基于可伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 康，梁常春，林云成，王耀兵

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100092）

·空間機(jī)械臂專題·

基于可伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 康，梁常春，林云成，王耀兵

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100092）

空間機(jī)械臂在發(fā)射階段往往要求較小的包絡(luò)，在空間應(yīng)用階段又需要足夠大的操作范圍和很高的操作精度，單一構(gòu)型的空間機(jī)械臂很難滿足以上需求。為此提出一種臂桿可伸縮的自重構(gòu)空間機(jī)械臂：當(dāng)機(jī)械臂處于收縮狀態(tài)時(shí)，發(fā)射包絡(luò)小、操作精度高；當(dāng)機(jī)械臂處于伸長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，可達(dá)范圍大。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的等截面可伸縮臂桿提高了機(jī)械臂的適應(yīng)能力。

在軌服務(wù)技術(shù)；空間機(jī)械臂；自重構(gòu)；可伸縮臂桿

1　引言

隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展和對(duì)太空探索的不斷深入，需要空間機(jī)器人參與的空間任務(wù)會(huì)越來越多，如空間站的建造維護(hù)、空間設(shè)備的維修、科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷的照料、行星表面探測(cè)等。由于太空環(huán)境的限制，這些任務(wù)不能全靠航天員來完成，而空間機(jī)器人具有適應(yīng)微重力、高溫差、高輻射的太空作業(yè)環(huán)境的能力［1］，因此采用空間機(jī)器人協(xié)助或代替航天員完成一些太空作業(yè)，在高效性和安全性方面都具有很重要的意義。

在過去十幾年中，對(duì)空間機(jī)器人的研究多數(shù)限于使用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和固定長(zhǎng)度連桿來模仿人類的手臂運(yùn)動(dòng)，根據(jù)不同的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度的機(jī)械臂［2］。一旦機(jī)械臂設(shè)計(jì)研制完成，它所具有的工作空間與能力也已定型?！霸O(shè)計(jì)定型即任務(wù)定型”的瓶頸使得空間機(jī)械臂的在軌任務(wù)無法得到有效拓展，從而制約了其應(yīng)用。此外，針對(duì)不同應(yīng)用任務(wù)而重復(fù)研制空間機(jī)械臂無疑也增加了研發(fā)成本、時(shí)間成本與發(fā)射成本，不利于愈發(fā)激烈的航天市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。目前國(guó)際空間站機(jī)械臂的臂桿也為固定長(zhǎng)度，由加拿大MDA公司研制，該公司也正在研制新一代的可伸縮臂桿機(jī)械臂，該方案機(jī)械臂在發(fā)射之前存放在不超過5 m3的空間里，在軌展開后長(zhǎng)度可達(dá)15 m，共6個(gè)自由度［3］。

本文提出一種新型的基于伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂方案，不但使用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，也采用了可伸縮的臂桿。

2　需求分析

為同時(shí)具備大中型設(shè)備操作與小型精細(xì)化操作的雙重能力，進(jìn)行基于伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要從以下應(yīng)用背景需求出發(fā)：

1）遠(yuǎn)距離目標(biāo)大范圍捕獲與轉(zhuǎn)移、近距離對(duì)象高剛度精細(xì)操作

空間機(jī)械臂是航天器在軌服務(wù)的重要工具，臂桿可伸縮自重構(gòu)機(jī)械臂應(yīng)同時(shí)滿足在軌服務(wù)對(duì)可達(dá)范圍大和操作精度高的要求。如圖1所示，伸長(zhǎng)構(gòu)型的機(jī)械臂應(yīng)可對(duì)遠(yuǎn)距離的服務(wù)對(duì)象（如小衛(wèi)星、望遠(yuǎn)鏡、貨物等航天器）進(jìn)行捕獲，捕獲完成后機(jī)械臂臂桿收縮變?yōu)榫容^高的收縮機(jī)械臂構(gòu)型，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化操作（如在軌維修維護(hù)）。

圖1　自重構(gòu)機(jī)械臂在軌服務(wù)Fig.1 On-orbit service of self-reconfigurable manipulator

