重力對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為影響研究綜述

劉福才，劉 林，李 倩，秦 利，王文魁

（1.燕山大學(xué)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，秦皇島 066004）

重力對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為影響研究綜述

劉福才1，劉 林1，李 倩1，秦 利1，王文魁2

（1.燕山大學(xué)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制工程河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，秦皇島 066004）

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，各種空間機(jī)構(gòu)的使用將越來(lái)越普遍。任何空間機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)、裝調(diào)和使用上，必然會(huì)遇到重力及其釋放條件下運(yùn)動(dòng)行為差異的問題。因此有必要對(duì)重力對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的影響進(jìn)行研究。針對(duì)此背景，從采用落塔、拋物線飛行和空間站在軌飛行試驗(yàn)等方面介紹了國(guó)外在進(jìn)行空間機(jī)構(gòu)定位精度、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流、摩擦參數(shù)等方面獲得的空間與地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比研究成果，并闡述了我國(guó)的相關(guān)研究進(jìn)展，指出應(yīng)采用地面模擬與空間試驗(yàn)相結(jié)合的形式，找出空間機(jī)構(gòu)地面裝調(diào)與空間應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的差異，為空間機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

空間機(jī)構(gòu)；微重力；重力釋放；運(yùn)動(dòng)行為；地面模擬

1 引言

空間機(jī)構(gòu)是指在空間執(zhí)行運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械裝置［1］，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為包括機(jī)械構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)向運(yùn)動(dòng)功能映射的機(jī)械動(dòng)作組合，體現(xiàn)為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，各種空間機(jī)構(gòu)的使用越來(lái)越普遍，不同空間環(huán)境因素會(huì)對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為產(chǎn)生影響。空間微重力環(huán)境下的重力釋放是眾多問題中的特殊問題，導(dǎo)致的構(gòu)件變形和運(yùn)動(dòng)間隙變化，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的影響不可忽視，甚至?xí)?dǎo)致空間事故的發(fā)生（如美國(guó)旅行者2號(hào)方位驅(qū)動(dòng)器被卡、美國(guó)通信衛(wèi)星5號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸偏離、美國(guó)火星全球勘測(cè)者天線方位接頭卡住、蘇聯(lián)火衛(wèi)探測(cè)器2號(hào)機(jī)械部件故障等［2］）。有必要對(duì)該影響進(jìn)行研究，找出空間機(jī)構(gòu)地面裝調(diào)與空間應(yīng)用運(yùn)動(dòng)行為的差異，并以此為依據(jù)優(yōu)化空間機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及控制器設(shè)計(jì)，改善機(jī)構(gòu)在軌服役性能、提高操作精度、減少故障的發(fā)生［3］。

太陽(yáng)能帆板及天線等大型展開是此類事故多發(fā)區(qū)，如Alexis X射線觀測(cè)衛(wèi)星太陽(yáng)能帆板提前展開、歐洲空中快車MARSIS號(hào)無(wú)限期推遲、國(guó)際空間站星間通信裝置ICS-EF組裝過程中驅(qū)動(dòng)器的微動(dòng)開關(guān)失靈、我國(guó)嫦娥三號(hào)探月工程月球車出現(xiàn)“機(jī)構(gòu)控制”異常等故障［2］，對(duì)這些故障的分析結(jié)果都涉及微重力環(huán)境效應(yīng)問題。但是美國(guó)［1-2］、歐洲、日本［4］都有學(xué)者指出機(jī)械系統(tǒng)微重力試驗(yàn)難度大，為得到滿意的數(shù)據(jù)、合理的解釋需要更多的研究。隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者開始重視重力變化帶來(lái)的影響。陳烈民指出對(duì)于大型運(yùn)動(dòng)部件，想克服重力影響進(jìn)行試驗(yàn)非常重要和困難［5］；于登云指出重力會(huì)影響質(zhì)量大、剛度小的零件的形狀誤差，還會(huì)增加關(guān)節(jié)間的摩擦，影響地面試驗(yàn)結(jié)果［6］；關(guān)于不同重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑問題，劉維民指出重力環(huán)境的變化對(duì)空間潤(rùn)滑材料的影響不可忽略，由于軸承和頸套的相對(duì)位置在兩種工況下不同，所以潤(rùn)滑油膜厚度分布變化情況也不同［7］。

我國(guó)自1992年啟動(dòng)載人航天工程到現(xiàn)在20多年的時(shí)間里，已獨(dú)立掌握了載人航天技術(shù)，突破了空間實(shí)驗(yàn)和交會(huì)對(duì)接技術(shù)［8］，進(jìn)入到空間站有人在軌實(shí)驗(yàn)階段，為我國(guó)空間微重力試驗(yàn)提供了很好的契機(jī)，空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行為研究有望在空間進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。但是到目前為止，我國(guó)在微重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的研究較少，對(duì)需要研究的內(nèi)容尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。基于此，本文以綜述現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的研究成果為基礎(chǔ)，給出微重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為模擬研究的主要內(nèi)容，指出開展微重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為研究的建議。

