重力對空間機構運動行為影響研究綜述

劉福才，劉 林，李 倩，秦 利，王文魁

（1.燕山大學工業計算機控制工程河北省重點實驗室，秦皇島 066004；2.燕山大學材料科學與工程學院，秦皇島 066004）

重力對空間機構運動行為影響研究綜述

劉福才1，劉 林1，李 倩1，秦 利1，王文魁2

（1.燕山大學工業計算機控制工程河北省重點實驗室，秦皇島 066004；2.燕山大學材料科學與工程學院，秦皇島 066004）

隨著航天技術的發展，各種空間機構的使用將越來越普遍。任何空間機構在設計、裝調和使用上，必然會遇到重力及其釋放條件下運動行為差異的問題。因此有必要對重力對空間機構運動行為的影響進行研究。針對此背景，從采用落塔、拋物線飛行和空間站在軌飛行試驗等方面介紹了國外在進行空間機構定位精度、電機驅動電流、摩擦參數等方面獲得的空間與地面實驗數據對比研究成果，并闡述了我國的相關研究進展，指出應采用地面模擬與空間試驗相結合的形式，找出空間機構地面裝調與空間應用運動學與動力學參數的差異，為空間機構設計提供理論依據。

空間機構；微重力；重力釋放；運動行為；地面模擬

1 引言

空間機構是指在空間執行運動功能的機械裝置［1］，機構運動行為包括機械構件、運動類型、運動狀態等，是實現機械結構向運動功能映射的機械動作組合，體現為機構運動學與動力學參數的變化。隨著航天技術的發展，各種空間機構的使用越來越普遍，不同空間環境因素會對空間機構運動行為產生影響。空間微重力環境下的重力釋放是眾多問題中的特殊問題，導致的構件變形和運動間隙變化，對整個機構運動行為的影響不可忽視，甚至會導致空間事故的發生（如美國旅行者2號方位驅動器被卡、美國通信衛星5號發動機旋轉軸偏離、美國火星全球勘測者天線方位接頭卡住、蘇聯火衛探測器2號機械部件故障等［2］）。有必要對該影響進行研究，找出空間機構地面裝調與空間應用運動行為的差異，并以此為依據優化空間機構的結構及控制器設計，改善機構在軌服役性能、提高操作精度、減少故障的發生［3］。

太陽能帆板及天線等大型展開是此類事故多發區，如Alexis X射線觀測衛星太陽能帆板提前展開、歐洲空中快車MARSIS號無限期推遲、國際空間站星間通信裝置ICS-EF組裝過程中驅動器的微動開關失靈、我國嫦娥三號探月工程月球車出現“機構控制”異常等故障［2］，對這些故障的分析結果都涉及微重力環境效應問題。但是美國［1-2］、歐洲、日本［4］都有學者指出機械系統微重力試驗難度大，為得到滿意的數據、合理的解釋需要更多的研究。隨著我國航天事業的不斷發展，國內也有很多學者開始重視重力變化帶來的影響。陳烈民指出對于大型運動部件，想克服重力影響進行試驗非常重要和困難［5］；于登云指出重力會影響質量大、剛度小的零件的形狀誤差，還會增加關節間的摩擦，影響地面試驗結果［6］；關于不同重力環境下空間機構潤滑問題，劉維民指出重力環境的變化對空間潤滑材料的影響不可忽略，由于軸承和頸套的相對位置在兩種工況下不同，所以潤滑油膜厚度分布變化情況也不同［7］。

我國自1992年啟動載人航天工程到現在20多年的時間里，已獨立掌握了載人航天技術，突破了空間實驗和交會對接技術［8］，進入到空間站有人在軌實驗階段，為我國空間微重力試驗提供了很好的契機，空間機構的運動行為研究有望在空間進行驗證試驗。但是到目前為止，我國在微重力環境下空間機構運動行為的研究較少，對需要研究的內容尚缺乏系統認識。基于此，本文以綜述現階段國內外的研究成果為基礎，給出微重力環境下空間機構運動行為模擬研究的主要內容，指出開展微重力環境下空間機構運動行為研究的建議。

2 研究方法和手段

研究空間機構微重力環境下的運動行為有數值仿真和地面模擬試驗兩種方法。由于空間站試驗機會少，耗資高，因此現階段的試驗研究以地面微重力環境模擬試驗為主。

現有的微重力環境地面模擬試驗方法主要有落塔法、飛機拋物線飛行法、中性浮力水槽法、氣浮法以及吊絲配重法等。美國有一個測試段深132 m、直徑為6.1 m的落塔［9］。美國、法國等國都建造有不同類型的失重飛機，失重時間可達20～30 s，能夠實現10-2～10-3量級的微重力環境［10］。水浮法中較具代表性的為馬里蘭大學研制的Ranger試驗系統［11］。懸吊比較具有代表性的有美國Carnegie Mellon大學研制的SMZ空間機器人地面實驗系統［12-13］，Sato等的吊絲配重式的補償系統［14］。

