表取采樣機(jī)構(gòu)懸吊式低重力補償裝置設(shè)計

王開寶，劉曉飛，李建永，姜生元，鄧湘金，羅春陽，王明旭

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國空間技術(shù)研究院，北京 100081)

在探月工程三期中，表取采樣裝置由主體和表取初級封裝裝置組成.表取采樣機(jī)械臂支持末端執(zhí)行器實現(xiàn)月球表面樣品的采集、轉(zhuǎn)移、釋放，完成表取初級封裝容器的抓取、轉(zhuǎn)移、釋放等動作.第一關(guān)節(jié)控制機(jī)械臂航向活動，第二關(guān)節(jié)控制機(jī)械臂俯仰活動，第三關(guān)節(jié)連接第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂，第四關(guān)節(jié)則與末端執(zhí)行器連接.一級機(jī)械臂和二級機(jī)械臂完全伸展時，總長度約3.6 m，可實現(xiàn)在半徑不小于1 m、張角不小于120°的扇形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多點選擇性采樣.機(jī)械臂關(guān)節(jié)最大運動速度不小于1°/s[1-2].為模擬月球重力環(huán)境，為采樣封裝分系統(tǒng)表取采樣提供較真實的工作環(huán)境和工作對象，驗證表取采樣裝置在月面重力環(huán)境下的工作性能，在采樣封裝專項實驗系統(tǒng)中需要研制表取采樣裝置低重力補償裝置.本文基于“補償裝置與表采機(jī)構(gòu)運動對應(yīng)一致”的設(shè)計思想，設(shè)計了一種懸吊式低重力補償裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、適應(yīng)性強，可為采樣封裝專項實驗提供可靠支撐.

1 低重力補償裝置方案設(shè)計

1.1 功能及性能要求

表取采樣裝置低重力補償裝置功能要求：為表取采樣裝置提供模擬月表1/6g的工作環(huán)境，可適應(yīng)一定范圍的著陸姿態(tài)變化、負(fù)載變化；不能與其他設(shè)備干涉，不能影響其他設(shè)備的運動空間，不能干擾其他設(shè)備的正常工作；與表取采樣裝置間應(yīng)有良好的絕緣措施；具備長時間穩(wěn)定工作的能力，有抗塵設(shè)計；便于多次拆裝、運輸和維護(hù)；有足夠的剛度和強度；具有過速等故障保護(hù)功能；主體質(zhì)量不大于21.5 kg，表取初級封裝容器質(zhì)量不大于0.4 kg.表取采樣機(jī)構(gòu)低重力補償裝置性能指標(biāo)要求見表1.

表1 表取采樣機(jī)構(gòu)低重力補償裝置性能指標(biāo)要求Tab.1 Performance requirements of low gravity compensation device for surface sampling mechanism

1.2 低重力模擬系統(tǒng)原理對比分析

在地面模擬太空微低重力環(huán)境的研究由來已久，成果也較多.比如美國、蘇聯(lián)等從20世紀(jì)60年代開始設(shè)計了多種針對月球車、宇航員等應(yīng)用的微低重力模擬系統(tǒng).按照不同模擬原理可以分為落塔法、拋物飛行法、水浮法、氣浮法、懸吊法和探空火箭法，這些方法的橫向?qū)Ρ纫姳?[3-5].

表2 現(xiàn)有低重力補償方法對比Tab.2 Comparison of existing low gravity compensation methods

表2(續(xù))

綜合分析可知，懸吊法綜合優(yōu)勢最大，研究成果豐富.隨著懸吊法控制策略研究的發(fā)展，懸吊式微低重力模擬精度越來越高，使得該方法被越來越多地應(yīng)用于微低重力模擬場合.

1.3 低重力補償裝置懸吊式主、從臂配重方案

基于表取采樣機(jī)構(gòu)運動規(guī)律及1/6g重力試驗環(huán)境補償要求，在低重力試驗環(huán)境補償裝置的設(shè)計過程中，應(yīng)遵循以下原則：

1)吊點為兩點，吊絲不對表采臂過補償；

2)低重力試驗環(huán)境補償裝置運動采用“補償裝置與表采機(jī)構(gòu)運動對應(yīng)一致”的設(shè)計思想，有利于滿足低重力試驗環(huán)境補償裝置的設(shè)計要求；

3)吊絲在表取采樣機(jī)構(gòu)運動過程中應(yīng)時刻跟隨其運動，并且雙吊絲之間的運動不干涉.

本方案兩套表采臂系統(tǒng)同時運動，利用表采臂間的重力補償系統(tǒng)來實現(xiàn)1/6g重力補償.主要原理是在垂直空間內(nèi)布置兩套結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、性能完全相同的表取采樣機(jī)構(gòu)，重力補償系統(tǒng)利用配重砝碼來平衡表取臂的自身重力.通過兩個配重砝碼的重力抵消表取采樣機(jī)構(gòu)5/6g重力，從而模擬月球的重力環(huán)境.低重力補償裝置主、從臂配重方案系統(tǒng)組成見圖1.