2 研究方法和手段

研究空間機(jī)構(gòu)微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)行為有數(shù)值仿真和地面模擬試驗(yàn)兩種方法。由于空間站試驗(yàn)機(jī)會(huì)少，耗資高，因此現(xiàn)階段的試驗(yàn)研究以地面微重力環(huán)境模擬試驗(yàn)為主。

現(xiàn)有的微重力環(huán)境地面模擬試驗(yàn)方法主要有落塔法、飛機(jī)拋物線飛行法、中性浮力水槽法、氣浮法以及吊絲配重法等。美國(guó)有一個(gè)測(cè)試段深132 m、直徑為6.1 m的落塔［9］。美國(guó)、法國(guó)等國(guó)都建造有不同類型的失重飛機(jī)，失重時(shí)間可達(dá)20～30 s，能夠?qū)崿F(xiàn)10-2～10-3量級(jí)的微重力環(huán)境［10］。水浮法中較具代表性的為馬里蘭大學(xué)研制的Ranger試驗(yàn)系統(tǒng)［11］。懸吊比較具有代表性的有美國(guó)Carnegie Mellon大學(xué)研制的SMZ空間機(jī)器人地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［12-13］，Sato等的吊絲配重式的補(bǔ)償系統(tǒng)［14］。

落塔及飛機(jī)拋物線飛行法可實(shí)現(xiàn)短時(shí)高精度的微重力環(huán)境模擬，但單次試驗(yàn)時(shí)間短、被測(cè)試機(jī)構(gòu)尺寸受限，在機(jī)構(gòu)研究方面其實(shí)用性有限。水浮、懸吊、氣浮等試驗(yàn)方法試驗(yàn)時(shí)間不受限制，但由于受到水中阻力、設(shè)備摩擦、繩索柔性等因素的影響，模擬真實(shí)性較差［9］。王文魁提出一種空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為模擬研究的概念，指出可以在地面正常重力場(chǎng)環(huán)境中，以試驗(yàn)?zāi)M手段，找出重力對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的影響，尤其是對(duì)機(jī)構(gòu)間隙和其它一系列運(yùn)動(dòng)行為參數(shù)的影響［2］。

3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外

國(guó)外研究者在空間機(jī)構(gòu)數(shù)值模擬仿真方面，建立了各種不同重力環(huán)境模型，包括微重力環(huán)境下，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模型，通過碰撞接觸模型等描述間隙變化，研究含間隙機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，探討其影響機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為的主要原因［15-16］。在此基礎(chǔ)上，建立了運(yùn)動(dòng)副間隙潤(rùn)滑的動(dòng)力學(xué)分析方法，并利用此方法研究了運(yùn)動(dòng)副間隙及潤(rùn)滑作用的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為［17］。

為了獲得不同重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的差異，德國(guó)、日本和美國(guó)等通過落塔、飛機(jī)拋物線飛行和空間站在軌飛行試驗(yàn)等方法相繼獲得了空間機(jī)構(gòu)定位精度、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流、共振頻率和摩擦參數(shù)等空間微重力環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，指出了地面微重力環(huán)境模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)與空間飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的巨大差異。

3.1.1 德國(guó)ROTEX空間機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)

德國(guó)在1985年提出了空間機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)，并在1993年進(jìn)行了太空實(shí)驗(yàn)室D-2任務(wù)飛行試驗(yàn)（圖1）［18］，在歐洲空間自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)研究方面邁出了第一步。帕德伯恩大學(xué)已經(jīng)開發(fā)了該機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制器，這些關(guān)節(jié)控制器采用專門的“觀測(cè)器-算法”來(lái)辨識(shí)在零重力下摩擦的影響，從而得到適應(yīng)空間飛行狀態(tài)的具有力／位置控制操縱桿的地面遙控系統(tǒng)關(guān)節(jié)控制參數(shù)［18］。

3.1.2 日本空間飛行及落塔試驗(yàn)

1997年日本在國(guó)際空間站日本艙段進(jìn)行了機(jī)械臂在軌飛行試驗(yàn)，主要任務(wù)是驗(yàn)證靈巧機(jī)械臂末端定位精度及力控制精度，并與地面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見表1）［19］。并采用大型可展機(jī)構(gòu)縮比模型，分別進(jìn)行了航天飛行器在軌試驗(yàn)和地面懸吊試驗(yàn)，在軌試驗(yàn)表現(xiàn)出較低的共振頻率和較高的阻尼率，與地面較高的共振頻率和較低的阻尼率形成鮮明對(duì)比［20］。

表1 數(shù)學(xué)仿真結(jié)果Table 1 Arm tip positioning error results of the ground test and the flight experiment［20］

