空間機(jī)械臂三維全物理地面試驗(yàn)方法研究

曾 磊 ，陳 明 ，朱 超 ，劉延芳 2，張昕蕊 ，金 儼 ，胡成威 ，劉 賓

(1.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 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

1 引言

在軌空間機(jī)構(gòu)工作在失重環(huán)境而在地面受重力環(huán)境影響，性能發(fā)生顯著變化，甚至無法開展試驗(yàn)。為測試考核在太空中失重環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)性能，研制一套能夠?qū)κе丨h(huán)境進(jìn)行模擬的裝置對于空間探測任務(wù)的順利完成具有非常重要的意義。目前比較常用的模擬方法主要是懸掛法、氣浮法和水浮法。懸掛法存在很多外加干擾，精度有限；常規(guī)氣浮式仿真系統(tǒng)只能提供兩維空間的運(yùn)動(dòng)模型；水浮法維護(hù)費(fèi)用較高，流體阻尼影響被測對象的運(yùn)動(dòng)性能。

中國大型空間機(jī)械臂具有7個(gè)自由度，地面模擬零重力試驗(yàn)需要實(shí)現(xiàn)在三維空間中7個(gè)自由度的全物理運(yùn)動(dòng)模擬，上述3種方法單獨(dú)都難以實(shí)現(xiàn)。

本文基于氣浮平臺的零重力模擬方法，提出一種以氣浮支撐為主，輔以懸吊的零重力模擬方法，利用氣足懸浮＋懸吊的方法實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂三維空間、七自由度運(yùn)動(dòng)的全物理地面模擬，并通過測試試驗(yàn)驗(yàn)證所提出方法的有效性。

2 空間機(jī)械臂情況概括

中國空間站大型機(jī)械臂具有7個(gè)自由度，臂長約10 m，如圖1所示。主要包括7個(gè)關(guān)節(jié)、2根臂桿、1個(gè)中央控制器、2套末端執(zhí)行器以及一套視覺相機(jī)系統(tǒng)，所有關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的配置采用肩3＋肘1＋腕3構(gòu)型方案。關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)形式完全相同。

圖1 空間機(jī)械臂構(gòu)型Fig.1 Configuration of space manipulator

3 零重力模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該零重力模擬系統(tǒng)利用氣懸浮原理抵消重力，并通過懸吊和配重實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和鉛垂自由度的零重力模擬，最終在氣浮平臺上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的三維空間運(yùn)動(dòng)動(dòng)模擬。零重力模擬系統(tǒng)包括配氣系統(tǒng)、氣浮支撐裝置、氣浮平臺以及可視化力監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由氣泵產(chǎn)生高壓氣體，并通過氣管輸送給配氣柜，由配氣柜進(jìn)行過濾、調(diào)壓后進(jìn)行氣路轉(zhuǎn)換，輸出多路恒定穩(wěn)定壓力氣體，提供給各氣浮支撐裝置的氣足，用以抵消重力影響。配氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)供氣壓力實(shí)時(shí)顯示、管路壓力獨(dú)立調(diào)節(jié)等功能，滿足裝配及運(yùn)動(dòng)測試需要。通過對氣足與氣浮平臺之間的氣膜仿真分析，設(shè)計(jì)配氣系統(tǒng)壓縮空氣的輸出壓力為0.6～0.8 MPa。配氣柜實(shí)物狀態(tài)如圖2所示。

圖2 配氣柜實(shí)物圖Fig.2 The photo of gas distribution

配氣系統(tǒng)上設(shè)有氣源截止閥、泄壓閥，實(shí)現(xiàn)對供氣及輸出氣的截止及配氣柜內(nèi)部管路的泄壓，防止配氣柜內(nèi)部管路壓力殘留。