2）半封閉式貨艙貨物搬運(yùn)

隨著在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)入口較小且內(nèi)部空間較大的半封閉式航天器在軌服務(wù)操作的現(xiàn)象可能會(huì)增多，如圖2所示，具有臂桿可伸縮自由度的自重構(gòu)空間機(jī)械臂應(yīng)可進(jìn)入狹小入口，同時(shí)伸展構(gòu)型的機(jī)械臂可在航天器內(nèi)部空間進(jìn)行大范圍操作。

圖2　狹小入口半封閉式航天器在軌服務(wù)Fig.2 On-orbit service on semi-close cabin with narrow portal

3）航天員出艙活動(dòng)的快速轉(zhuǎn)移

在輔助航天員出艙活動(dòng)方面應(yīng)具有更靈活的應(yīng)用。例如，在較大的范圍內(nèi)，航天員可以僅依靠操作伸縮臂桿的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)位置的移動(dòng)，以避免了多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)帶來的機(jī)械臂構(gòu)型奇異風(fēng)險(xiǎn)，并降低不必要的工作功耗。

4）滿足小空間運(yùn)載包絡(luò)需求

為節(jié)約發(fā)射成本，當(dāng)機(jī)械臂隨其它航天器發(fā)射時(shí)，應(yīng)盡量減小機(jī)械臂對(duì)運(yùn)載空間的占用需求，但又不失其固有操作能力。此時(shí)，可伸縮的機(jī)械臂應(yīng)可通過在發(fā)射階段處于臂桿最短收縮構(gòu)型以便于航天器構(gòu)型布局設(shè)計(jì)與滿足運(yùn)載包絡(luò)要求。

根據(jù)以上需求并考慮未來空間任務(wù)的拓展，主要針對(duì)機(jī)械臂的伸縮功能提出以下指標(biāo)：

機(jī)械臂可達(dá)范圍：2.5～10.5 m；

臂桿承載彎矩：3000 Nm；

臂桿承載扭矩：1500 Nm；

臂桿伸縮力：1500 N；

臂桿彎曲剛度：≥2×105Nm/rad；

臂桿扭轉(zhuǎn)剛度：≥1×105Nm/rad。

3　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于可伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂本體包括9個(gè)自由度，主要由7個(gè)關(guān)節(jié)、2個(gè)可伸縮臂桿、2個(gè)末端執(zhí)行器組成。其中，7個(gè)關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（肩3+肘1+腕3），2個(gè)臂桿可實(shí)現(xiàn)2個(gè)直線運(yùn)動(dòng)自由度，末端執(zhí)行器用于整臂基座固定及末端的抓取、操作等。由于對(duì)稱配置，可實(shí)現(xiàn)兩端雙向互為基座，具備覆蓋大范圍操作空間的爬行拓展能力。此空間機(jī)械臂系統(tǒng)組成方案如圖3。

圖3　基于可伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂組成方案Fig.3 Framework of space manipulator based on telescopic mechanism

設(shè)計(jì)的臂桿可伸縮空間機(jī)械臂系統(tǒng)主要包括如下配置：

1）模塊化關(guān)節(jié)

7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)均采用通用、輕質(zhì)、模塊化、一體化設(shè)計(jì)。關(guān)節(jié)傳感器包括關(guān)節(jié)力矩傳感器、關(guān)節(jié)位置傳感器、電機(jī)位置傳感器等。

2）可伸縮臂桿

2個(gè)臂桿伸縮機(jī)構(gòu)與通常的空間展開機(jī)構(gòu)不同，具有定位準(zhǔn)確，彎扭剛度高的特點(diǎn)，同時(shí)具有電纜自由收放的功能，保證各關(guān)節(jié)之間的電纜隨著臂桿伸縮的過程實(shí)現(xiàn)自由收放。

3）通用接口的末端執(zhí)行工具

根據(jù)不同的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)不同的末端執(zhí)行操作工具，用于在軌服務(wù)對(duì)象的捕獲、抓取、精細(xì)化操作等，且機(jī)械臂與操作工具間的連接為通用、可快速拆卸接口，可實(shí)現(xiàn)多用途、易維修的功能。