針對(duì)國(guó)際空間站暴露艙機(jī)械臂，2002年日本進(jìn)行了4自由度空間機(jī)械臂拋物線飛行試驗(yàn)［20-21］，拋物線飛機(jī)產(chǎn)生的微重力環(huán)境時(shí)間接近20 s，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流、伺服控制特性和操控性能。并與地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比（圖2）。從圖2中可以看出，機(jī)械臂第一關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度和角速度在地面與空間相差不大，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流峰值差別較大，在地面達(dá)到2A，超過極限值，而在空間只有0.6 A左右，且有正負(fù)之分。另外，還得出微重力條件下的粘滯摩擦系數(shù)較地面重力環(huán)境小10～20%的結(jié)論。

日本航空宇宙學(xué)會(huì)在2005年公布了3個(gè)關(guān)于在落塔進(jìn)行的微重力環(huán)境模擬試驗(yàn)成果。Shimoda通過研制的微重力環(huán)境下的移動(dòng)彈跳機(jī)構(gòu)，在自由落塔中進(jìn)行了微重力環(huán)境彈跳機(jī)構(gòu)軟著陸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在微重力環(huán)境下，要想垂直方向快速下降是很困難的，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)和地面之間的引力很?。?2］。Nohmi為研究繩系機(jī)器人釋放和回收運(yùn)動(dòng)過程，在自由落塔中進(jìn)行了4.5 s的微重力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)繩系機(jī)器人在微重力環(huán)境下的姿態(tài)控制會(huì)出現(xiàn)特殊現(xiàn)象［23］。Ui為了研究一種新的超小型衛(wèi)星對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接性能，在日本微重力中心自由落塔中進(jìn)行了10 s的三維微重力實(shí)驗(yàn)，并利用CCD相機(jī)記錄了對(duì)接過程。實(shí)驗(yàn)的目的是為了核實(shí)它的捕獲功能，因?yàn)槿S微重力在接近／捕獲階段非常重要［24］。

此外，改變機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副在重力場(chǎng)中的取向，也是一種分離重力因素的方法。例如，日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同重力取向條件下，高速旋轉(zhuǎn)軸系保持器摩擦磨損實(shí)驗(yàn)（見圖3）。研究結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)軸水平放置較垂直放置時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩增大，振動(dòng)加劇，保持器磨損加重，軸承溫度過度上升，保持器運(yùn)行失穩(wěn)，充分反映出重力耦合作用的重要性［25～26］。

3.1.3 美國(guó)零重力環(huán)境試驗(yàn)

NASA和谷歌制作了一個(gè)飛行機(jī)器人系統(tǒng)，正在國(guó)際空間站測(cè)試。使用的懸浮機(jī)器人名為SPHERES，寬度約為10 in；系統(tǒng)由3臺(tái)懸浮機(jī)器人組成，在國(guó)際空間站零重力環(huán)境下使用二氧化碳來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)力（圖4）［27］。這些機(jī)器人和谷歌的Project Tango智能手機(jī)相連，可對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行測(cè)繪。測(cè)試所需的無(wú)重力環(huán)境由Zero G公司通過帶人升上高空然后急速下降來(lái)獲得。

3.2 國(guó)內(nèi)

我國(guó)對(duì)于重力對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的影響研究起步較晚，初期的研究重點(diǎn)還只是停留在空間微重力環(huán)境地面模擬試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法上。由于空間試驗(yàn)條件及技術(shù)水平的限制，關(guān)于不同重力境下空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的差異的研究成果還較少，目前的研究成果主要集中在多自由度微重力模擬實(shí)驗(yàn)裝置、重力影響試驗(yàn)補(bǔ)償研究、重力影響仿真分析和重力影響的空間機(jī)構(gòu)控制技術(shù)等方面。

3.2.1 多自由度微重力模擬試驗(yàn)裝置

我國(guó)對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為研究多集中在真空潤(rùn)滑的地面模擬試驗(yàn)，通過增加氣浮模擬實(shí)驗(yàn)裝置的自由度來(lái)提升微重力環(huán)境模擬的真實(shí)性［15］，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)氣動(dòng)技術(shù)中心的五自由度氣浮臺(tái)（圖5）［28］、北京控制工程研究所的大型三軸氣浮臺(tái)（圖6）［29］等。

中國(guó)科學(xué)院智能機(jī)械研究所研制了水浮式［30］和懸吊式微重力模擬系統(tǒng)［31］；陳三風(fēng)提出一種平面氣浮和氣缸垂直懸浮組合的模擬實(shí)驗(yàn)方案［32］；齊乃明針對(duì)大中型及做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的空間實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，提出一種機(jī)、電、氣組合的三維空間微重力地面模擬系統(tǒng)裝置［33］（圖7）；韋娟芳研制了一種衛(wèi)星天線展開過程的零重力環(huán)境模擬設(shè)備［34］；閻紹澤利用懸吊技術(shù)測(cè)試了可展開桁架機(jī)構(gòu)標(biāo)志點(diǎn)的振動(dòng)衰減和加速度響應(yīng)，結(jié)果表明，空間可展機(jī)構(gòu)在做地面實(shí)驗(yàn)時(shí)，充分考慮重力的影響，以免造成設(shè)計(jì)失誤［35］。朱戰(zhàn)霞采用水浮和半實(shí)物仿真的形式對(duì)航天器操作的微重力環(huán)境進(jìn)行了構(gòu)建［36］。

