變拓撲3?RSR多面體對接機構的設計與研究

劉 洋，姚燕安，何妍穎

（北京交通大學機械與電子控制工程學院，北京100044）

1 引言

上世紀美國使用航天飛機對Solar Maximum Mission衛(wèi)星實時在軌對接和修復，是人類歷史上第一次使用航天飛機在軌對接、維修空間航天器［1］。美國宇航局NASA已開展和計劃開展的在軌服務項目有“自主交會技術驗證衛(wèi)星”、“試驗衛(wèi)星服務系統(tǒng)”、“軌道快車”、“微小衛(wèi)星技術試驗”、“前端機器人使能近期演示驗證”、“鳳凰”等［2］。在自主在軌服務發(fā)展方面，目前已經(jīng)突破關鍵技術，其中以“軌道快車”計劃為主要代表［3］。美國密歇根宇航公司開發(fā)的AS?DS?II衛(wèi)星裝置，通過軟軸進行目標的預對接，然后收縮軟軸將被動組件拉近并通過三個自動對齊加載栓實現(xiàn)軸線與面的自動對齊，同時在硬探頭預加載凸輪和止動扣的聯(lián)合作用下實現(xiàn)兩面的剛性連接［4?5］。 該機構已在 KC?135 飛機上成功進行了飛行試驗［6］。

我國的航天器在軌服務技術目前處于起步階段，盡管已有一定工程實踐經(jīng)驗，但理論層面相對匱乏，尚未形成廣泛認可的概念和技術體系［7］。

傳統(tǒng)對接機構通常以串聯(lián)機械手形式出現(xiàn)，隨著近年來并聯(lián)機構的發(fā)展，越來越多并聯(lián)機構投入工程實踐應用，并聯(lián)機構具有剛度大、結構穩(wěn)定、載荷重量比高、誤差小、精度高、容易實現(xiàn)高速運動、方便控制等優(yōu)點［8?9］。

基于并聯(lián)機構的思想，本文針對航天器對接功能服務的需求，提出一種面向空間服務的變拓撲多面體對接機構新概念，用于執(zhí)行與目標航天器、太空垃圾或小行星等空間目標的對接任務。變拓撲多面體對接機構，具有大變形能力的特點，可以采用多種方式高效對接空間目標?？臻g目標被對接后，變拓撲多面體對接機構可以通過自身變形調(diào)整追蹤航天器與空間目標的相對位置，為進一步的精確連接做好準備。本文通過對比傳統(tǒng)的對接機構介紹變拓撲多面體機構的優(yōu)勢；進行構型設計與運動學分析；并完成虛擬樣機與原理樣機的試驗驗證。

2 變拓撲多面體對接機構應用特點

2.1 變拓撲多面體對接機構的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的對接機構通常以單臂操作形式出現(xiàn)，單臂在安裝火箭上占用了一部分空間，這樣就給設計者帶來了一定的不便，當采用多面體對接機構時，則可以利用大變形的能力，極大地節(jié)省了空間，提高了空間利用率，如圖1所示。

圖1 多面體對接機構的大變形量Fig．1 Large deformation of polyhedron docking mechanism

傳統(tǒng)對接機構主要通過點對接形式來完成對接過程，多面體對接機構則通過自身大范圍變形的過程對目標進行包絡從而完成對接，如圖2所示。多面體對接機構大大減小了對接過程的難度，保證對接過程的順利完成。

在穩(wěn)定控制技術方面，傳統(tǒng)的單臂操作由于采用串聯(lián)形式會存在誤差積累現(xiàn)象，同時由于受力原因，也使對接過程的精度下降。但采用多臂并聯(lián)操作，則充分利用了并聯(lián)機構的優(yōu)勢，在精度、剛度等發(fā)面都得到了提升，如圖3所示。

圖2 多面體對接機構的對接形式Fig．2 Docking methods of polyhedron docking mech?anism

圖3 多面體對接機構的穩(wěn)定控制Fig．3 Stability Control of Polyhedron Docking Mechanism

2.2 對接方式

變拓撲多面體對接機構的大變形能力，使其可以針對不同尺寸、不同形狀的空間目標實施對接，其對接方式就像白細胞吞噬細菌，如圖4所示［10］。相比傳統(tǒng)航天器交會方式，吞噬式對接方式使得追蹤飛行器不需要與空間目標進行精確對準，可以快速高效地對目標實施對接。相比捕捉網(wǎng)、魚叉等新型對接方式，變拓撲多面體對接機構通過多點夾持控制空間目標，通過控制對接機構自身變形調(diào)整目標衛(wèi)星與追蹤衛(wèi)星的相對位置，進一步實現(xiàn)兩者精確。