4）系統(tǒng)控制單元

機(jī)械臂系統(tǒng)采用分布控制方式，包含用于系統(tǒng)控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的中央控制器、各個(gè)分布式關(guān)節(jié)控制器、臂桿伸縮機(jī)構(gòu)控制器三部分。

以上四部分除可伸縮臂桿外都較為成熟，本文在第4章將針對(duì)可伸縮臂桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，為滿足整臂的可達(dá)范圍要求，伸縮機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足1～4 m的伸縮范圍指標(biāo)。

4　可伸縮臂桿機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

伸縮桿自重構(gòu)空間機(jī)械臂伸縮桿機(jī)構(gòu)要求可重復(fù)伸縮、定位準(zhǔn)確、彎扭剛度高、伸縮比高，國(guó)內(nèi)外研究的可重復(fù)伸縮的空間展開機(jī)構(gòu)包括薄壁管狀伸展機(jī)構(gòu)（德國(guó)宇航中心研制的CFRP）［4-5］、鉸接桿伸展機(jī)構(gòu)（美國(guó)AEC-Able公司研制）［6-7］、伸縮套筒式展開機(jī)構(gòu)（美國(guó)Northrob Grumman公司研制）［8］，其中只有套筒式展開機(jī)構(gòu)可具備以上前3個(gè)特點(diǎn)，但由于該機(jī)構(gòu)是由一組直徑依次減小的多個(gè)同軸薄壁圓筒相互嵌套而成（原理如圖4所示），為達(dá)到較高的伸縮比，需提高展開級(jí)數(shù)，而隨著展開級(jí)數(shù)的增多，套筒直徑逐漸減小，剛度降低。為此本文提出一種等截面伸縮的展開機(jī)構(gòu)，可保證機(jī)械臂臂桿在伸展過程中截面剛度不變，同時(shí)獲得較高的機(jī)構(gòu)伸縮比。

圖4　套筒式展開機(jī)構(gòu)原理Fig.4 Principle of sleeve deployable mast

4.1 等截面臂桿成型原理

等截面伸展機(jī)構(gòu)與套筒式伸展機(jī)構(gòu)的不同之處在于：套筒式伸展機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)已成型的多個(gè)薄壁套筒伸展逐級(jí)伸展，而等截面伸展機(jī)構(gòu)是使豎直板帶和水平板帶在伸展的過程中逐漸成型為臂桿。臂桿成型原理如圖5所示，豎直板帶是一條邊緣附近均勻分布矩形孔的扁平金屬帶狀結(jié)構(gòu)，

其結(jié)構(gòu)形式類似于相機(jī)膠卷，豎直板帶的厚度遠(yuǎn)小于其寬度，具有很好的柔韌性，可以卷成環(huán)狀進(jìn)行存儲(chǔ)，占用空間小。水平板帶是一種等厚螺旋葉片狀，其特殊之處在于沿著水平板帶外緣螺旋線均勻分布齒狀結(jié)構(gòu)。水平板帶的結(jié)構(gòu)類似于矩形截面的等徑圓柱彈簧，自由放置時(shí)水平板帶的每一圈可以疊放在一起，而受到較小的軸向拉力時(shí)能夠使水平板帶的螺距等于螺旋管柱的螺距。豎直板帶按照設(shè)計(jì)的直徑螺旋纏繞，保證豎直板帶纏繞時(shí)具有一定量的重疊部分，在重疊區(qū)域，水平板帶外緣的齒與豎直板帶上的矩形孔嚙合鎖緊，并形成結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的螺旋管柱。