落塔及飛機拋物線飛行法可實現短時高精度的微重力環境模擬，但單次試驗時間短、被測試機構尺寸受限，在機構研究方面其實用性有限。水浮、懸吊、氣浮等試驗方法試驗時間不受限制，但由于受到水中阻力、設備摩擦、繩索柔性等因素的影響，模擬真實性較差［9］。王文魁提出一種空間機構運動行為模擬研究的概念，指出可以在地面正常重力場環境中，以試驗模擬手段，找出重力對機構運動行為的影響，尤其是對機構間隙和其它一系列運動行為參數的影響［2］。

3 國內外研究現狀

3.1 國外

國外研究者在空間機構數值模擬仿真方面，建立了各種不同重力環境模型，包括微重力環境下，機構運動學和動力學仿真模型，通過碰撞接觸模型等描述間隙變化，研究含間隙機構動力學特性，探討其影響機構動態行為的主要原因［15-16］。在此基礎上，建立了運動副間隙潤滑的動力學分析方法，并利用此方法研究了運動副間隙及潤滑作用的機構動力學行為［17］。

為了獲得不同重力環境下空間機構運動行為的差異，德國、日本和美國等通過落塔、飛機拋物線飛行和空間站在軌飛行試驗等方法相繼獲得了空間機構定位精度、電機驅動電流、共振頻率和摩擦參數等空間微重力環境下的實驗數據，并與地面試驗數據進行對比，指出了地面微重力環境模擬試驗數據與空間飛行試驗數據的巨大差異。

3.1.1 德國ROTEX空間機器人技術試驗

德國在1985年提出了空間機器人技術試驗，并在1993年進行了太空實驗室D-2任務飛行試驗（圖1）［18］，在歐洲空間自動化和機器人技術研究方面邁出了第一步。帕德伯恩大學已經開發了該機器人的關節控制器，這些關節控制器采用專門的“觀測器-算法”來辨識在零重力下摩擦的影響，從而得到適應空間飛行狀態的具有力／位置控制操縱桿的地面遙控系統關節控制參數［18］。

3.1.2 日本空間飛行及落塔試驗

1997年日本在國際空間站日本艙段進行了機械臂在軌飛行試驗，主要任務是驗證靈巧機械臂末端定位精度及力控制精度，并與地面試驗結果進行對比（見表1）［19］。并采用大型可展機構縮比模型，分別進行了航天飛行器在軌試驗和地面懸吊試驗，在軌試驗表現出較低的共振頻率和較高的阻尼率，與地面較高的共振頻率和較低的阻尼率形成鮮明對比［20］。

表1 數學仿真結果Table 1 Arm tip positioning error results of the ground test and the flight experiment［20］

針對國際空間站暴露艙機械臂，2002年日本進行了4自由度空間機械臂拋物線飛行試驗［20-21］，拋物線飛機產生的微重力環境時間接近20 s，獲得的實驗數據包括電機驅動電流、伺服控制特性和操控性能。并與地面試驗數據進行了對比（圖2）。從圖2中可以看出，機械臂第一關節旋轉角度和角速度在地面與空間相差不大，而電機驅動電流峰值差別較大，在地面達到2A，超過極限值，而在空間只有0.6 A左右，且有正負之分。另外，還得出微重力條件下的粘滯摩擦系數較地面重力環境小10～20%的結論。

日本航空宇宙學會在2005年公布了3個關于在落塔進行的微重力環境模擬試驗成果。Shimoda通過研制的微重力環境下的移動彈跳機構，在自由落塔中進行了微重力環境彈跳機構軟著陸試驗，實驗結果表明，在微重力環境下，要想垂直方向快速下降是很困難的，因為機構和地面之間的引力很小［22］。Nohmi為研究繩系機器人釋放和回收運動過程，在自由落塔中進行了4.5 s的微重力環境模擬實驗，發現繩系機器人在微重力環境下的姿態控制會出現特殊現象［23］。Ui為了研究一種新的超小型衛星對接機構的對接性能，在日本微重力中心自由落塔中進行了10 s的三維微重力實驗，并利用CCD相機記錄了對接過程。實驗的目的是為了核實它的捕獲功能，因為三維微重力在接近／捕獲階段非常重要［24］。