3.2.2 重力影響試驗(yàn)補(bǔ)償研究

為了減小或消除地面重力對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的影響，劉站立在進(jìn)行空間機(jī)械臂單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)時(shí)，將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的軸線布置在垂直方向，從而去除了重力因素影響［37］。王玉平設(shè)計(jì)的非完整機(jī)械手臂是在三維空間運(yùn)動(dòng)，因當(dāng)重力力矩遠(yuǎn)大于摩擦盤產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)矩時(shí)，重力會(huì)阻止多關(guān)節(jié)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，因此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了兩種止動(dòng)機(jī)構(gòu)以減小重力帶來(lái)的影響［38］。房立金針對(duì)地面環(huán)境下空間飛行器進(jìn)行試驗(yàn)需要消除重力的影響這一問題，選取一臺(tái)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小車車輪在導(dǎo)軌上滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的小車作為研究對(duì)象，提出針對(duì)地面重力產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行主動(dòng)補(bǔ)償控制的方法，以減小或消除因重力而產(chǎn)生的摩擦力的作用［39］。為了研究重力勢(shì)對(duì)含鎖定間隙的空間可展結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響，李君蘭以太陽(yáng)翼為對(duì)象進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，分別在只有單塊帆板和兩塊帆板通過鉸鏈相連接的情況下進(jìn)行了不同安裝方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單板水平安裝時(shí)的低階振動(dòng)頻率比垂直安裝時(shí)低，這說(shuō)明重力勢(shì)的方向性改變了結(jié)構(gòu)的固有頻率［40］。華長(zhǎng)春研究了網(wǎng)絡(luò)化空間雙邊搖操作系統(tǒng)考慮重力影響的主從控制器設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證［41-42］。

3.2.3 重力影響仿真分析

在空間機(jī)構(gòu)仿真研究方面，清華大學(xué)閻紹澤論述了間隙非線性研究對(duì)新型航天器設(shè)計(jì)及在軌運(yùn)動(dòng)性能分析的重要意義，并建立了含間隙空間機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型［43］。中國(guó)空間技術(shù)研究院潘博等人建立了綜合考慮輪齒柔性、嚙合阻尼、齒側(cè)間隙、嚙合誤差等非線性因素的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型［44］。清華大學(xué)樊世超等人研究了摩擦對(duì)地面機(jī)械臂和空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的影響，仿真結(jié)果表明，兩者的運(yùn)動(dòng)不僅存在差別，而且兩者末端臂桿上所受到的摩擦力矩差別較大，在太空環(huán)境中，摩擦力矩越小，摩擦的影響也越?。?5］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)游斌弟進(jìn)行了不同重力環(huán)境下星載天線操控機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及動(dòng)態(tài)精度分析［46］。東南大學(xué)馬睿針對(duì)太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)地面模態(tài)試驗(yàn)時(shí)重力導(dǎo)致的幾何非線性不能忽略的問題，提出了一種考慮重力影響的柔性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型修正方法［47］。燕山大學(xué)李仕華研究了微重力環(huán)境下并聯(lián)機(jī)器人的響應(yīng)特性和不同重力環(huán)境下含間隙鉸位置和碰撞力［48-49］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)高海波對(duì)地月不同重力環(huán)境下月球車系統(tǒng)的移動(dòng)性能進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明重力環(huán)境不同，系統(tǒng)極限越障高度會(huì)有顯著差別，系統(tǒng)的質(zhì)心加速度也會(huì)明顯不同，地面環(huán)境下質(zhì)心加速度更大［50］。梁中超建立了載人月球車操縱動(dòng)力學(xué)逆系統(tǒng)，研究月球、地球之間的重力差異對(duì)駕駛員產(chǎn)生的操縱影響，研究表明載人月球車在月球表面操作性差，不易實(shí)現(xiàn)相同軌跡的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，相同要求下，月球表面需要更快更靈活的操作［51］。

3.2.4 考慮重力影響的空間機(jī)構(gòu)控制技術(shù)

針對(duì)精密空間操作機(jī)構(gòu)是在地面組裝調(diào)試在空間使用服役及地面微重力環(huán)境模擬的局限性問題，以典型空間操作機(jī)構(gòu)——空間機(jī)械臂為研究對(duì)象，劉福才研究了不同重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及控制器設(shè)計(jì)問題，找出了地面模擬與空間應(yīng)用控制方式的差別［52-53］。為分析重力、摩擦及鉸間間隙對(duì)空間機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模與控制的影響，形成面向精密空間操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模、分析、控制器設(shè)計(jì)及應(yīng)用的系統(tǒng)化理論方法，發(fā)展空間機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與控制的新理論和新方法，推進(jìn)考慮重力影響的動(dòng)力學(xué)分析與控制方法在精密空間操作機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，劉福才等完成了如下工作：

1）建立考慮重力及摩擦的空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程及摩擦模型，給出摩擦補(bǔ)償控制方法［54］。