圖5　臂桿成型原理Fig.5 Principle of arm forming

通過對(duì)板帶嚙合過程的描述，可以看出板帶正確嚙合的條件有兩個(gè)：

1）嚙合處豎直板帶的孔距PZ與水平板帶的齒距pZ相等，如圖6所示，可描述為式（1）：

圖6　板帶正確嚙合條件一Fig.6 Condition 1 of the correct band joggle

2）豎直板帶纏繞一周后，豎直板帶上下排孔錯(cuò)位距離Sc與水平板帶上下排齒錯(cuò)位距離sc相等，如圖7所示，可描述為式（2）：

圖7　板帶正確嚙合條件二Fig.7 Condition 2 of the correct band joggle

4.2 伸縮機(jī)構(gòu)方案

根據(jù)臂桿成型原理，采用螺旋式滾輪實(shí)現(xiàn)板帶的嚙合，伸縮機(jī)構(gòu)的組成如圖8所示，內(nèi)定字固定不動(dòng)，外轉(zhuǎn)子上按照與豎直板帶相同的螺距P螺旋布置多個(gè)滾輪組，形成螺旋軌道，由電機(jī)通過1級(jí)齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖9所示），逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)滾輪組頂升水平板帶豎直向上移動(dòng)，同時(shí)水平板帶的齒狀結(jié)構(gòu)與豎直板帶孔嚙合，并帶動(dòng)豎直板豎直向上運(yùn)動(dòng)，形成螺旋管柱（臂桿）。臂桿收縮狀態(tài)時(shí)，兩種板帶盤旋存儲(chǔ)在存儲(chǔ)槽中，占用較小的空間。

圖8　伸縮機(jī)構(gòu)組成Fig.8 Composition of the telescopic mechanism

圖9　螺旋滾輪組伸展原理Fig.9 Principle of extention of the helical wheel set

轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周，臂桿伸展一個(gè)螺距，即旋轉(zhuǎn)角度和伸展長(zhǎng)度成線性關(guān)系。所以，轉(zhuǎn)子與支柱之間布置角度傳感器，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中可實(shí)時(shí)測(cè)量二者之間的絕對(duì)角度，同時(shí)可將旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記錄在上位機(jī)的FLASH-ROM存儲(chǔ)器中，即使控制器斷電后，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。當(dāng)系統(tǒng)通電后，可讀取旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，再測(cè)得轉(zhuǎn)子的相對(duì)角度，這樣可準(zhǔn)確計(jì)算出臂桿的任意伸展位置。

電纜用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)、末端及其它單機(jī)的供電和通信，在臂桿伸縮過程中，電纜應(yīng)該隨臂桿收縮。伸縮機(jī)構(gòu)采用中空走線方式，將電纜布置在柔性螺旋板帶上，如圖10所示，由電纜壓固件分段緊固電纜。柔性螺旋板帶一端與支柱端固連，另外一段與移動(dòng)端連接。在臂桿伸縮的過程中，電纜可隨螺旋板帶沿軸向收縮。

圖10　電纜固定方式Fig.10 Cable fixation

4.3 臂桿伸縮參數(shù)變化分析

當(dāng)水平板帶處于存儲(chǔ)狀態(tài)時(shí)，相鄰兩圈緊密的疊放在一起，螺距為p0，而水平板帶與豎直板帶相互嚙合形成臂桿時(shí)水平板帶的螺距與臂桿的螺距相同為P。在水平板帶拉伸過程中，隨著螺距的變化，水平板帶內(nèi)徑、圈數(shù)等尺寸會(huì)發(fā)生變化，這些尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致水平板帶外緣的齒在軸線方向上不再對(duì)齊，且相鄰兩圈對(duì)應(yīng)的齒中心法線也會(huì)錯(cuò)開一定的距離。下面對(duì)水平板帶拉伸前后幾何參數(shù)變化進(jìn)行分析。

如圖11所示，加工完成后的水平板帶圈數(shù)為n，螺距為p0，內(nèi)徑為D1，外徑為D2。板帶嚙合形成臂桿后水平板帶的圈數(shù)為n′，螺距為P，內(nèi)徑為D1′，外徑為D2′。

圖11　水平板帶拉伸前后尺寸編號(hào)Fig.11 Dimension ID of the horizontal band before and after extention

