基于柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人的火箭連接器自動對接過程分析及試驗

李泳嶧，吳新躍，翟 旺，白文龍，李道平

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

在航天運(yùn)載火箭發(fā)射支持系統(tǒng)中，地面的推進(jìn)劑加注系統(tǒng)、供配氣系統(tǒng)的管路與運(yùn)載火箭間需通過連接器進(jìn)行對接，實現(xiàn)氣/液態(tài)介質(zhì)進(jìn)入或者流出火箭的功能。目前，連接器與箭上接口的對接工作多以人工方式完成為主，而箭上接口的位置、運(yùn)動范圍及速度在外界風(fēng)載等因素作用下持續(xù)變化，人工對接方式對操作人員及地面保障條件的要求高，尤其在緊急情況下，容易引發(fā)箭上推進(jìn)劑貯箱壓力劇增后爆炸、發(fā)射設(shè)施損毀及人員傷亡等事故[1，2]。因此，開展連接器與箭上接口自動對接技術(shù)的研究對于提高航天發(fā)射支持系統(tǒng)、人員安全性，解決快速發(fā)射、發(fā)射準(zhǔn)備流程可逆等需求具有重要意義。

美國、俄羅斯、中國等對運(yùn)載火箭連接器自動對接技術(shù)、對接機(jī)構(gòu)等開展了持續(xù)、深入的研究[3～8]。美國前期對土星Ⅴ、宇宙神5、X-33等型號運(yùn)載火箭/飛行器開展了平衡臂式、伸縮式等臍帶自動對接裝置的研究[3]；2004年，肯尼迪航天中心、Rohwedder公司開發(fā)了遠(yuǎn)程智能臍帶對接系統(tǒng)原理樣機(jī)，該對接系統(tǒng)可在6個自由度上移動，對接后被動隨動，并且具備人工操作等功能，可減少人為參與進(jìn)行推進(jìn)劑加注工作過程中潛在的危險，但目前無火箭發(fā)射應(yīng)用的公開報道[4]；2007年，提出“自動對接地面臍帶連接器系統(tǒng)”研究計劃，用于保持可靠性，并減少地面臍帶連接的操作時間和投入人力[5]；2012年，肯尼迪航天中心針對戰(zhàn)神Ⅰ研制了由內(nèi)板、外板等組成的線性臍帶對接鎖緊機(jī)構(gòu)，外板用于與火箭連接，內(nèi)板由人工推動將連接器與火箭對接[6]。俄羅斯的旋風(fēng)號、天頂號運(yùn)載火箭最早采用錐桿-傘導(dǎo)向式自動對接機(jī)構(gòu)完成了連接器與火箭間的自動對接與分離，但由于其箭上接口均位于箭體尾部，與連接器相對靜止，對接難度較小[3～8]。中國在連接器自動對接技術(shù)的目標(biāo)檢測、對接鎖緊機(jī)構(gòu)、低溫密封、自動分離等方面積累了寶貴的經(jīng)驗，對連接器自動對接技術(shù)特征進(jìn)行了分類，并結(jié)合中國現(xiàn)役火箭總體技術(shù)特點提供了相關(guān)建議，此外針對六自由度機(jī)械臂式連接器自動對接系統(tǒng)的控制流程進(jìn)行了深入研究[3，8，9]。

本文重點研究航天發(fā)射場中火箭連接器自動對接技術(shù)，并開展連接器自動對接系統(tǒng)的技術(shù)方案設(shè)計及試驗驗證，為其在后續(xù)運(yùn)載火箭實際發(fā)射準(zhǔn)備流程中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 連接器自動對接技術(shù)

1.1 連接器自動對接技術(shù)構(gòu)成

在如圖1所示的航天發(fā)射場中，包括發(fā)射區(qū)、推進(jìn)劑罐區(qū)、技術(shù)陣地等，其中發(fā)射區(qū)主要包括發(fā)射臺（含臍帶塔、擺桿）以及坐落于發(fā)射臺上的火箭等，罐區(qū)主要包括推進(jìn)劑貯罐、管路等。火箭推進(jìn)劑輸送管路經(jīng)罐區(qū)、發(fā)射區(qū)、臍帶塔后鋪設(shè)至火箭不同芯級對應(yīng)的擺桿末端，通過連接器與箭上接口對接，實現(xiàn)推進(jìn)劑加注或泄出火箭的功能。