2）建立考慮重力及鉸間間隙的空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，針對(duì)精密操作過程控制難點(diǎn)提出相應(yīng)的補(bǔ)償與優(yōu)化控制方法［55］。

3）建立了考慮重力影響的柔性關(guān)節(jié)空間機(jī)器人的模型，針對(duì)柔性關(guān)節(jié)空間機(jī)器人地面模擬及空間應(yīng)用受到重力或微重力不確定項(xiàng)干擾的問題，提出一種基于奇異攝動(dòng)的任務(wù)空間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制算法［56］。

4）建立了考慮重力影響的撓性航天器動(dòng)力學(xué)模型，提出了一種自抗擾控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)撓性航天器在不同重力環(huán)境下的振動(dòng)抑制［57］。

隨著我國(guó)微重力試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射以及空間站建設(shè)逐漸提上日程，上述一些模擬及理論研究成果將有機(jī)會(huì)在空間微重力環(huán)境下得到試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

針對(duì)空間機(jī)構(gòu)地面重力環(huán)境下安裝調(diào)試，空間微重力環(huán)境下應(yīng)用的實(shí)際問題，本文從重力對(duì)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的影響研究角度出發(fā)，綜述了國(guó)外航天機(jī)構(gòu)在不同重力環(huán)境下空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為差異的研究成果及我國(guó)存在的差距。結(jié)論如下：

1）微重力環(huán)境下，重力釋放引起的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的改變，是空間機(jī)構(gòu)所面臨的特有問題。

2）空間活動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障問題是不能排除重力的影響，提醒人們對(duì)重力效應(yīng)的重視。

3）自由落體及飛機(jī)拋物線飛行方法可得到短時(shí)有效的微重力環(huán)境，地面長(zhǎng)時(shí)有效的微重力環(huán)境無(wú)法模擬。

4）只有開展機(jī)械學(xué)、界面科學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究，方可真正解決空間機(jī)構(gòu)重力及其釋放的實(shí)際問題。

（References）

［1］ Fortescue P W，Swinerd G G，Stark J P W.Spacecraft Systems Engineering［M］.John Wiley＆Sons，Ltd.，2011：495.

［2］ 哈蘭D M，羅倫茨R D.航天系統(tǒng)故障與對(duì)策［M］.舒承東，鄧寧豐，閻列，譯.北京：中國(guó)宇航出版社，2007.Harland D M，Lorenz R D.Space System Fault and Countermeasures［M］.Shu Chengdong，Deng Ningfeng，Yan lie，translate.Beijing：Chinese Aerospace Press，2007.（in Chinese）

［3］ 王文魁.空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為模擬概念研究［J］.載人航天，2013，19（5）：59-66.Wang Wenkui.The concept of simulate the motion behavior space agency［J］.Manned Spaceflight，2013，19（5）：59-66.（in Chinese）

［4］ Edeson R，Aglietti G S，Tatnall A R L.Conventional stable structures for space optics：the state of the art［J］.Acta Astronautica，2010，66（1）：13-32.

［5］ 陳烈民.航天器結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.Chen Liemin.Spacecraft Structure and Mechanism［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2005.（in Chinese）

［6］ 于登云，楊建中.航天器機(jī)構(gòu)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2011.Yu Dengyun，Yang Jianzhong.Spacecraft Mechanism Technology［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2011.（in Chinese）

［7］ 劉維民，翁立軍，孫嘉奕.空間潤(rùn)滑材料與技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.Liu Weimin，Weng Lijun，Sun Jiayi.Space Lubrication Materials and Technical Manual［M］.Beijing：Science Press，2009.（in Chinese）

［8］ 中國(guó)航天：從“神舟一號(hào)”到“神舟十一號(hào)”的飛天之旅［J］.中國(guó)科技獎(jiǎng)勵(lì)，2016（10）：10-13.China Aerospace：A flying trip from“Shenzhou 1”to“Shenzhou 11”［J］.China Awards for Science and Technology，2016（10）：10-13.（in Chinese）

［9］ 姚燕生.三維重力補(bǔ)償方法與空間浮游目標(biāo)模擬實(shí)驗(yàn)裝置研究［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.Yao Yansheng.Study of Three-Dimensional Gravity Compensation Method and Space Floating Target Simulation Experiment［D］.Hefei：University of Science＆Technology China，2006.（in Chinese）

［10］ 屈斌，王啟，王海平，等.失重飛機(jī)飛行方法研究［J］.飛行力學(xué)，2007，25（2）：65-67.Qu Bin，Wang Qi，Wang Haiping，et al.Study on flight methods of weightless aircraft［J］.Flight Mechanics，2007，25（2）：65-67.（in Chinese）

［11］ Carignan C R，Akin D L.The reaction stabilization of on-orbit robots［J］.Control Systems IEEE，2000，20（6）：19-33.［12］ White G C，Xu Y.An active vertical-direction gravity compensation system［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1994，43（6）：786-792.

