之間的關(guān)系,得到動平臺的初始位姿和目標(biāo)位姿;(2)靶球:放在靶標(biāo)點(diǎn)的測量輔具上,用于接受激光跟蹤儀發(fā)出的紅外激光并發(fā)射;(3)測量輔具:放于指定靶標(biāo)點(diǎn)上,用于放置靶球;(4)并聯(lián)機(jī)器人:固連星體,根據(jù)軌跡規(guī)劃調(diào)節(jié)星體位姿。
2.1.1 并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成
并聯(lián)機(jī)器人采用6-SPS并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要包含靜平臺、SPS支鏈、動平臺、工裝適配器和牽引機(jī)構(gòu),示意圖如圖3所示。
圖3 并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Parallel mechanism structure
靜平臺是整個機(jī)構(gòu)的機(jī)架,其下方布置腳輪和支撐結(jié)構(gòu),牽引裝置安裝至腳輪上可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的靈活移動,支撐結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的靜態(tài)鎖定;其上方提供SPS支鏈的連接接口,即虎克鉸軸承座。SPS支鏈采用電動缸或者液壓缸形式,為并聯(lián)機(jī)器人提供動力。動平臺下方提供SPS支鏈另一端的連接接口,即球鉸座;其上方提供工裝適配器的接口;動平臺上安裝傾角傳感器,可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的初始化調(diào)平工作,傾角傳感器的精度可達(dá)0.01°,換算成俯仰和滾動偏差為0.17mm/m,滿足太陽翼的裝星要求。工裝適配器是并聯(lián)機(jī)器人與衛(wèi)星之間的轉(zhuǎn)換接口,太陽翼對接工況中,不同型號對SADA中心距離地面的高度要求不同,工裝適配器可實(shí)現(xiàn)星體高度的粗略調(diào)整。
2.1.2 并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)
并聯(lián)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)空間6自由度的姿態(tài)調(diào)整,在并聯(lián)機(jī)器人整體尺寸小于1.7m×7.5m×1m,且靜平臺底盤高度為300mm的情況下,可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z 3個方向±50mm的平動調(diào)整和繞X軸、Y軸、Z軸3個旋轉(zhuǎn)軸±5°的轉(zhuǎn)動調(diào)整。并聯(lián)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)多自由度的同時調(diào)姿,也可以實(shí)現(xiàn)不影響其他自由度變化的前提下的單自由度的調(diào)姿。結(jié)合太陽翼對接過程中衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整幅度,并聯(lián)機(jī)器人的調(diào)姿空間可滿足太陽翼對接要求。
通過合理的運(yùn)動控制算法、對運(yùn)動速度分析(支鏈輸入速度和動平臺輸出速度的關(guān)系)、對裝配精度和承載變形的補(bǔ)償分析、裝配完成后的標(biāo)定等方式,可確保并聯(lián)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整精度優(yōu)于±0.1mm。運(yùn)動精度滿足太陽翼對接中星體位置和姿態(tài)精度的調(diào)整要求。
2.1.3 并聯(lián)機(jī)器人調(diào)姿工作模式
并聯(lián)機(jī)器人在調(diào)姿工作過程中,主要工作模式有以下幾種:
(1)動坐標(biāo)系相對靜坐標(biāo)系進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整;
(2)動坐標(biāo)系相對于動坐標(biāo)系(初始調(diào)平時的動坐標(biāo)系)進(jìn)行調(diào)姿;
(3)動坐標(biāo)系相對于水平坐標(biāo)系進(jìn)行調(diào)姿(提前建立水平坐標(biāo)系);
(4)以水平坐標(biāo)系或者靜坐標(biāo)系為基準(zhǔn),指定星體上某兩點(diǎn),以兩點(diǎn)確定的軸為旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動姿態(tài)調(diào)整。