圖4 白細胞吞噬細菌過程［10］Fig．4 Process of bacteria phagocytosis by leukocyte［10］

吞噬式對接方式分為吸入式對接與夾持式對接。吸入式對接首先利用Bricard機構運動時的翻轉(zhuǎn)特性，將目標推送至對接機構所形成的機械網(wǎng)內(nèi)部，以防止碰觸目標時將其推離對接區(qū)域；其次，借助Bricard機構運動時的縮放特性將網(wǎng)口封住，以防止目標的逃脫；另外，Bricard機構收縮時，三組外支桿件配合三條支鏈的收縮亦可有效地對目標進行固定與控制。夾持式對接利用Bri?card機構運動時的縮放特性將并聯(lián)機構末端變?yōu)橐粋€可夾持目標的機械手，Bricard機構收縮將目標夾持后，3RSR并聯(lián)機構可繼續(xù)對目標進行如姿態(tài)調(diào)整等操作。

3 對接機構構型設計與運動學分析

3.1 變拓撲多面體對接機構的構型設計

根據(jù)多面體桿式變形機構的構型機理構造的變拓撲多面體對接機構如圖5所示，呈四面體網(wǎng)狀，由3RSR并聯(lián)操作機構和Bricard縮放變形機構組成。3RSR并聯(lián)操作機構具有三個自由度，由三條支鏈組成，每個支鏈上依次為轉(zhuǎn)動副、球副、轉(zhuǎn)動副，通過三支聯(lián)的運動可實現(xiàn)末端網(wǎng)口（即Bricard縮放變形機構）的姿態(tài)與位置控制。變拓撲多面體對接機構通過連接模塊搭載在搭載衛(wèi)星上。

圖5 變拓撲多面體對接機構設計方案Fig．5 Design scheme of variable topology polyhed?ron docking mechanism

對接目標擬定為圓柱體衛(wèi)星。如圖6所示，針對該類衛(wèi)星進行了對接機構的結構與尺寸設計，并進一步完成了對接過程的規(guī)劃。對接機構在折疊狀態(tài)下高為L1，直徑為L2，展開后最長距離大約為3 L1，此時直徑L3略大于L2。大比例的縮放可以有效增加對接機構的工作范圍。

3.2 對接機構的自由度分析與運動學分析

將Bricard機構分別簡化為3?RSR并聯(lián)機構的定平臺和動平臺，如圖7所示。

圖6 變拓撲多面體對接機構設計示意圖Fig．6 Design scheme of variable topology polyhed?ron docking mechanism

圖7 對接機構示意圖Fig．7 Diagram of docking mechanism

3?RSR 機構為非過約束機構［11?12］，采用公式（1）計算自由度：

式中，M表示機構的自由度；n表示包括機架的構件數(shù)目；g表示運動副數(shù)目；fi表示第i個運動副的自由度；v表示并聯(lián)冗余約束；ξ表示局部自由度。帶入數(shù)據(jù)為：＝ 15，ν＝ 0，ξ＝ 0，求得 M ＝6（8－9－1） ＋15＋0＋0＝3。

Bricard縮放變形機構具有一個自由度［13］，作為可縮放的網(wǎng)口布置于3RSR并聯(lián)操作機構的末端。變拓撲多面體對接機構整體在機構學上具有四個自由度，在工程實現(xiàn)上，為平衡機械運動，Bricard縮放變形機構上布置三個驅(qū)動電機，即整機具有六個驅(qū)動電機。進行工作空間求解如下：

由此可得對接機構末端中心點的運動范圍，如圖 8（a）所示，圖 8（b）、（c）、（d）分別為對接機構末端中心點的運動范圍在xy、xz和yz平面的投影。由此可得到傾角范圍，即對接容差為：x方向［ － 38.0673°，38.0673°］，y 方向［ － 39.0299°，36.6063°］。

圖8 對接機構的工作空間Fig．8 Working space of docking mechanism

4 樣機試驗

4.1 虛擬樣機試驗

利用Solidworks建模軟件與Adams仿真軟件對機構進行虛擬樣機搭建與仿真試驗。變拓撲多面體對接機構利用對接狀態(tài)檢測系統(tǒng)獲取對接機構對于目標衛(wèi)星的對接狀態(tài)，當目標衛(wèi)星不滿足對接初始條件時，搭載衛(wèi)星將進行對接近目標的粗調(diào)，之后對接機構將根據(jù)目標與對接要求選擇相應的對接策略，以進行對接狀態(tài)的細調(diào)，滿足對接條件后，Bricard機構收縮變形執(zhí)行對接動作，當檢測目標被固定后，完成對接任務。