［13］ Xu Y，Brown B，F(xiàn)riedman M，et al.Control system of selfmobile space manipulator［C］／／IEEE International Conference on Robotics and Automation，1992.Proceedings.IEEE，2002：866-871 vol.1.

［14］ Sato Y，Ejiri A，Iida Y，et al.Micro-G emulation system using constant-tension suspension for a space manipulator［C］／／IEEE International Conference on Robotics and Automation，1991.Proceedings.IEEE，1991：1893-1900 vol.3.［15］ Moon F C，Li G X.Experimental study of chaotic vibrations in a pin-jointed space truss structure［J］.AIAA Journal，1990，28（5）：915-921.

［16］ Bingham J G，F(xiàn)olkman S L.Measured influence of gravity on the dynamic behavior of a truss using pinned joints［C］／／Proceedings of the 37th AIAA／ASME／ASCE／AHS／ASC Structures，Structural Dynamics and Materials Conference.Salt Lake City，UT：AIAA Press.1996：1043-1053.

［17］ Flores P，Ambrósio J，Claro J C P，et al.A study on dynamics of mechanical sysytems including joints with clearance and lubrication［J］.Mechanism and Machine Theory，2006，41（3）：247-261.

［18］ Sahm P R，Keller M H，Schiewe B，at el.Research in Space：the German Spacelab Missions［M］.K?ln，Germany：Wissenschaftliche Projektführung D-2，1993.

［19］ Nagatomo M，Mitome T，Kawasaki K，et al.MFD robot arm and its flight experiment［C］／／Sixth ASCE Specialty Conference and Exposition on Engineering，Construction，and Oper-ations in Space.Albuquerque，New Mexico，United States，ASCE，1998：319-324.

［20］ Sawada H，Ui K，Mori M，et al.Micro-gravity experiment of a space robotic arm using parabolic flight［J］.Advanced Robotics，2004，18（3）：247-267.

［21］ 松永三郎.宇宙ロボットおよび宇宙用機(jī)構(gòu)の微小重力実験［J］.日本マイクログラビティ応用學(xué)會(huì)誌，2002，19（2）：101-105.Matsunaga Saburo.Experimental microgravity and space for space robot［J］.JASMA：Journal Japan Society of Microgravity Application，2002，19（2）：101-105.（in Japanese）

［22］ Shimoda S，Kubota T，Nakatani I.Proposal of new mobility and landing experiment in microgravity environment［J］.Japan Society of Aeronautical Space Sciences，2005，53（614）：108-115.

［23］ Nohmi M.Microgravity experiment for attitude control of a tethered space robot［J］.Japan Society of Aeronautical Space Sciences，2005，53（617）：281-287.

［24］ Ui K，Urabe T，Matunaga S，et al.Three dimensional microgravity experiments of approaching／grasping phase of docking mechanism for nano-satellite with air thruster［J］.Journal of the Japan Society for Aeronautical＆Spaceences，2005，53（620）：419-425.

［25］ Nosaka M，Obara S.Tribology in the H-IIA rocket and its satellites［J］.2006，51（3）：325-334.

［26］ Obara S，Sato M.Numerical investigation of influence of gravity on the performance of ball bearings assembled in a space device［C］／／2nd World Tribology Congress.?TG，2001：M-63-06-568-OBARA.

［27］ SPHERES international space station national laboratory facility［EB／OL］.https：／／www.nasa.gov／sites／default／files／atoms／files／spheres_fact_sheet-508-7may2015.pdf

［28］ 張耀.基于DSP的五自由度氣浮臺(tái)姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.Zhang Yao.Design of Attitude Control System of Five Degrees of Freedom Air Bearing Platform based on［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2013.（in Chinese）

［29］ 李季蘇，牟小剛，孫維德，等.大型衛(wèi)星三軸氣浮臺(tái)全物理仿真系統(tǒng)［J］.控制工程，2001（3）：22-26.Li Jisu，Mou Xiaogang，Sun Weide，et al.A full physics simulation system for three axis air bearing platform of large satellite［J］.control engineering，2001（3）：22-26.（in Chinese）

［30］ 姚燕生，梅濤.空間操作的地面模擬方法——水浮法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（03）：182-188.Yao Yansheng，Mei Tao.Space operation on the ground modeling method of water float［J］.Mechanical Engineering 2008，44（03）：182-188.（in Chinese）

［31］ 林旭梅，梅濤.地面失重實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（5）：542-548.Lin Xumei，Mei Tao.Controller design of ground weightlessness experiment system［J］.Journal of University of Science＆Technology China，2008（5）：542-548.（in Chinese）

［32］ 陳三風(fēng)，梅濤，張濤，等.空間微重力環(huán)境地面模擬系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)［J］.機(jī)器人，2008，30（3）：201-204.Chen Wei，Mei Tao，Zhang Tao，et al.Controller design of ground simulation system for space microgravity environment［J］.Robot，2008，30（3）：201-204.（in Chinese）