連接器的主要工作過程如下：

a）在技術(shù)陣地人工操作完成連接器與箭上接口對接，隨火箭及發(fā)射臺轉(zhuǎn)移至發(fā)射區(qū)后，進(jìn)行推進(jìn)劑的加注；

b）推進(jìn)劑加注完成后，連接器與箭上接口分離，擺桿打開；

c）判斷火箭發(fā)射狀態(tài)，滿足要求則點火發(fā)射，火箭升空；異常情況需推遲或中止發(fā)射時，擺桿重新合攏，人工完成連接器與箭上接口快速二次對接，進(jìn)行推進(jìn)劑泄出，排除火箭上推進(jìn)劑貯箱內(nèi)壓力過高引發(fā)爆炸的危險。

可見，火箭連接器自動對接技術(shù)主要用于解決上述發(fā)射準(zhǔn)備流程中連接器與箭上接口在技術(shù)陣地的首次對接以及在發(fā)射區(qū)出現(xiàn)異常情況下的二次對接，以取代目前的人工對接方式，降低對操作人員及地面保障條件的要求。

圖1 火箭連接器自動對接技術(shù)構(gòu)成示意Fig.1 Application Background of the Umbilical Connector Autonomous Mating Technology for Launch Vehicle

1.2 技術(shù)特點及需求

通過分析，影響連接器與箭上接口對接過程的因素包括以下幾方面：

a）火箭、發(fā)射臺擺桿等大型結(jié)構(gòu)在外界風(fēng)載作用下均持續(xù)晃動，且距離地面越高，晃動現(xiàn)象越明顯，箭上接口相對連接器位置持續(xù)變化；

b）推進(jìn)劑加注過程中，火箭自身質(zhì)量增加，箭上接口隨火箭下沉；

c）低溫推進(jìn)劑溫度較低，導(dǎo)致箭體結(jié)構(gòu)變形及箭上接口位置變化。

因此，在火箭連接器的自動對接過程中，可以認(rèn)為箭上接口相對連接器會沿6個方向進(jìn)行運(yùn)動，即X，Y，Z 3 個方向的平動以及 R（x），R（y），R（z）3 個方向的轉(zhuǎn)動，如圖2所示。

圖2 箭上接口、連接器坐標(biāo)系示意Fig.2 Coordinate System between Launch Vehicle and Umbilical Connector

結(jié)合發(fā)射場實測數(shù)據(jù)，通常箭上接口沿X，Y水平方向的晃動范圍及速度較大，而沿Z方向的晃動范圍、速度以及 R（x），R（y），R（z）3 個方向的轉(zhuǎn)動范圍相對較小。箭上接口與連接器的持續(xù)晃動明顯增加了自動對接技術(shù)的實施難度。

參照目前人工完成火箭連接器對接步驟，實現(xiàn)連接器自動對接技術(shù)應(yīng)首先解決以下技術(shù)需求：a）對接前對相對晃動的箭上接口位姿檢測技術(shù)；b）對接過程中連接器的位姿調(diào)整及控制技術(shù)；c）對接后加注過程中連接器與箭上接口的長時間隨動技術(shù)。

1.3 技術(shù)方案

針對火箭連接器自動對接的技術(shù)需求，梳理出連接器自動對接系統(tǒng)的功能需求應(yīng)包括檢測功能、控制功能、位姿調(diào)整功能，并形成了如圖3所示的連接器自動對接系統(tǒng)技術(shù)方案，主要由檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、柔性位姿調(diào)整系統(tǒng)及連接器等組成。

圖3 連接器自動對接系統(tǒng)技術(shù)方案Fig.3 Technical Scheme of Umbilical Connector’s Autonomous Mating System