3.2 氣浮支撐裝置

基于被動(dòng)的氣浮方案實(shí)現(xiàn)大臂在地面狀態(tài)下的平面零重力模擬。局部采用配重法及相似懸吊法實(shí)現(xiàn)整臂末端和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組合體的鉛垂向零重力模擬。支撐工裝采取氣浮及懸吊方式，通過氣浮力/懸吊拉力抵消重力影響。經(jīng)分析比較，采取多孔質(zhì)氣足設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的小孔節(jié)流氣足以及表面節(jié)流氣足等方式，氣足表面壓力分布均勻，物體懸浮更加穩(wěn)定，而且使得應(yīng)力集中等問題大為緩解，承載能力以及氣足過縫能力提高。

根據(jù)機(jī)械臂工作模式、運(yùn)動(dòng)模式、裝配方案及收攏壓緊姿態(tài)，將機(jī)械臂分成了3個(gè)運(yùn)動(dòng)組份，包括肩部運(yùn)動(dòng)組份、肘部運(yùn)動(dòng)組份、腕部運(yùn)動(dòng)組份。針對每個(gè)組份分別進(jìn)行氣浮支撐裝置設(shè)計(jì)，確保各部分均可實(shí)現(xiàn)微重力受力狀態(tài)。

結(jié)合機(jī)械臂地面試驗(yàn)構(gòu)型以及艙上收攏壓緊構(gòu)型，分析機(jī)械臂構(gòu)型轉(zhuǎn)換過程，將肩部運(yùn)動(dòng)組份分成肩部運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝分成肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組份支撐工裝及肩部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝，因此氣浮支撐裝置分為4部分:肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組份支撐工裝、肩部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝、肘部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝、腕部運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝。

機(jī)械臂各關(guān)節(jié)及末端執(zhí)行器均設(shè)置有內(nèi)部的力傳感器，用于監(jiān)測產(chǎn)品工作時(shí)的受力情況，為保證各單機(jī)之間不受額外裝配應(yīng)力，單機(jī)力傳感器不受額外干擾，在氣浮支撐工裝與各單機(jī)連接環(huán)節(jié)之間設(shè)計(jì)力傳感器，用以檢測單機(jī)受力。

3.2.1 肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組份支撐工裝

肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組份支撐工裝用于實(shí)現(xiàn)肩部末端執(zhí)行器、肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)零重力狀態(tài)；支持肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶動(dòng)肩部末端執(zhí)行器進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)；支持組合體繞肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定軸軸線(即肩部偏航關(guān)節(jié)動(dòng)軸軸線)的轉(zhuǎn)動(dòng)。肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組份支撐工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。裝配時(shí)，將肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及肩部末端執(zhí)行器組合體與回轉(zhuǎn)部分工裝整體調(diào)整為靜平衡狀態(tài)。

圖3 肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組分支撐工裝圖Fig.3 The shoulder rolling movement component brace tool

為適應(yīng)試驗(yàn)過程中由于平臺水平度以及各種安裝誤差等產(chǎn)生的產(chǎn)品震顫并保證產(chǎn)品的安全，在氣浮托架底部加裝柔性調(diào)整環(huán)節(jié)，且具備高度調(diào)整以及鎖定功能，如圖4所示。

圖4 柔性裝置Fig.4 The flexible device

3.2.2 肩部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝

肩部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝用于實(shí)現(xiàn)肩部偏航關(guān)節(jié)以及肩部俯仰關(guān)節(jié)的零重力模擬。肩部偏航關(guān)節(jié)直接安裝在如圖5所示的關(guān)節(jié)托架上，通過4組關(guān)節(jié)支架、力檢測敏感器以及微調(diào)支架將關(guān)節(jié)與底部支架固連；肩部俯仰關(guān)節(jié)與吊板及轉(zhuǎn)動(dòng)軸承連接，支持俯仰關(guān)節(jié)繞動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖5 肩部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝圖Fig.5 The shoulder pitching movement component brace tool

3.2.3 肘部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝

肘部俯仰運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝用于實(shí)現(xiàn)肘部俯仰關(guān)節(jié)和中央控制器的零重力模擬。如圖6所示，對中央控制器采取2層氣浮盤氣浮支撐的方式實(shí)現(xiàn)零重力狀態(tài)，下層氣浮盤供氣將上層氣浮盤連同中央控制器浮起，既能保證對中央控制器的重力抵消，又能實(shí)現(xiàn)肘部俯仰關(guān)節(jié)與中央控制器之間相對轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無摩擦。