［33］ 齊乃明，張文輝，高九州，等.三維空間微重力地面模擬試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（9）：16-20.Qi Naiming，Zhang Wenhui，Gao Jiuzhou，et al.Design of three dimensional microgravity ground simulation test system［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2011，47（9）：16-20.（in Chinese）

［34］ 韋娟芳.衛(wèi)星天線展開過程的零重力環(huán)境模擬設(shè)備［J］.空間電子技術(shù)，2006，3（2）：29-32，42.Wei Juanfang.Zero gravity environment simulation equipment for satellite antenna deployment process［J］.Space Electronics Technology，2006，3（2）：29-32.（in Chinese）

［35］ 閻紹澤，陳鹿民，吳德隆，等.空間可展結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2002，23（4）：1-3.Yan Shaoze，Chen Lumin，Wu Delong，et al.Experimental study on nonlinear dynamic characteristics of space deployable structures［J］.Journal of Astronautics，2002，23（4）：1-3.（in Chinese）

［36］ 朱戰(zhàn)霞，袁建平.航天器操作的微重力環(huán)境構(gòu)建［M］.北京：中國(guó)宇航出版社，2013.Zhu Zhanxia，Yuan Jianping.Construction of Microgravity Environment for Spacecraft Operation［M］.Beijing：China Astronautic Publishing House，2013.（in Chinese）

［37］ 劉站立，寧祎，薛文奎.空間機(jī)械臂單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31（8）：124-127.Liu Zhanli，Ning Yi，Xue Wenkui.A space manipulator joint actuator design［J］.Manufacturing Automation，2009，31（8）：124-127.（in Chinese）

［38］ 王玉平，譚躍剛.基于非完整約束原理的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)器人技術(shù)，2008，4（35）：61-66.Wang Yuping，Tan Yuegang.Design of underactuated manipulator mechanism based on nonholonomic constraint theory［J］.Robotics，2008，4（35）：61-66.（in Chinese）

［39］ 房立金，王洪光，徐志剛，等.重力環(huán)境下的摩擦補(bǔ)償控制方法研究［C］／／全國(guó)空間及運(yùn)動(dòng)體控制技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議.2002：245-248.Fang Li Jin，Wang Hongguang，Xu Zhigang et al.Study on friction compensation control method in gravity environment［C］／／Proceedings of the Tenth Annual Conference on Space and Motion Control Technology in China.2002：245-248.（in Chinese）

［40］ 李君蘭，閻紹澤，吳小燕，等.太陽(yáng)翼可展結(jié)構(gòu)頻率的重力勢(shì)影響［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，52（1）：25-30.Li Junlan，Yan Shaoze，Wu Xiaoyan，et al.The influence of the potential of the solar wing on the frequency of the deployable structure［J］.Journal of Tsinghua University（Natural Science Edition），2012，52（1）：25-30.（in Chinese）

［41］ Hua C，Yang Y.Bilateral teleoperation design with／without gravity measurement［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2012，61（12）：3136-3146.

［42］ Hua C，Yang Y，Liu P X.Output-feedback adaptive control of networked teleoperation system with time-varying delay and bounded inputs［J］.IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2015，20（5）：2009-2020.

［43］ 閻紹澤.航天器中含間隙機(jī)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)問題及其研究進(jìn)展.動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)［J］.2004，2（2）：48-50.Yan Shaoze.Nonlinear dynamics of a gap mechanism in spacecraft and its research progress［J］.Journal of Dynamics and Control，2004，2（2）：48-50.（in Chinese）

［44］ 潘博，于登云，孫京，等.大型空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建模與分析研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2010，31（11）：2448-2455.Pan Bo，Sun Jing.In Dengyun，et al.Modeling and analysis of large space manipulator joint dynamics［J］.Journal of Astronautics，2010，31（11）：2448-2455.（in Chinese）

［45］ 樊世超，丁文靜，陸明萬(wàn).摩擦對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的影響［J］.工程力學(xué)，2002，19（2）：64-67.Fan Shichao，Ding Wenjing，Lu Wan.The influence of friction on the motion of the manipulator［J］.Engineering Mechanics，2002，19（2）：64-67.（in Chinese）

［46］ 游斌弟.星載天線動(dòng)態(tài)指向精度動(dòng)力學(xué)分析與控制［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.You Bindi.Dynamic Analysis and Control of Satellite Antenna Pointing Accuracy［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2011.（in Chinese）

［47］ 馬睿，姜東，吳邵慶，等.考慮重力影響的太陽(yáng)翼模型修正方法研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2014，35（12）：1373-1378.Ma Rui，Jiang Dong，Wu Shaoqing，et al.Study on the correction method of the solar wing model considering the influence of gravity［J］.Journal of Astronautics，2014，35（12）：1373-1378.（in Chinese）

［48］ 李富娟.微重力環(huán)境下Stewart并聯(lián)機(jī)器人研究與分析［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2012.Li Fujuan.Research and Analysis of Stewart Parallel Robot in Microgravity Environment［D］.Qinhuangdao：Yanshan University，2012.（in Chinese）