連接器自動對接系統(tǒng)的各部分功能如下：

a）檢測系統(tǒng)：實時、準(zhǔn)確獲取自動對接系統(tǒng)中連接器與箭上接口的相對位置、速度等運(yùn)動信息，并反饋至控制系統(tǒng)；

b）控制系統(tǒng)：根據(jù)檢測系統(tǒng)反饋的箭上接口運(yùn)動信息，解算出連接器與箭上接口的位姿偏差信息，并輸出柔性位姿調(diào)整系統(tǒng)位姿調(diào)整的控制量；

c）柔性位姿調(diào)整系統(tǒng)：對接過程中根據(jù)控制系統(tǒng)輸出的控制量，對連接器的位姿進(jìn)行實時調(diào)整，實現(xiàn)與箭上接口的位姿一致，完成對接后與連接器分離；

d）連接器：自動對接系統(tǒng)的工作對象。

由于連接器在自動對接過程中，箭上接口在持續(xù)晃動，自動對接系統(tǒng)的檢測、控制、位姿調(diào)整等環(huán)節(jié)的性能將影響連接器自動對接過程能否順利完成。目前，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，高性能的檢測、控制設(shè)備應(yīng)用廣泛，例如視覺傳感器、多維力傳感器、激光傳感器、運(yùn)動控制卡、單片機(jī)等，可滿足響應(yīng)快、精度高等需求。因此，如何通過柔性位姿調(diào)整系統(tǒng)實現(xiàn)連接器與箭上接口的位姿一致，是實現(xiàn)連接器自動對接的重要環(huán)節(jié)。

2 連接器自動對接系統(tǒng)設(shè)計

2.1 工業(yè)機(jī)器人概述

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、傳感器、人工智能等多學(xué)科于一體的現(xiàn)代自動化設(shè)備，目前已普遍應(yīng)用于汽車、機(jī)械制造、零件分揀、倉庫堆垛等行業(yè)中，對于提高自動化水平、生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益，改善工人勞動條件等方面作用明顯。通用工業(yè)機(jī)器人按機(jī)構(gòu)特征可劃分為直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人等，各類機(jī)器人特點各異，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合及功能需求對機(jī)器人的形式進(jìn)行選擇[9]。

其中，直角坐標(biāo)機(jī)器人也稱為桁架機(jī)器人或龍門式機(jī)器人，通過本體部分的X，Y，Z軸提供3個獨立的自由度運(yùn)動，完成空間點的定位工作，其次通過在末端增加球腕結(jié)構(gòu)等方式，完成末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整，基本滿足所有工業(yè)自動化任務(wù)，具有以下特點：組合結(jié)構(gòu)形式多，適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單；行程大、負(fù)載能力強(qiáng)；動態(tài)特性好、精度高；每個自由度間相互獨立，無耦合，空間夾角為直角，控制簡單；可靠性好、維護(hù)簡單等[9，10]。

2.2 總體方案設(shè)計

結(jié)合連接器自動對接技術(shù)需求特點，制定了連接器X，Y，Z 3個方向位置主動調(diào)整及R(x)，R(y)，R(z) 3個轉(zhuǎn)動方向位置被動適應(yīng)調(diào)整的設(shè)計思路，首次設(shè)計了一種基于柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人的連接器自動對接系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人式自動對接系統(tǒng)方案Fig.4 Umbilical Connector’S Autonomous Mating System Scheme Based on flexible rectangular robot

由圖4可知：

a）直角坐標(biāo)機(jī)器人由底座、進(jìn)退座、橫移座、升降座及各向?qū)к壐苯M成，解決對接過程連接器與箭上接口在圖2中X，Y，Z 3個方向的位置誤差調(diào)整，為主動調(diào)整；

b）直角坐標(biāo)機(jī)器人升降座末端設(shè)計了由多組氣彈簧組成的柔性機(jī)構(gòu)，對接前對連接器進(jìn)行定位，解決對接過程連接器與箭上接口在圖2中R（x），R（y），R（z） 3個轉(zhuǎn)動方向的小范圍偏差，對接后與連接器分離，為被動適應(yīng)調(diào)整；

c）連接器與箭上接口的對接面設(shè)計了錐桿-傘式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，輔助二者完成小位姿偏差時的插入、自動對接等流程；

d）由激光傳感器及相機(jī)組成的檢測系統(tǒng)安裝在直角坐標(biāo)機(jī)器人上，對連接器與箭上接口在X，Y，Z 3個方向的位置誤差進(jìn)行檢測，并反饋至控制系統(tǒng)進(jìn)行隨動控制。