1.懸吊跟隨系統(tǒng)；2.重力補償系統(tǒng)；3.表取采樣機(jī)構(gòu)；4.懸吊跟隨控制系統(tǒng)；5.表取采樣機(jī)構(gòu)運動主控器.圖1 低重力補償裝置主、從臂配重方案系統(tǒng)組成Fig.1System of counterweight scheme for master and slave arms of low gravity compensation device

在實際操作時，兩套表取采樣機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)同時工作，完成同樣動作，即兩個表取采樣機(jī)構(gòu)是相對靜止的，所以兩臂之間雖然連接著重力補償系統(tǒng)，但運動不會產(chǎn)生相互影響，滿足平衡表取采樣機(jī)構(gòu)5/6g的試驗要求.

在兩套表取采樣機(jī)構(gòu)工作的同時，兩套控制系統(tǒng)分別對兩套機(jī)構(gòu)“腰部”“肩部”“肘部”的運行狀態(tài)進(jìn)行實時控制，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實時調(diào)整兩套表取采樣補償機(jī)構(gòu)的運動狀態(tài)，使其保持一致.

2 低重力補償裝置設(shè)計方案理論分析

2.1 表采機(jī)械小臂處補償力分析

圖2 表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械小臂(含末端采樣器)受力分析Fig.2Force analysis of mechanical forearm (including end sampler) of sampling mechanism

表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械小臂前端通過腕部關(guān)節(jié)與末端采樣器連接，其運動主要是由肘部關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動，實現(xiàn)機(jī)械小臂繞肘部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動.由于表取采樣機(jī)構(gòu)的整體運動速度很低，因此，可以將其受力問題簡化為靜力學(xué)平衡問題.表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械小臂(含末端采樣器)受力分析見圖2.根據(jù)受力分析，可以列出表取采樣機(jī)構(gòu)在一般工作狀態(tài)下的平衡方程.為了求出表取采樣機(jī)械小臂處懸吊點重力補償裝置的補償力，需對表取采樣機(jī)械小臂進(jìn)行局部分析.在該原理樣機(jī)中，產(chǎn)生的摩擦阻力矩忽略不計[6-8].

由受力分析可知：表采機(jī)械小臂處懸吊點重力補償裝置的補償力主要用于與地球重力加速度g產(chǎn)生的多余的5/6倍重力平衡，重力補償?shù)慕Y(jié)果是使肘部關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)按照原有設(shè)計(針對月面1/6重力環(huán)境)正常工作.因此，對肘部關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心點B列力矩平衡方程：

考慮到末端采樣器采樣質(zhì)量及姿態(tài)角度具有不確定性(變量)，在工作過程中每次采集的月壤(巖)質(zhì)量差異較大.因此，在表采機(jī)械小臂處重力補償裝置的補償力分析過程中將末端采樣器視作固定質(zhì)量塊(重力為常數(shù)，且忽略末端采樣器與表采機(jī)械小臂的相對轉(zhuǎn)角)以簡化計算.此時有γ=β.因此，力矩平衡方程變形為

.

2.2 表采機(jī)械大臂處補償力分析

表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械大臂前端通過肘部關(guān)節(jié)與表采機(jī)械小臂(含末端采樣器)相連接，其運動主要是由肩部關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動，實現(xiàn)機(jī)械大臂帶動表采機(jī)構(gòu)整體繞肩部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動.為了求出表取采樣機(jī)械大臂處懸吊點重力補償裝置的補償力，需分析表取采樣機(jī)械大臂受力情況.在該原理樣機(jī)中，產(chǎn)生的摩擦阻力矩忽略不計[6-8].表取采樣機(jī)構(gòu)(除腰部關(guān)節(jié))受力分析見圖3.

圖3 表取采樣機(jī)構(gòu)(除腰部關(guān)節(jié))受力分析Fig.3Force analysis of sampling mechanism (except the waist joint)

由整體受力分析可知：表采機(jī)械大臂處懸吊點重力補償裝置的補償力需要與表采機(jī)械小臂處懸吊點重力補償裝置的補償力共同作用，以達(dá)到與地球重力加速度g所產(chǎn)生的多余的5/6倍重力平衡.重力補償?shù)慕Y(jié)果是使肩部關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)按照原有設(shè)計(針對月面1/6重力環(huán)境)正常工作.

因此，對肩部關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心點A列力矩平衡方程：

當(dāng)肩部關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)回轉(zhuǎn)帶動表采機(jī)械大臂轉(zhuǎn)動時，表采機(jī)械小臂及末端采樣器處于姿態(tài)靜止?fàn)顟B(tài).因此，在表采機(jī)械大臂處重力補償裝置的補償力分析過程中，將末端采樣器及表采機(jī)械小臂視作固定質(zhì)量塊(重力為常數(shù)，且忽略末端采樣器與表采機(jī)械大臂的相對轉(zhuǎn)角)以簡化計算.此時有α=β=γ.因此，力矩平衡方程變形為

簡化為

綜上可知：表采機(jī)械大臂、小臂處懸吊點重力補償裝置的補償力與表取采樣機(jī)構(gòu)各部件的重力、幾何結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，與表取采樣機(jī)構(gòu)運動過程的姿態(tài)角無關(guān)，并且，表采機(jī)械小臂處重力補償裝置的補償力F2與表采機(jī)械大臂處重力補償裝置的補償力F1也存在相互影響.