圖6 肘部俯仰運(yùn)動(dòng)支撐工裝圖Fig.6 The elbow pitching movement component brace tool

3.2.4 腕部運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝

腕部運(yùn)動(dòng)組份支撐工裝用于實(shí)現(xiàn)腕部俯仰關(guān)節(jié)、腕部偏航關(guān)節(jié)以及腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、腕部末端執(zhí)行器的零重力模擬。如圖7所示，末端執(zhí)行器與腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均采用平行四邊形相似吊架機(jī)構(gòu)進(jìn)行懸吊安裝。腕部俯仰關(guān)節(jié)通過關(guān)節(jié)連接支架、力檢測敏感器等與底部托板固連，實(shí)現(xiàn)零重力；腕部偏航關(guān)節(jié)通過懸吊架抵消其重力，吊點(diǎn)上部連接有力檢測敏感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中的受力狀態(tài)；腕部末端、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)跟隨腕部偏航關(guān)節(jié)繞腕部俯仰關(guān)節(jié)軸線共同回轉(zhuǎn)，自身調(diào)整為靜平衡狀態(tài)。

圖7 腕部運(yùn)動(dòng)支撐工裝圖Fig.7 The wrist movement component brace tool

3.3 氣浮平臺

為滿足機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)要求，搭建了10 m×20 m的氣浮平臺，采取花崗巖拼接而成，如圖8所示，承載能力優(yōu)于5 t/m，拼縫處高度差優(yōu)于10μm，縫隙寬度小于0.1 mm，整個(gè)花崗石平臺平面度不大于50μm。整個(gè)氣浮平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)有隔振溝、調(diào)整環(huán)節(jié)，并配置有激光對射傳感器與報(bào)警燈，當(dāng)平臺上的試驗(yàn)設(shè)備移動(dòng)至平臺邊緣并且遮擋住紅外線時(shí)，進(jìn)行警報(bào)提示。

圖8 氣浮平臺圖Fig.8 The air floating platform

3.4 可視化監(jiān)視系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂每個(gè)獨(dú)立部件的實(shí)時(shí)力檢測，在每個(gè)獨(dú)立部件的支撐位置均安裝有測力傳感器，并設(shè)計(jì)了可視化監(jiān)視系統(tǒng)，力傳感器通過數(shù)模變送器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線與RS485總線連接，將力傳感器的測力數(shù)值及重力抵消情況實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，如圖9、10所示。根據(jù)使用需要，設(shè)計(jì)有歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可對過往數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)查比對。

圖9 可視化監(jiān)視系統(tǒng)檢測主機(jī)Fig.9 The test computer of visual monitoring system

3.5 零重力補(bǔ)償精度分析

圖10 可視化監(jiān)視系統(tǒng)組成圖Fig.10 The composition of visual monitoring system

本試驗(yàn)系統(tǒng)要求對每個(gè)獨(dú)立部件以及機(jī)械臂整體的零重力補(bǔ)償精度在95%以上，影響補(bǔ)償精度的誤差主要來自2個(gè)方面:①敏感器自身測量誤差；②氣浮平臺水平度誤差。

敏感器自身測量精度為滿量程的0.05%，氣浮平臺水平度為3″，設(shè)關(guān)節(jié)質(zhì)量為

m

，補(bǔ)償精度為

ε

，質(zhì)量最大單機(jī)底部由4個(gè)60 kg量程的力敏感器支撐測量，誤差源多，量程大此處誤差為最大值，有如式(1)所示計(jì)算結(jié)果:

結(jié)果求得

ε

=99.74%。分析結(jié)果顯示零重力模擬精度滿足指標(biāo)要求。這里分析中沒有考慮摩擦的影響，考慮摩擦后，零重力實(shí)現(xiàn)精度會(huì)有所下降。實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)的零重力實(shí)現(xiàn)情況可以通過力敏感器進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對摩擦的影響預(yù)留了1%，對產(chǎn)品剛度的影響預(yù)留1%，因此，綜合評估零重力補(bǔ)償精度為97.7%。

3.6 整臂配平設(shè)計(jì)

機(jī)械臂各單機(jī)均通過受拉或受壓傳感器進(jìn)行重力支撐，抵消重力影響，在氣浮臺上裝配階段各俯仰及回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的受力平衡較易實(shí)現(xiàn)，但涉及偏航及俯仰部分運(yùn)動(dòng)的單機(jī)受力平衡較為復(fù)雜。

肩部末端執(zhí)行器與腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)均采用平行四邊形相似吊架機(jī)構(gòu)進(jìn)行懸吊安裝，如圖11所示，圖中

A

、

B

兩點(diǎn)為產(chǎn)品上安裝的滾環(huán)的吊點(diǎn)，

D

點(diǎn)為產(chǎn)品上的實(shí)際質(zhì)心位置。為保證腕部末端執(zhí)行器及腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在水平狀態(tài)以及上仰的過程中懸吊張力始終通過質(zhì)心，實(shí)現(xiàn)對末端執(zhí)行器的實(shí)時(shí)零重力模擬，即通過配重調(diào)整將產(chǎn)品上的質(zhì)心由

D

點(diǎn)調(diào)整至

C

點(diǎn)，要求

C

點(diǎn)位于產(chǎn)品的回轉(zhuǎn)軸線上。

圖11 相似機(jī)構(gòu)受力分析Fig.11 The mechanical analysis of similar mechanism

設(shè)產(chǎn)品質(zhì)量為

G

，配重質(zhì)量為

G

，通過質(zhì)量特性測試獲得產(chǎn)品重量及質(zhì)心位置的實(shí)測值

a

，如在

E

點(diǎn)上增加配重，為保證增加配重后的合質(zhì)心過

C

點(diǎn)，則可獲得

E

點(diǎn)需要增加的配重質(zhì)量如式(2):

其中，

b

為配重位置至

C

點(diǎn)位置尺寸的水平投影。在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，保證連桿

AA′

=

BB′

，且與整體吊點(diǎn)

C′

到虛擬質(zhì)心

C

點(diǎn)的連線尺寸相等，并且三者平行。肩部末端執(zhí)行器及肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)配平采取圖12所示蹺蹺板形式。同上首先通過質(zhì)量特性測試，獲得肩部末端執(zhí)行器及肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的質(zhì)量特性，將二者的質(zhì)心通過配平配至產(chǎn)品軸線上；通過測試再次獲得工裝蹺蹺板部分的質(zhì)量特性，并將當(dāng)前狀態(tài)工裝蹺蹺板與產(chǎn)品的質(zhì)量疊加得到合質(zhì)量

G

，以及質(zhì)心位置參數(shù)

e

、

f

，在此狀態(tài)下在工裝尾部進(jìn)行配重疊加，通過模型計(jì)算可得到配重質(zhì)心位置參數(shù)

c

、

d

，且各參數(shù)滿足式(3)、(4):即可獲得配重質(zhì)量

G

。

圖12 肩部工裝受力分析Fig.12 The mechanical analysis of shoulder brace tool

4 地面全物理試驗(yàn)組裝實(shí)施

4.1 靜平衡狀態(tài)調(diào)整

為滿足機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，不引入工裝、地面環(huán)境等因素帶來的附加力矩，對肩部末端執(zhí)行器組份、肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及肩部末端執(zhí)行器組合體組份、腕部末端執(zhí)行器組份、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及腕部末端執(zhí)行器組合體組份提出了運(yùn)動(dòng)靜平衡的狀態(tài)要求，減小各組份質(zhì)心相對于回轉(zhuǎn)軸線的偏心距，將不平衡力矩控制在一定的范圍內(nèi)。