［49］ 李仕華，馮偉波，秦利，等.不同重力環(huán)境下含間隙鉸位置和碰撞力［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（17）：52-58.Li Shihua，F(xiàn)eng Weibo，Qin Li，et al.The position and impact force of the gap between different gravity conditions［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2015，51（17）：52-58.（in Chinese）

［50］ 高海波，范雪兵，鄧宗全，等.可折展載人月球車移動(dòng)性能仿真與試驗(yàn)分析［J］.載人航天，2016，22（3）：323-327+333.Gao Haibo，F(xiàn)an Xuebing，Deng Zongquan，et al.Simulation and experiments analysis of mobility performance in deployable manned lunar vehicle［J］.Manned Spaceflight，2016，22（3）：323-327+333.（in Chinese）

［51］ 梁忠超，王永富，劉振，等.重力不同引起的載人月球車操縱差異分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，49（1）：114-119.Liang Zhongchao，Wang Yongfu，Liu Zhen，et al.Analysis on handling deviation caused by different gravities for lunar roving vehicle［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2017，49（1）：114-119.（in Chinese）

［52］ 劉福才，高娟娟，王躍靈.重力對(duì)空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的影響［J］.高技術(shù)通訊，2012，22（9）：944-950.Liu Fucai，Gao Juanjuan，Wang Yueling，et al.Effects of gravity on motion control of space manipulator［J］.Chinese High Technology Letters，2012，22（9）：944-950.（in Chinese）

［53］ 劉福才，高娟娟，王芳.不同重力環(huán)境下空間機(jī)械臂神經(jīng)自適應(yīng)魯棒控制［J］.宇航學(xué)報(bào)，2013，34（4）：1-8 Liu Fucai，Gao Juanjuan，Wang Fang.Neural adaptive robust control of space manipulator under different gravity environment［J］.Journal of Astronautics，2013，34（4）：1-8（in Chinese）

［54］ 劉福才，劉彩鳳，秦利，等.重力作用下的摩擦對(duì)空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的影響［J］.高技術(shù)通訊，2014，24（1）：65-71.Liu Fucai，Liu Caifeng，Qin Li，et al.The effect of friction under the action of gravity on the motion control of space manipulator［J］.Chinese High Technology Letters，2014，24（1）：65-71.（in Chinese）

［55］ 劉福才，侯甜甜，秦利，等.考慮鉸間間隙和重力影響的空間機(jī)械臂軌跡跟蹤控制［J］.控制理論與應(yīng)用，2015，32（5）：665-673.Liu Fucai，Hou Tian，Qin Li，et al.The theory and application of trajectory tracking control for space manipulator considering the influence of the clearance between the hinge and the gravity［J］.Control Theory and Application，2015，32（5）：665-673.（in Chinese）

［56］ 劉福才，高靜方，賈曉菁.考慮重力影響的柔性關(guān)節(jié)空間機(jī)械臂任務(wù)空間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制［J］.宇航學(xué)報(bào)，2015，36（12）：1391-1397.Liu Fucai，Gao Jingfang，Jia Xiaojing.Considering gravity flexible joint space manipulator task space neural network control［J］.Journal of Astronautics，2015，36（12）：1391-1397.（in Chinese）

［57］ 劉福才，陳鑫，賈曉菁.考慮重力效應(yīng)的撓性航天器姿態(tài)控制及振動(dòng)抑制［J］.高技術(shù)通訊，2015，25（7）：703-712.Liu Fucai，Chen Xin，Jia Xiaojing.Attitude control and vibration suppression of flexible spacecraft considering gravity effect［J］.Chinese High Technology Letters，2015，25（）：703-712.（in Chinese）

Literature Review of Effects of Gravity on Motion Behavior of Space Mechanisms

LIU Fucai1，LIU Lin1，LI Qian1，QIN Li1，WANG Wenkui2
（1.Key Lab of Industrial Computer Control of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China；2.School of Materials Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

With the development of space technology，the use of various space mechanisms will be more and more common.The design，assembly and use of any space mechanism will encounter the problem of difference of the motion behavior under gravity and its release.Therefore，it is necessary to study the influence of the gravity on the motion behavior of the space mechanism.The researches in this field abroad including the experiments with the drop tower，the parabolic flight and the space station flight were reviewed.The data of the positioning accuracy，the motor drive current and the friction parameters of the space mechanism were compared between the space flight tests and the ground study.In addition，the research progress in China was also reviewed.It is proposed that the combination of ground simulation and space test should be adopted to study the difference of the kinematic and dynamic parameters of the space mechanism in space with that on the ground to provide a theoretical basis for the design of the space mechanism.

space mechanism；microgravity；gravity release；motion behavior；ground simulation

V41；V52

A

1674-5825（2017）06-0790-08

2017-03-15；

2017-09-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（51605415）；載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目（040301）；河北省自然科學(xué)基金（F2015203362、F2016203494）

劉福才，男，博士，教授，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為分析與控制。E-mail：lfc＠ysu.edu.cn

（責(zé)任編輯：龍晉偉）