2.1.4 并聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)勢
并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比與串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)采用并聯(lián)、閉鏈桿系結(jié)構(gòu),在準(zhǔn)靜態(tài)情況下傳動構(gòu)件理論上僅受拉、壓載荷的二力桿,故單位質(zhì)量的支鏈結(jié)構(gòu)具有很高的承載能力,系統(tǒng)剛度重量比大;
(2)結(jié)構(gòu)相對簡單,容易實(shí)現(xiàn)六自由度運(yùn)動,控制靈活;
(3)運(yùn)動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態(tài)品質(zhì),機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度快;
(4)各關(guān)節(jié)誤差部分能夠相互抵消,機(jī)械本體的精度較高。
對接系統(tǒng)集成API TRACKER III激光跟蹤儀(圖4),具有自動跟蹤鎖定靶球的功能,可以提供準(zhǔn)確的動態(tài)和靜態(tài)坐標(biāo)及角度測量,是尺寸測量、安裝、定位、校正、逆向工程等方面功能強(qiáng)大的計(jì)算工具。主要技術(shù)指標(biāo)為:
(1)靜態(tài)精度5ppm,動態(tài)精度10ppm,坐標(biāo)重復(fù)性2.5ppm;
(2)測量半徑優(yōu)于30m;
(3)水平測量角度范圍:±320°;
(4)垂直測量角度范圍:-80°~+60°;
(5)角分辨率:0.05'';
(6)長度分辨率:0.1μm。
數(shù)字化對接系統(tǒng)集成并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)和激光跟蹤儀的數(shù)據(jù)采集及處理功能,把太陽翼對接工藝納入軟件流程(圖5),系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)太陽翼數(shù)字化自動對接。
太陽翼數(shù)字化對接系統(tǒng)共5個坐標(biāo)系,每個坐標(biāo)系定義見表2。
圖4 API激光跟蹤儀測量系統(tǒng)Fig.4 API laser tracker
圖5 軟件流程Fig.5 Software process
表2 太陽翼數(shù)字化對接系統(tǒng)坐標(biāo)系
基于并聯(lián)機(jī)器人的姿態(tài)精密調(diào)整技術(shù)和激光跟蹤儀的精密測量技術(shù),采用激光跟蹤儀建立測量場、并聯(lián)機(jī)器人調(diào)節(jié)星體位姿,激光跟蹤儀的測試數(shù)據(jù)經(jīng)過解算直接驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人調(diào)整星體至目標(biāo)姿態(tài),實(shí)現(xiàn)星體與太陽翼數(shù)字化精密對接。
基于并聯(lián)機(jī)器人和激光跟蹤儀的太陽翼數(shù)字化對接方法見圖6所示。
(1)激光跟蹤儀建立測量場{O1-X1Y1Z1},在模擬墻精調(diào)以后,使用激光跟蹤儀測量壓緊座基座中心孔A的坐標(biāo),求出壓緊座基座中心孔組成的坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}的位姿。
(2)使用激光跟蹤儀標(biāo)定測量場的中的地標(biāo)點(diǎn),建立測量場坐標(biāo)系{O1-X1Y1Z1}與地標(biāo)坐標(biāo)系{O0-X0Y0Z0}之間的關(guān)系。
(3)再將星體推入到指定工位后,使用激光跟蹤儀建立測量場{O1'-X1'Y1'Z1'},標(biāo)定測量場中的地標(biāo)點(diǎn),建立測量場坐標(biāo)系{O1'-X1'Y1'Z1'}與地標(biāo)坐標(biāo)系{O0-X0Y0Z0}之間的關(guān)系。這樣可以建立兩次測量坐標(biāo)系之間的相對位姿關(guān)系。
(4)使用激光跟蹤儀測量動平臺上的靶標(biāo)點(diǎn)和星體上對應(yīng)的壓緊座基座中心孔的坐標(biāo),得到壓緊座基座中心孔坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}與動平臺坐標(biāo)系{O3-X3Y3Z3}的相對位姿關(guān)系。
(5)計(jì)算動平臺的初始位姿和目標(biāo)位姿,并聯(lián)機(jī)器人軟件系統(tǒng)根據(jù)軌跡規(guī)劃算法進(jìn)行軌跡規(guī)劃,從而控制并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)星體位姿的變化,最后完成星體與太陽翼的對接。