機(jī)械臂在進(jìn)行靜平衡調(diào)試前，首先進(jìn)行了單機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量特性測試，確定質(zhì)量及質(zhì)心分布，對各參與工裝進(jìn)行了稱重測試，首先通過模型計(jì)算進(jìn)行配重的初步調(diào)整，然后根據(jù)測試情況進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終，各部分不平衡力矩不超過4 Nm。

4.2 裝配實(shí)施

機(jī)械臂部組件數(shù)量較多，相鄰組件之間均具有較高的精度要求，包括同軸度、軸線夾角、軸線間距等；同時(shí)還要保證各組件相對氣浮平臺的距離及角度精度，以確保運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；此外裝配過程中還需要滿足減載效率要求，保證各單機(jī)之間不受較大的相互作用力，造成輸出性能損失，甚至運(yùn)動(dòng)損傷等。

在裝配過程中，通過以下措施保證裝配質(zhì)量:

1)通過對各分組精度保證、最終集成的方式保證最終的裝配質(zhì)量；

2)利用力監(jiān)視系統(tǒng)對產(chǎn)品安裝狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，在力控制為主、精度控制為輔的原則的前提下，保證各產(chǎn)品的連接受力不大于±5%，并盡量保證產(chǎn)品的裝配精度要求；

3)在整臂結(jié)構(gòu)中，將臂桿兩端法蘭的安裝作為整臂裝配精度的調(diào)整環(huán)節(jié)，消除整臂的裝配角度偏差；

4)針對各組份劃分，在各組份裝配完成后，對各相對運(yùn)動(dòng)部分均安排了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)測試，以驗(yàn)證裝配結(jié)果的正確性和各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的可行性。

機(jī)械臂裝配完成狀態(tài)如圖13所示，對單機(jī)初始裝配狀態(tài)、整臂裝配完成后以及氣浮臺上運(yùn)動(dòng)測試狀態(tài)的重力抵消情況進(jìn)行整理，如表1所示。通過對比，重力抵消偏差優(yōu)于5%。

圖13 機(jī)械臂裝配完成狀態(tài)圖Fig.13 The status of space manipulator assembly completion

表1 空間機(jī)械臂力監(jiān)視系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)匯總Table 1 Summary of sensor data in space manipulator monitoring system

5 三維全物理試驗(yàn)演示驗(yàn)證

機(jī)械臂組裝后，在氣浮臺上開展了圖14所示三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證許用角度以機(jī)械臂在氣浮臺上的裝配構(gòu)型為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，此構(gòu)型下機(jī)械臂由肩至腕各關(guān)節(jié)角度依次為:-180°、﹢90°、﹢90°、＋60°、-90°、-90°、0°(表2)。

表2 空間機(jī)械臂各關(guān)節(jié)許用角度范圍Table 2 The allowable angle range of space manipulator joints

圖14 機(jī)械臂三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)圖Fig.14 The experiment scene of space manipulator three-dimensional movement

以空間機(jī)械臂爬行試驗(yàn)為例，試驗(yàn)過程中關(guān)節(jié)角度、角速度情況如圖15、16，可以看出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)順暢，試驗(yàn)運(yùn)行良好。

圖15 機(jī)械臂爬行試驗(yàn)各關(guān)節(jié)角度Fig.15 The angles of space manipulator joints in climbing test

圖16 機(jī)械臂爬行試驗(yàn)各關(guān)節(jié)角速度Fig.16 The angular velocities of space manipulator joints in climbing test

6 結(jié)論

1)系統(tǒng)具備空間機(jī)械臂在軌任務(wù)的地面三維全物理演示驗(yàn)證能力，驗(yàn)證了機(jī)械臂工作的可靠性；

2)系統(tǒng)卸載效率高、支撐關(guān)節(jié)范圍轉(zhuǎn)動(dòng)大，滿足空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)測試要求；

3)系統(tǒng)摩擦小，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)順暢無卡滯，可實(shí)時(shí)監(jiān)測受力狀態(tài)，對機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)測試附加誤差小。