水平板帶存儲(chǔ)時(shí)內(nèi)圈螺旋線長(zhǎng)度為式（3）：

水平板帶存儲(chǔ)時(shí)外圈螺旋線長(zhǎng)度為式（4）：

臂桿伸展后內(nèi)圈螺旋線長(zhǎng)度為式（5）：

臂桿伸展后外圈螺旋線長(zhǎng)度為式（6）：

水平板帶拉伸前后寬度不變，均為B，且水平板帶內(nèi)緣螺旋線長(zhǎng)度和外緣螺旋線長(zhǎng)度也不發(fā)生變化，因此可得式（7）：

由公式（3）～（7）可以得到式（8）：

從公式（8）可以看出，拉伸過程中水平板帶內(nèi)徑和圈數(shù)均是關(guān)于節(jié)距的函數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)拉伸過程中水平板帶內(nèi)徑和圈數(shù)進(jìn)行分析，可得曲線如圖12和圖13。

圖12　水平板帶內(nèi)徑變化分析Fig.12 Changes of inner diameter of the horizontal band

圖13　水平板帶圈數(shù)變化分析Fig.13 Changes of number of turns of the horizontal band

從上圖可以看出，水平板帶拉伸過程中內(nèi)徑不斷變小，圈數(shù)不斷增加，所以水平板帶拉伸過程中會(huì)發(fā)生少量的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。板帶嚙合時(shí)的嚙合線仍然是螺旋線，但是直徑和圈數(shù)會(huì)發(fā)生變化，變化量與水平板帶內(nèi)圓的變化量相同。本文設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù)D1′=262 mm，P=100 mm，P0=2.2 mm，n′=35，B=17 mm，計(jì)算可得D1=265.66 mm，n=34.78，臂桿伸縮機(jī)構(gòu)的范圍700～4200 mm。

4.4 臂桿承載性能分析

可伸縮臂桿的水平板帶和豎直板帶均以殼單元進(jìn)行模擬，由于水平板帶的齒寬由齒頂?shù)烬X根逐步變大，可保證嚙合間隙較小，分析時(shí)忽略嚙合間隙，建模時(shí)使板帶嚙合處固連。

考慮到整個(gè)模型都是以相同的螺旋單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)組成的，因此在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，只針對(duì)一小段螺旋單元進(jìn)行分析，然后再線性折算來評(píng)估整體的力學(xué)特性。截取500 mm長(zhǎng)度的嚙合板帶作為分析對(duì)象，材料為彈簧鋼。在模型一端面施加固定約束，另一端面分別施加扭轉(zhuǎn)1500 Nm、彎曲3000 Nm和拉壓1500 N。分析模型如圖14所示。

圖14　臂桿分析模型Fig.14 Analysis model of the rod

對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可獲得最大應(yīng)力為217 Mpa，彎曲剛度為2.84×105Nm/rad，扭轉(zhuǎn)剛度為3.2×105Nm/rad，可滿足機(jī)械臂使用要求。

5　機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真驗(yàn)證

上述設(shè)計(jì)的機(jī)械臂本身含有7個(gè)旋轉(zhuǎn)副自由度和2個(gè)移動(dòng)副自由度，屬超冗余自由度機(jī)械臂。一般情況下，機(jī)械臂本體可鎖定兩個(gè)移動(dòng)副自由度，其余七個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行帶一個(gè)冗余自由度的避障路徑規(guī)劃。此時(shí)，根據(jù)臂桿伸縮的長(zhǎng)度變化情況，機(jī)械臂用于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的D-H參數(shù)會(huì)相應(yīng)變化，系統(tǒng)根據(jù)不同的參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整控制器，進(jìn)行路徑的優(yōu)化計(jì)算。這種參數(shù)可變的冗余機(jī)械臂屬于可重構(gòu)機(jī)械臂，具有結(jié)構(gòu)可變性、環(huán)境適應(yīng)性和容錯(cuò)性等特性［9］。