3.2.1 模擬墻上壓緊座基座中心孔坐標(biāo)系與動平臺坐標(biāo)系的位姿關(guān)系
(1)指定壓緊點(diǎn)的相對位姿關(guān)系。
模擬墻精調(diào)好后,激光跟蹤儀建立測量坐標(biāo)系{O1-X1Y1Z1},先使用激光跟蹤儀測量模擬墻上壓緊點(diǎn)坐標(biāo),得到壓緊點(diǎn)之間的相對位姿關(guān)系。測量指定壓緊點(diǎn)A、B、C,得到壓緊點(diǎn)在測量場下的坐標(biāo)值 A(x1,y1,z1),B(x2,y3,z3),C(x3,y3,z3),這樣可以計(jì)算得到三個壓緊點(diǎn)之間的位置關(guān)系 L1、L2、L3。
在星體調(diào)姿過程中,壓緊點(diǎn)的相對位置關(guān)系不會改變,即 L1、L2、L3不會變。
(2)構(gòu)建壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}。
根據(jù)不共線的3個點(diǎn)可以組成一個平面原理,選取3個不共線的壓緊點(diǎn)(A,B,C)組成一個平面,如圖7所示,平面ABC,選取點(diǎn)A為坐標(biāo)原點(diǎn),取其中一條線段AB為X軸,過點(diǎn)A垂直于平面ABC為Z軸,根據(jù)右手螺旋法則得到Y(jié)軸,(如果選取壓緊點(diǎn)組成直角三角形,可以直接以直角邊作為坐標(biāo)系的X軸和Y軸),根據(jù)3個點(diǎn)之間的距離可以得到3個點(diǎn)在構(gòu)建壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系 下的坐標(biāo)值。
由三角形公式(4)
可以得到
從而可以得到壓緊點(diǎn)A、B、C在{O2-X2Y2Z2}坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值,分別是:A(0,0,0),B(L1,0,0),C(L2cosα,L2sinα,0)。
圖7 構(gòu)建壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系Fig.7 Member pinch point coordinate system
(3)模擬墻上壓緊座基座孔坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}在測量坐標(biāo)系{O1-X1Y1Z1}下的位姿T1。
在完成模擬墻精調(diào)后,可以得到模擬墻上指定壓緊座基座孔坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}在測量坐標(biāo)系下{O1-X1Y1Z1}的坐標(biāo),通過建立壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系得到壓緊點(diǎn)在壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo),通過位姿擬合算法得到壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。
3.2.2 激光跟蹤儀兩次測量場的位姿關(guān)系
由于太陽翼對接裝配空間的限制,在撤離模擬墻和移動星體時需要移動激光跟蹤儀的位置,這樣需要建立兩次測量坐標(biāo)系之間的關(guān)系,采用在裝配空間貼地標(biāo)點(diǎn)的方法來建立兩次測量坐標(biāo)系之間的關(guān)系。
移動激光跟蹤儀之前,標(biāo)定地標(biāo)點(diǎn),得到地標(biāo)坐標(biāo)系{O0-X0Y0Z0}與此時測量坐標(biāo)系{O1-X1Y1Z1}之間的關(guān)系。
衛(wèi)星星體入位后,放置好激光跟蹤儀,標(biāo)定地標(biāo)點(diǎn),得到大地坐標(biāo)系{O0-X0Y0Z0}與此時測量坐標(biāo)系{O1'-X1'Y1'Z1'}之間的關(guān)系T4,如圖7所示。
根據(jù)激光跟蹤儀在不同位置與地標(biāo)坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系,可以得到兩次激光跟蹤儀測量坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系T4。
3.2.3 壓緊座基座中心孔坐標(biāo)系與動平臺坐標(biāo)系的位姿關(guān)系
并聯(lián)機(jī)器人調(diào)姿前提是對動平臺調(diào)姿,需將待裝件的位姿變化轉(zhuǎn)換為動平臺的位姿變化;星體與太陽翼對接需將壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系下的調(diào)姿規(guī)劃轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的動平臺坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系下的調(diào)姿規(guī)劃。