3 連接器自動對接過程及試驗分析

3.1 實物及工作過程

在圖 4連接器自動對接系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，研制了柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人式自動對接試驗系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人式自動對接試驗系統(tǒng)實物Fig.5 Practical Umbilical Connector’s Autonomous Mating Experimental System Based on Flexible Rectangular Robot 1—箭體模擬裝置；2—箭上接口；3—連接器；4—柔性機(jī)構(gòu)；5—升降座；6—橫移座；7—進(jìn)退座；8—底座；9—檢測系統(tǒng)；10—靶標(biāo)；11—控制系統(tǒng)

柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人式自動對接試驗系統(tǒng)主要包括柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人、箭體模擬裝置、箭上接口等。其中，直角坐標(biāo)機(jī)器人主要由底座、進(jìn)退座、橫移座、升降座、滾動直線導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副、交流伺服電機(jī)、柔性機(jī)構(gòu)、連接器、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、靶標(biāo)等組成，設(shè)計指標(biāo)如下：

a）直角坐標(biāo)機(jī)器人X，Y，Z 3個平動方向的最大運(yùn)動范圍為±120 mm，最大運(yùn)動速度為200 mm/s；

b）柔性機(jī)構(gòu) R（x），R（y），R（z） 3 個轉(zhuǎn)動方向的位姿偏差適應(yīng)量為±2.5°；

c）連接器與箭上接口間錐桿-傘導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在X向適應(yīng)范圍為±20 mm，在 YZ面上導(dǎo)向適應(yīng)范圍為±10 mm，均滿足3個轉(zhuǎn)動方向±2.5°偏差量要求。

柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人式自動對接試驗系統(tǒng)工作過程如下：

a）箭體模擬裝置動作，實現(xiàn)箭上接口在進(jìn)退、橫移、升降3個方向的復(fù)合運(yùn)動；

b）檢測系統(tǒng)通過箭體模擬裝置上的靶標(biāo)獲得箭上接口相對直角坐標(biāo)機(jī)器人及連接器在X，Y，Z 3個方向位置信息，并反饋至控制系統(tǒng)；

c）啟動直角坐標(biāo)機(jī)器人，控制系統(tǒng)根據(jù)連接器與箭上接口的實時相對位置偏差信息，分別驅(qū)動直角坐標(biāo)機(jī)器人在進(jìn)退、橫移、升降方向進(jìn)行位置調(diào)整，實現(xiàn)連接器與箭上接口在X，Y，Z 3個方向同步隨動；

d）推進(jìn)柔性機(jī)構(gòu)，在連接器與箭上接口間的錐桿-傘導(dǎo)向結(jié)構(gòu)輔助作用下自適應(yīng)二者小位姿偏差，完成連接器自動對接，柔性機(jī)構(gòu)與連接器分離，直角坐標(biāo)機(jī)器人復(fù)位；

e）連接器同箭上接口隨動，結(jié)束。

3.2 控制系統(tǒng)及控制流程

在上述柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人自動對接過程中，控制系統(tǒng)需根據(jù)檢測系統(tǒng)實時反饋的箭上接口與連接器在X，Y，Z 3個方向運(yùn)動信息，對直角坐標(biāo)機(jī)器人各運(yùn)動軸的位置、速度等進(jìn)行控制，屬于典型的閉環(huán)伺服控制，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖6所示，上、下位機(jī)間采用CAN總線通訊，下位機(jī)與檢測系統(tǒng)、各運(yùn)動軸的交流伺服電機(jī)驅(qū)動器間采用CAN總線通訊，總線通訊速率約1 Mb/s，控制周期約15 ms，檢測系統(tǒng)采樣周期約15 ms，有效地保證了伺服控制的實時性和精度。

圖6 控制系統(tǒng)組成示意Fig.6 Composition of Control System

結(jié)合柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人式自動對接系統(tǒng)工作原理，連接器自動對接過程可分為準(zhǔn)備、三軸跟蹤隨動、對接3個階段，其中三軸跟蹤隨動階段采用了進(jìn)退、橫移、升降分步順序執(zhí)行+持續(xù)判斷的控制流程，并且各軸交流伺服電機(jī)的控制量由PID控制器計算輸出，控制流程如下：

a）根據(jù)錐桿-傘導(dǎo)向結(jié)構(gòu)在 YZ面上導(dǎo)向能力為±10 mm，設(shè)定滿足連接器自動對接條件的理論位姿誤差e0；