采用主動(dòng)伸縮方案時(shí)，此種可伸縮自重構(gòu)機(jī)械臂不需要經(jīng)過外界（人為）幫助就可以獨(dú)立完成重構(gòu)過程，而視為自重構(gòu)機(jī)械臂。對(duì)于自重構(gòu)機(jī)械臂來說，自重構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃就是尋找任意兩個(gè)不同構(gòu)型A、B之間的變形方法，對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制是通過對(duì)其關(guān)節(jié)角速度向量和桿的伸縮向量的控制來實(shí)現(xiàn)的。

建立如圖15所示運(yùn)動(dòng)模型。

圖15　機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型Fig.15 Motion model of the manipulator

下面針對(duì)典型的應(yīng)用工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如圖16所示，運(yùn)動(dòng)過程中各關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖17所示，臂桿伸縮運(yùn)動(dòng)過程長(zhǎng)度曲線如圖18所示。

圖16　典型工況仿真Fig.16 Simulation of a typical work condition

初始時(shí)刻機(jī)械臂處于收縮狀態(tài)，由于機(jī)械臂所在位置與艙體出入口之間空間狹小，收縮較短的機(jī)械臂可完成姿態(tài)調(diào)整，準(zhǔn)備進(jìn)入艙體。完成構(gòu)型調(diào)整后，由于目標(biāo)操作物體較遠(yuǎn)，需要機(jī)械臂操作空間擴(kuò)大，此時(shí)機(jī)械臂利用伸縮機(jī)構(gòu)將臂桿拉長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)操作空間的拓展，完成目標(biāo)物體抓取。在目標(biāo)物體取出后，需要機(jī)械臂在附近對(duì)其進(jìn)行精細(xì)操作，此時(shí)伸縮機(jī)構(gòu)收縮，完成近距離操作。

圖17　關(guān)節(jié)角度變化曲線Fig.17 Curve of joint angle changes

圖18　臂桿長(zhǎng)度變化曲線Fig.18 Curve of rod length changes

6　結(jié)論

1）提出了一種基于伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)方案，可同時(shí)具備發(fā)射包絡(luò)小、捕獲轉(zhuǎn)移范圍大、近距離精細(xì)化操作的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的固定桿長(zhǎng)的機(jī)械臂相比，更好地滿足在軌服務(wù)的不同需求。

2）設(shè)計(jì)了一種等截面的臂桿伸縮機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)通過水平板帶和豎直板帶相互嚙合鎖緊實(shí)現(xiàn)臂桿伸縮，具有高剛度、大伸縮比的特點(diǎn)，對(duì)伸縮參數(shù)變化和剛度進(jìn)行了分析和仿真，伸縮臂桿外徑290 mm，可實(shí)現(xiàn)700～4200 mm的伸縮范圍，滿足機(jī)械臂系統(tǒng)需求。

3）針對(duì)狹小空間內(nèi)的目標(biāo)操作工況，對(duì)既定方案的臂桿可伸縮機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真分析，獲取了關(guān)節(jié)角度轉(zhuǎn)動(dòng)曲線和臂桿長(zhǎng)度伸縮曲線。

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Design of Reconfigurable Space Manipulator System Based on Telescopic Mechanism

WANG Kang，LIANG Changchun，LIN Yuncheng，WANG Yaobing
（Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100092，China）

Space manipulator is an important tool for on-orbit service of the spacecraft.During the launch phase the smaller envelope is often required，while the bigger range for operation is needed in the stage of space applications.At the same，time on-orbit service also imposes high requirement on accuracy of the manipulator operation，so a single configuration of space manipulator is difficult to meet the above requirements.In this paper a reconfigurable space manipulator model based on telescopic rod was proposed.When the manipulator was in the state of contraction，its launch envelope is small and precision of operation is high.When the manipulator was changed to the extended state，its opration range could be expanded very large.The function of the manipulator such as variable structure could greatly improve the adaptability for on-orbit service.

on-orbit service；space manipulator；reconfiguration；telescopic rod

V423.4

A

1674-5825（2016）05-0537-07

2015-08-17；

2016-08-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（61573058）

王康（1985-），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)構(gòu)技術(shù)。E-mail：68wangkang@163.com