此外，改變機構運動副在重力場中的取向，也是一種分離重力因素的方法。例如，日本宇宙航空開發機構進行了不同重力取向條件下，高速旋轉軸系保持器摩擦磨損實驗（見圖3）。研究結果表明，旋轉軸水平放置較垂直放置時，驅動力矩增大，振動加劇，保持器磨損加重，軸承溫度過度上升，保持器運行失穩，充分反映出重力耦合作用的重要性［25～26］。

3.1.3 美國零重力環境試驗

NASA和谷歌制作了一個飛行機器人系統，正在國際空間站測試。使用的懸浮機器人名為SPHERES，寬度約為10 in；系統由3臺懸浮機器人組成，在國際空間站零重力環境下使用二氧化碳來產生推進力（圖4）［27］。這些機器人和谷歌的Project Tango智能手機相連，可對周圍環境進行測繪。測試所需的無重力環境由Zero G公司通過帶人升上高空然后急速下降來獲得。

3.2 國內

我國對于重力對空間機構運動行為的影響研究起步較晚，初期的研究重點還只是停留在空間微重力環境地面模擬試驗裝置及試驗方法上。由于空間試驗條件及技術水平的限制，關于不同重力境下空間機構運動行為的差異的研究成果還較少，目前的研究成果主要集中在多自由度微重力模擬實驗裝置、重力影響試驗補償研究、重力影響仿真分析和重力影響的空間機構控制技術等方面。

3.2.1 多自由度微重力模擬試驗裝置

我國對空間機構運動行為研究多集中在真空潤滑的地面模擬試驗，通過增加氣浮模擬實驗裝置的自由度來提升微重力環境模擬的真實性［15］，如哈爾濱工業大學氣動技術中心的五自由度氣浮臺（圖5）［28］、北京控制工程研究所的大型三軸氣浮臺（圖6）［29］等。

中國科學院智能機械研究所研制了水浮式［30］和懸吊式微重力模擬系統［31］；陳三風提出一種平面氣浮和氣缸垂直懸浮組合的模擬實驗方案［32］；齊乃明針對大中型及做復雜運動的空間實驗目標，提出一種機、電、氣組合的三維空間微重力地面模擬系統裝置［33］（圖7）；韋娟芳研制了一種衛星天線展開過程的零重力環境模擬設備［34］；閻紹澤利用懸吊技術測試了可展開桁架機構標志點的振動衰減和加速度響應，結果表明，空間可展機構在做地面實驗時，充分考慮重力的影響，以免造成設計失誤［35］。朱戰霞采用水浮和半實物仿真的形式對航天器操作的微重力環境進行了構建［36］。

3.2.2 重力影響試驗補償研究

為了減小或消除地面重力對空間機構運動行為的影響，劉站立在進行空間機械臂單關節驅動器設計時，將關節驅動器的軸線布置在垂直方向，從而去除了重力因素影響［37］。王玉平設計的非完整機械手臂是在三維空間運動，因當重力力矩遠大于摩擦盤產生的旋轉矩時，重力會阻止多關節機械手運動，因此機構設計中設計了兩種止動機構以減小重力帶來的影響［38］。房立金針對地面環境下空間飛行器進行試驗需要消除重力的影響這一問題，選取一臺由電動機驅動小車車輪在導軌上滾動運動的小車作為研究對象，提出針對地面重力產生的摩擦力進行主動補償控制的方法，以減小或消除因重力而產生的摩擦力的作用［39］。為了研究重力勢對含鎖定間隙的空間可展結構動力學性能的影響，李君蘭以太陽翼為對象進行了結構響應學實驗研究，分別在只有單塊帆板和兩塊帆板通過鉸鏈相連接的情況下進行了不同安裝方式的對比實驗，實驗發現單板水平安裝時的低階振動頻率比垂直安裝時低，這說明重力勢的方向性改變了結構的固有頻率［40］。華長春研究了網絡化空間雙邊搖操作系統考慮重力影響的主從控制器設計方法，并進行了仿真與試驗驗證［41-42］。