3 主、從臂配重法重力補償裝置三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

在表取采樣機(jī)構(gòu)1/6g重力補償裝置設(shè)計中，應(yīng)保證補償裝置的空間運動對表取機(jī)構(gòu)本身的運動不造成影響，且補償過程應(yīng)具有實時跟隨的效果，吊繩與表取采樣機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂應(yīng)始終保持垂直狀態(tài).

1.補償從臂隨動結(jié)構(gòu)；2.從機(jī)械臂懸吊點連接機(jī)構(gòu)；3.主機(jī)械臂吊點連接機(jī)構(gòu)；4.安裝機(jī)架；5.支撐立柱；6.支撐平臺；7.隨動系統(tǒng)配重塊.圖4 表取機(jī)構(gòu)低重力補償裝置配重法整體結(jié)構(gòu)Fig.4Overall structure of counterweight method of low gravity compensation device

表取機(jī)構(gòu)低重力補償裝置配重法整體結(jié)構(gòu)見圖4.機(jī)械臂主、從臂配重重力補償系統(tǒng)由補償從臂隨動結(jié)構(gòu)、從機(jī)械臂懸吊點連接機(jī)構(gòu)、主機(jī)械臂吊點連接機(jī)構(gòu)、安裝機(jī)架、支撐立柱、支撐平臺、隨動系統(tǒng)配重塊等組成.考慮到試驗時主、從臂配重重力補償系統(tǒng)要保持平穩(wěn)可靠且傾斜姿態(tài)與著陸器姿態(tài)時刻保持一致，因此，從臂補償系統(tǒng)由安裝機(jī)架承載，并與著陸器姿態(tài)角度調(diào)整平臺相連接，同時進(jìn)行姿態(tài)角度調(diào)節(jié).為保證機(jī)架及支撐平臺的可靠性，增強剛度，在支撐立柱上另外設(shè)計了支撐桿；為保證支撐立柱的可靠性，在支撐平臺上設(shè)計了配重機(jī)構(gòu)；為了減小肩部關(guān)節(jié)電機(jī)的額定載荷，在隨動系統(tǒng)末端設(shè)計了配重機(jī)構(gòu).

4 低重力補償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

從臂控制系統(tǒng)主要以高性能的微計算機(jī)控制為核心，由小臂、大臂驅(qū)動電機(jī)，大臂與上升器間轉(zhuǎn)動的肩關(guān)節(jié)以及在平面范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)和相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)，各關(guān)節(jié)位置檢測傳感器，主、從臂間的拉力傳感器，主、從系統(tǒng)的同步信號電路，主、從系統(tǒng)的控制信號及報警信號電路等組成，其原理結(jié)構(gòu)見圖5[9-10].

圖5 從臂控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)Fig.5Schematic structure of slave arm control system

根據(jù)主控制系統(tǒng)的動作要求，通過主、從臂配重重力補償控制來實現(xiàn)兩個控制系統(tǒng)的同步動作.兩個控制系統(tǒng)采用同步時鐘實現(xiàn)同步接收控制信號，完成對各部執(zhí)行電機(jī)的控制、運行速度檢測以及系統(tǒng)運行異常報警指令傳輸.主臂控制系統(tǒng)控制主臂各部電動機(jī)的運行，并對采集的實時運行速度與控制指標(biāo)進(jìn)行比較，通過控制器的控制實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出，保證動作可靠與系統(tǒng)穩(wěn)定；從臂控制系統(tǒng)依據(jù)同步控制指令控制其各部電機(jī)的工作，接受主臂控制系統(tǒng)的各檢測信號，并與從臂控制系統(tǒng)的對應(yīng)反饋量進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)運行狀態(tài)，實時判斷拉繩的力，當(dāng)與實際不一致以及拉力超限時，向主控制系統(tǒng)發(fā)出命令，同時停車，以保證系統(tǒng)安全.

5 結(jié) 語

本文在滿足表取采樣機(jī)構(gòu)低重力補償裝置功能和性能要求的基礎(chǔ)上，分析了表取采樣機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律，采用“補償裝置與表采機(jī)構(gòu)運動對應(yīng)一致”的設(shè)計思想，擬定了主、從臂配重方案.在滿足力矩平衡的條件下，確定了表采機(jī)械大臂和小臂處懸吊點重力補償裝置的補償力；完成了表取采樣裝置重力補償?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；根據(jù)主控制系統(tǒng)的動作要求，構(gòu)建了主、從臂配重重力補償控制系統(tǒng)方案.下一步，將研究協(xié)調(diào)運動過程中的振動問題模擬，以及機(jī)械-控制系統(tǒng)的運動聯(lián)合測試.