空間機械臂機電一體化關節(jié)控制設計探究

摘 要：在空間站中，空間機械手是非常重要的裝置，是空間站工作中不可或缺的裝置之一。因此，空間機械手的機械接頭的設計和控制尤為重要。在實際應用中，為了使空間機械手發(fā)揮更大的作用，有必要對機電一體化接頭的設計和控制進行詳細分析，以滿足其實際應用的需要。

關鍵詞：空間機械臂;機電一體化;關節(jié)控制;設計

隨著我國經(jīng)濟實力和科技水平的不斷提升，我國的航天事業(yè)也得到了長足的發(fā)展，空間機械臂是空間站的重要組成部分，是維護設備和組建空間站的關鍵設備。機電一體化關節(jié)是空間機械手的關鍵組成部分，在空間機械手的應用中發(fā)揮著重要作用。機電一體化接頭的設計不僅影響空間機械手的控制精度，而且影響空間機械手的整體性能。因此，要對機電一體化關節(jié)的控制和設計予以高度的重視，以此來不斷的提升空間機械臂的集成性和可靠性。本文闡述了空間機械臂機電一體化關節(jié)的控制設計。

一、空間機械臂和機電一體化關節(jié)簡介

太空機械手是空間站的重要組成部分，主要由結構系統(tǒng)，機構系統(tǒng)，地面控制臺，在軌控制系統(tǒng)，移動基座系統(tǒng)，末端執(zhí)行器系統(tǒng)，關節(jié)驅動控制系統(tǒng)等組成?？臻g機械手的臂和關節(jié)的結構連接到末端執(zhí)行器系統(tǒng)，并且空間機械手裝置需要依靠關節(jié)的旋轉來完成相關的空間運動?？臻g機械臂在空間站中發(fā)揮著重要的作用，不但可以為空間站的建設和維護提供強大的助力，還可以為航天員提供相應的援助，以此來提升航天員的行動能力。另外，通過空間機械臂的應用，可以很有效的減少航天員的出倉次數(shù)，不但降低了航天員的作業(yè)風險，也提升了航天員在宇宙空間的安全性。

機電一體化關節(jié)是空間機械手的重要組成部分?？臻g機械手可以通過機電關節(jié)的速度，位置和力的閉環(huán)控制來完成多自由度旋轉運動。機電一體化關節(jié)的功能性很強，第一，能夠為空間機械臂提供操作的驅動力和負載能力。其次，機電一體化關節(jié)可以實現(xiàn)空間機械手的緊急制動。第三，機電關節(jié)還可以保護空間機械手的結構。第四，機電一體化關節(jié)可以有效地提高空間機械手的工作精度。第五，通過機電一體化關節(jié)，空間機械臂能夠和中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)信息的交互。

二、空間機械臂機電一體化關節(jié)的設計

在設計機電一體化接頭的過程中，首先要確保機電一體化接頭具有傳動，制動，驅動，驅動控制，溫度信號采集，位置信號采集，速度信號采集和通信等功能。其次，要對機電一體化關節(jié)的重量和體積進行有效的控制。在滿足機電一體化關節(jié)功能需求的基礎上盡可能的實現(xiàn)關節(jié)的小型化和輕量化。另外，由于宇宙空間的環(huán)境較為特殊，機電一體化關節(jié)還應該具備較強的環(huán)境適應能力。

在實際的機電一體化關節(jié)設計過程中，首先，要根據(jù)實際的需求來制定出整體的設計方案。除了要重視前期的調(diào)研工作之外，還要科學合理的進行中心孔走線、傳感器和零部件選型以及冗余設計等工作。第二，按照實際的性能參數(shù)和功能要求來合理的分配性能指標，同時對零部件的接口和尺寸進行詳細的核對。第三，科學合理的對機電一體化關節(jié)的內(nèi)部結構和電氣控制硬件進行設計。

三、空間機械臂機電一體化關節(jié)的設計的控制

（一）機電一體化關節(jié)的控制模式

在空間機械臂機電一體化關節(jié)控制過程中，想要實現(xiàn)對機電一體化關節(jié)的控制，必須要通過中央控制器發(fā)出信號指令，并完成所有的操作。在操作過程中，關節(jié)控制系統(tǒng)在機電一體化中發(fā)揮著重要的作用，而關節(jié)控制指的是控制系統(tǒng)的速度、電流以及位置等，并應用傳感器獲取關節(jié)信息的準確時速。此外，在對關節(jié)進行速度控制過程中，機電接頭控制、位置控制、轉矩控制和速度控制極為重要，關節(jié)控制系統(tǒng)使用電流、速度雙閉環(huán)結構對機電環(huán)路進行有效的控制，并且設定扭矩和電流控制器的回路，然后利用傳感器得到關節(jié)時速等信息數(shù)據(jù)，而且這些信息數(shù)據(jù)都是有依據(jù)的，并準確，值得今后在運用時得以借鑒。

（二）機電一體化關節(jié)的控制方法

在機電一體化中，關節(jié)控制的方法值得推薦，而關節(jié)控制的最重要的部件是電動機和減速器，在機電一體化中發(fā)揮著重要的作用，而且減速器與彈簧之間存在著等效的關系，兩者相互依存。此外，為了更好地做好控制系統(tǒng)的工作，要針對控制系統(tǒng)的實際情況采取不同的控制方法，對機電一體化的參數(shù)進行計算，并針對控制系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)建立相應的力學模型，對后續(xù)矢量進行準確的計算，得到準確的數(shù)據(jù)。在機電接頭的運動控制過程中，首先，要針對接頭的實際情況，對接頭的變化以及負載詳細的記錄，而數(shù)據(jù)的準確性主要依靠負載的穩(wěn)定。其次，機電一體化關節(jié)的控制算法包括多方面的，主要包括：狀態(tài)空間反饋、PID控制加柔性補償以及計算力矩前饋，其中最主要的是PID控制加柔性補償，其應用范圍較為廣泛，得到了人們的青睞。所以，在使用過程中，一定要重視關節(jié)柔性的影響，降低關節(jié)振動的次數(shù)，并根據(jù)機電一體化工作的經(jīng)驗，進行參數(shù)設置，經(jīng)過多年來的發(fā)展，PID控制技術得到了很好的應用，不但具有一定的靈活性，而且控制效果較好，值得推廣。

四、結語

綜上所述，空間機械臂是空間站的重要組成部分，在航空領域中發(fā)揮著重要的作用。對于空間機械手，機電接頭不僅可以促進穩(wěn)定高效的操作，還可以提高其性能。因此，一定要對機電一體化關節(jié)的控制和設計予以高度的重視。

參考文獻：

[1]胡素梅.空間機械臂機電一體化關節(jié)的設計與控制[J].電子制作，2014，01：54.

[2]羅俊.淺談機電一體化關節(jié)在空間機械臂中的設計和控制[J].山東工業(yè)技術，2014，13：156.

[3]孫敬，史士財，郭闖強，劉宏.空間機械臂在軌快換高精度模塊化關節(jié)的研制[J].四川大學學報（工程科學版），2012，01：209-214.

作者簡介：黃慶會（1980-），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，本科，講師，研究方向為機電一體化技術。