(1)星體壓緊座中心孔坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}在測量坐標(biāo)系{O1'-X1'Y1'Z1'}的位姿T2。
移走模擬墻后,衛(wèi)星移動入太陽翼展開架對接工位,采用激光跟蹤儀測量此時衛(wèi)星上壓緊座基座中心孔A、B、C的坐標(biāo),根據(jù)位姿求解算法得到此時星體上壓緊座基座中心孔坐標(biāo)系在測量坐標(biāo)系下的位姿T2;
(2)動平臺坐標(biāo)系{O3-X3Y3Z3}在測量坐標(biāo)系{O1'-X1'Y1'Z1'}的位姿T3。
衛(wèi)星移入太陽翼展開架對接工位后,采用激光跟蹤儀測量動平臺上3個已知理論值的點(diǎn)A3、B3、C3,同樣根據(jù)位姿求解算法得到動平臺坐標(biāo)系{O3-X3Y3Z3}在測量坐標(biāo)系{O1-X1Y1Z1}下的位姿T3;
(3)壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系{O2-X2Y2Z2}與動平臺坐標(biāo)系{O3-X3Y3Z3}之間位姿關(guān)系T0。
根據(jù)相對位姿關(guān)系T2和T3可以得到壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系相對于動平臺坐標(biāo)系的位姿T0=T2/T3;星體與并聯(lián)機(jī)器人固接后以后,在調(diào)姿過程中,壓緊點(diǎn)坐標(biāo)系與動平臺坐標(biāo)系之間的關(guān)系不會改變,永遠(yuǎn)是T0。
3.2.4 并聯(lián)機(jī)器人的初始位姿和目標(biāo)位姿
(1)目標(biāo)位姿。
模擬墻精調(diào)好后,使用激光跟蹤儀測量壓緊點(diǎn)坐標(biāo)值,通過位姿擬合和轉(zhuǎn)化算法得到動平臺的位姿,即并聯(lián)機(jī)器人的目標(biāo)位姿,為T1*T0。由于兩次測量坐標(biāo)系不一樣,需要將模擬墻精調(diào)好后的位姿轉(zhuǎn)化為{O1'-X1'Y1'Z1'}測量坐標(biāo)系系下的位姿 T1*T0*T4。
(2)初始位姿。
并聯(lián)機(jī)器人的初始位姿為星體移入工位后,開始調(diào)姿前,使用激光跟蹤儀測量壓緊點(diǎn)坐標(biāo)值,通過位姿擬合和轉(zhuǎn)化得到動平臺的位姿,即并聯(lián)機(jī)器人初始位姿T3。
在太陽翼與星體對接空間布置地標(biāo)點(diǎn),在完成星體與太陽翼的連接后,使用激光跟蹤儀標(biāo)定地標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)系與并聯(lián)機(jī)器人坐標(biāo)系(或者星體坐標(biāo)系)的相對位姿關(guān)系T1。
將需要卸裝的衛(wèi)星和并聯(lián)機(jī)器人推入到指定區(qū)域,才用激光跟蹤儀測量地標(biāo)點(diǎn)和并聯(lián)機(jī)器人坐標(biāo)系(或者星體坐標(biāo)系)的相對位姿關(guān)系T2,T1作為并聯(lián)機(jī)器人的目標(biāo)位姿,T2作為并聯(lián)機(jī)器人的初始位姿,進(jìn)行調(diào)姿規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)星體到指定位姿,最后完成太陽翼與星體的卸裝。
對比傳統(tǒng)太陽翼對接工藝方法,太陽翼數(shù)字化對接方法使太陽翼在測量項(xiàng)目、調(diào)姿過程、調(diào)節(jié)精度、操作人員、操作時間等方面有明顯優(yōu)化,如表3所示,為實(shí)現(xiàn)航天器總裝其它大部件產(chǎn)品自動數(shù)字化對接打下良好的基礎(chǔ)。
表3 太陽翼數(shù)字化對接技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
航天器總裝過程中基于并聯(lián)機(jī)器人的太陽翼數(shù)字化對接技術(shù),解決了太陽翼對接難題,對接精度高、自動化程度高、可靠性高,通用性強(qiáng),其中并聯(lián)調(diào)姿技術(shù)、數(shù)字化裝配測量技術(shù)反映了航天器總裝工藝裝備研制技術(shù)的發(fā)展水平,為后續(xù)航天器智能化總裝奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
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