吸入式對接過程仿真試驗如圖9所示，對接機構在圖（a）所示的初始位置時處于折疊待機狀態(tài)，變形機構到達如圖（b）所示的對接位置，并展開至如圖（c）所示的對接初始姿態(tài)，經(jīng)歷三次對對接機構的姿態(tài)調(diào)整（圖（d）～（f））后滿足對接初始條件，開始進行圖（g）所示的吸入式對接動作，此時目標在對接機構末端Bricard機構的翻轉(zhuǎn)運動下，被推入對接機構的包絡空間內(nèi)，當達到對接固定所需的預緊力時完成對接任務（圖（h））。

圖9 吸入式對接過程仿真試驗Fig．9 Simulation of suction?type docking process

夾持式對接過程仿真試驗如圖10所示，變形機構從圖（a）所示的初始位置到達如圖（b）所示的對接位置，并展開至如圖（c）所示的對接初始姿態(tài)，經(jīng)歷對接機構的姿態(tài)調(diào)整（圖（d））后滿足對接初始條件，開始進行如圖（e）所示的夾持式對接動作，此時目標在對接機構末端Bricard機構的收縮運動下，在對接機構的包絡空間內(nèi)被夾持固定，當達到對接固定所需的預緊力時完成對接任務，如圖（f）所示。

圖10 夾持式對接過程仿真試驗Fig．10 Simulation of clamping?type docking process

仿真試驗表明：1）吸入式對接較于夾持式對接，固定式更加牢固，更適用于對接目標；2）吸入式對接較于夾持式對接，操控更為簡單，目前階段更容易實現(xiàn)應用；3）夾持式對接較于吸入式對接，對接距離更遠，對接尺寸更大，可滿足更高的對接條件要求；4）夾持式對接較于吸入式對接，對接固定后操作空間更大，更適用于開發(fā)操作功能。

如圖11～14所示，通過仿真可獲得驅(qū)動關節(jié)最大受力為6000 N左右，最大驅(qū)動力矩為1500 N·m，以此作為受力分析與驅(qū)動電機選擇的參考依據(jù)。

圖11 吸入式對接時驅(qū)動關節(jié)的受力Fig．11 Stress on driving joint in suction?type docking

圖12 吸入式對接時驅(qū)動關節(jié)的力矩Fig．12 Torque on driving joint in suction?type docking

圖13 夾持式對接時驅(qū)動關節(jié)的受力Fig．13 Stress on driving joint in clamping?type doc?king

圖14 夾持式對接時驅(qū)動關節(jié)的力矩Fig．14 Torque on driving joint in clamping?type doc?king

4.2 原理樣機試驗

為對文章中所設計對接機構進行進一步驗證，設計原理樣機。原理樣機初始狀態(tài)下為節(jié)省空間，自身處于半折疊狀態(tài)，如圖15所示。

圖15 原理樣機Fig．15 Prototype

為驗證多面體對接機構具有大變形能力，我們對原理樣機進行了折展試驗，如圖16所示。首先進行了機構可折展的最小空間的試驗，如圖（a）所示，將機構進行部分折展試驗，如圖（b）、（c）所示，為驗證機構的最大折展空間，進行了最大化的折展試驗，如圖（d）所示。

圖16 對接機構折展實驗Fig．16 Folding and unfolding experiment of docking mehanism

為驗證多面體對接機構的位姿調(diào)整能力，對原理樣機進行調(diào)整姿態(tài)驗證，如圖17所示。先使機構達到一般位置下，并鎖住電機，如圖（a）所示，驗證機構的可扭轉(zhuǎn)性能，如圖（b）、（c）、（d）所示。

圖18為對接機構對接過程，當所需對接目標出現(xiàn)后，對接機構做好對接準備，如圖（a）所示，同時開始調(diào)整自身姿態(tài)，尋找合適的姿態(tài)來完成對目標的對接工作，如圖（b）所示，完成對接過程后，對接機構在保證目標不發(fā)生脫離現(xiàn)象的前提下，進行自身姿態(tài)的調(diào)節(jié)，以提高空間利用率，如圖（c）、（d）所示。

圖17 對接機構調(diào)整姿態(tài)Fig．17 Attitude adjustment of docking mehanism

圖18 對接機構對接過程Fig．18 Docking process of the docking mechanism

5 結論

基于互相自由度解耦的3?RSR并聯(lián)機構與Bricard機構，提出具有4自由度的變拓撲多面體對接機構。利用三自由度的3?RSR并聯(lián)機構可對對接機構與夾持住的對接目標進行姿態(tài)調(diào)整；利用單自由度的Bricard機構可使對接機構整體進行折疊與展開，并對目標物進行吸入式與夾持式的對接。

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