3.2.3 重力影響仿真分析

在空間機構仿真研究方面，清華大學閻紹澤論述了間隙非線性研究對新型航天器設計及在軌運動性能分析的重要意義，并建立了含間隙空間機構動力學模型［43］。中國空間技術研究院潘博等人建立了綜合考慮輪齒柔性、嚙合阻尼、齒側間隙、嚙合誤差等非線性因素的關節動力學模型［44］。清華大學樊世超等人研究了摩擦對地面機械臂和空間機械臂運動的影響，仿真結果表明，兩者的運動不僅存在差別，而且兩者末端臂桿上所受到的摩擦力矩差別較大，在太空環境中，摩擦力矩越小，摩擦的影響也越小［45］。哈爾濱工業大學游斌弟進行了不同重力環境下星載天線操控機構動力學及動態精度分析［46］。東南大學馬睿針對太陽翼結構地面模態試驗時重力導致的幾何非線性不能忽略的問題，提出了一種考慮重力影響的柔性結構動力學模型修正方法［47］。燕山大學李仕華研究了微重力環境下并聯機器人的響應特性和不同重力環境下含間隙鉸位置和碰撞力［48-49］。哈爾濱工業大學高海波對地月不同重力環境下月球車系統的移動性能進行仿真研究，結果表明重力環境不同，系統極限越障高度會有顯著差別，系統的質心加速度也會明顯不同，地面環境下質心加速度更大［50］。梁中超建立了載人月球車操縱動力學逆系統，研究月球、地球之間的重力差異對駕駛員產生的操縱影響，研究表明載人月球車在月球表面操作性差，不易實現相同軌跡的重復運動，相同要求下，月球表面需要更快更靈活的操作［51］。

3.2.4 考慮重力影響的空間機構控制技術

針對精密空間操作機構是在地面組裝調試在空間使用服役及地面微重力環境模擬的局限性問題，以典型空間操作機構——空間機械臂為研究對象，劉福才研究了不同重力環境下空間機構動力學與運動學建模及控制器設計問題，找出了地面模擬與空間應用控制方式的差別［52-53］。為分析重力、摩擦及鉸間間隙對空間機構動力學建模與控制的影響，形成面向精密空間操作機構的動力學建模、分析、控制器設計及應用的系統化理論方法，發展空間機構動力學與控制的新理論和新方法，推進考慮重力影響的動力學分析與控制方法在精密空間操作機構中的應用，劉福才等完成了如下工作：

1）建立考慮重力及摩擦的空間機械臂動力學方程及摩擦模型，給出摩擦補償控制方法［54］。

2）建立考慮重力及鉸間間隙的空間機械臂動力學與運動學方程，針對精密操作過程控制難點提出相應的補償與優化控制方法［55］。

3）建立了考慮重力影響的柔性關節空間機器人的模型，針對柔性關節空間機器人地面模擬及空間應用受到重力或微重力不確定項干擾的問題，提出一種基于奇異攝動的任務空間神經網絡自適應控制算法［56］。

4）建立了考慮重力影響的撓性航天器動力學模型，提出了一種自抗擾控制方法，實現對撓性航天器在不同重力環境下的振動抑制［57］。

隨著我國微重力試驗衛星的發射以及空間站建設逐漸提上日程，上述一些模擬及理論研究成果將有機會在空間微重力環境下得到試驗驗證。

4 結論

針對空間機構地面重力環境下安裝調試，空間微重力環境下應用的實際問題，本文從重力對空間機構運動行為的影響研究角度出發，綜述了國外航天機構在不同重力環境下空間機構運動行為差異的研究成果及我國存在的差距。結論如下：

1）微重力環境下，重力釋放引起的機構運動行為的改變，是空間機構所面臨的特有問題。

2）空間活動機構的故障問題是不能排除重力的影響，提醒人們對重力效應的重視。

3）自由落體及飛機拋物線飛行方法可得到短時有效的微重力環境，地面長時有效的微重力環境無法模擬。

4）只有開展機械學、界面科學等交叉領域的研究，方可真正解決空間機構重力及其釋放的實際問題。

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Literature Review of Effects of Gravity on Motion Behavior of Space Mechanisms

LIU Fucai1，LIU Lin1，LI Qian1，QIN Li1，WANG Wenkui2
（1.Key Lab of Industrial Computer Control of Hebei Province，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China；2.School of Materials Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China）

With the development of space technology，the use of various space mechanisms will be more and more common.The design，assembly and use of any space mechanism will encounter the problem of difference of the motion behavior under gravity and its release.Therefore，it is necessary to study the influence of the gravity on the motion behavior of the space mechanism.The researches in this field abroad including the experiments with the drop tower，the parabolic flight and the space station flight were reviewed.The data of the positioning accuracy，the motor drive current and the friction parameters of the space mechanism were compared between the space flight tests and the ground study.In addition，the research progress in China was also reviewed.It is proposed that the combination of ground simulation and space test should be adopted to study the difference of the kinematic and dynamic parameters of the space mechanism in space with that on the ground to provide a theoretical basis for the design of the space mechanism.

space mechanism；microgravity；gravity release；motion behavior；ground simulation

V41；V52

A

1674-5825（2017）06-0790-08

2017-03-15；

2017-09-21

國家自然科學基金（51605415）；載人航天預先研究項目（040301）；河北省自然科學基金（F2015203362、F2016203494）

劉福才，男，博士，教授，研究方向為空間機構運動行為分析與控制。E-mail：lfc＠ysu.edu.cn

（責任編輯：龍晉偉）