b）通過檢測系統(tǒng)、靶標(biāo)獲得連接器相對箭上接口的實時位置信息，并計算獲得實時位姿誤差e；

c）進(jìn)退座動作，進(jìn)入對接工作區(qū)后，由實時跟蹤誤差經(jīng)PID控制器比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)計算，輸出進(jìn)退軸交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制量，實現(xiàn)連接器與箭上接口在進(jìn)退方向位姿一致；

d）橫移座、升降座分別按步驟c模式動作，實現(xiàn)連接器與箭上接口在橫移、升降方向位姿一致；

e）持續(xù)比較連接器與箭上接口在進(jìn)退、橫移、升降3個方向?qū)崟r位姿誤差e與理論位姿誤差e0，判斷滿足自動對接條件時柔性機(jī)構(gòu)動作，完成連接器自動對接流程。

柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人在進(jìn)退、橫移、升降3個運(yùn)動軸的交流伺服電機(jī)的控制量為轉(zhuǎn)速，初步采用的控制策略如式（1）：

式中 V(n)為第n時刻電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；e(n)，e(n-1)為第n、n-1時刻實時位姿誤差，mm；Kp，Ki，Kd為PID控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)[11～13]。

4 結(jié)果與分析

在完成上述柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人自動對接試驗系統(tǒng)的調(diào)試后，開展了系列連接器自動對接試驗，通過改變箭體模擬裝置的進(jìn)退、橫移、升降方向的運(yùn)動參數(shù)，獲得箭上接口不同的運(yùn)動規(guī)律，驗證采用柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人完成連接器自動對接的功能及性能，初步的試驗結(jié)果如表1所示。

由表 1可知，該柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人各項功能正常，通過檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確獲得直角坐標(biāo)機(jī)器人及連接器相對箭上接口的相對位置誤差信息后，由控制系統(tǒng)分步實現(xiàn)連接器在進(jìn)退、橫移、升降方向與箭上接口的小位置誤差情況下的同步隨動，并通過柔性機(jī)構(gòu)、錐桿-傘式導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的輔助作用，完成連接器與箭上接口的自動對接、分離流程。

表1 柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人自動對接試驗結(jié)果Tab.1 Autonomous Mating Experimental Results Based on Flexible Rectangular Robot

由表1還可以看出，柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人與箭上接口的三向平均位置誤差隨目標(biāo)合成運(yùn)動速度的增加而呈上升趨勢，位置誤差從合成運(yùn)動速度±20 mm/s時的±2.2 mm上升至±120 mm/s時的±9.0 mm，其原因為在基于反饋的PID控制模式中，測量、比較、執(zhí)行等環(huán)節(jié)的響應(yīng)時間會引入恒定的系統(tǒng)誤差，并隨測量值的變化頻率增加而增大。

連接器與箭上接口同步隨動性能的下降，將影響二者的自動對接過程，后續(xù)應(yīng)對該柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制模式、流程、參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高位置跟蹤精度，以滿足運(yùn)載火箭實際發(fā)射中連接器自動對接技術(shù)的需求。

5 結(jié) 論

a）連接器自動對接技術(shù)對提高航天發(fā)射支持系統(tǒng)、人員安全性，解決快速發(fā)射、發(fā)射準(zhǔn)備流程可逆等需求具有重要意義；

b）通過對連接器自動對接技術(shù)應(yīng)用場合及技術(shù)需求分析，提出由檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及柔性位姿調(diào)整系統(tǒng)等組成的連接器自動對接系統(tǒng)技術(shù)方案，并設(shè)計了一種基于柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人的連接器自動對接系統(tǒng)方案，解決了連接器與箭上接口相對晃動情況下的自動對接技術(shù)問題；

c）研制了柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人自動對接試驗系統(tǒng)，開展了在箭上接口不同運(yùn)動規(guī)律下的連接器自動對接試驗，結(jié)果表明該柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人可正常實現(xiàn)連接器的位姿調(diào)整功能及箭上接口的同步隨動功能，并準(zhǔn)確、可靠地完成連接器與箭上接口的自動對接、分離流程，為其實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)；

d）后續(xù)針對該柔性直角坐標(biāo)機(jī)器人式連接器自動對接系統(tǒng)在火箭發(fā)射流程中的應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)一步開展控制模式及參數(shù)改進(jìn)、可靠性驗證、與擺桿安裝布局優(yōu)化等工作。