基于懸吊法和氣浮法的多自由度微重力模擬展開試驗系統研究

李海月，程 澤，趙丹妮，王浩威，李德勇，張加波，宋曉東，趙琳娜

（1.北京衛星制造廠有限公司，北京100094；2.北京空間飛行器總體設計部，北京100094；3.北京理工大學宇航學院，北京100081）

近年來，隨著航空航天技術的不斷進步，空間可展開機構在人類探索太空的活動中發揮著越來越重要的作用，如高精度天線、大功率太陽能電池陣及多自由度精密機械臂等廣泛應用于航天器［1-5］。空間可展開機構是航天器的重要組成部分，模擬其在太空微重力環境下的展開鎖定是地面微重力模擬展開試驗的重要內容。隨著空間可展開機構逐漸向多維度、多自由度的方向發展，對地面微重力試驗設備主動適應性［6-7］的要求也越來越高，既要求其能滿足多維度、多自由度的需求，還要求其具備精度高、阻力小和可靠性高的特點。

基于此，筆者通過對比目前比較成熟的微重力模擬展開試驗方法，結合懸吊法和氣浮法，擬設計一種適用于三維空間展開機械臂的多自由度微重力模擬展開試驗系統，并對其進行功能測試和模擬試驗。

1 微重力模擬展開試驗方法比較

地面微重力模擬展開試驗方法主要有懸吊法［8-12］、落塔法、水浮法［13］和氣浮法［14-20］，其中應用最為廣泛的是懸吊法。懸吊法利用繩索機構、滑輪組和配重來實現重力卸載，具有結構簡單、自由度高的優點，但也具有摩擦阻力大、精度低、滯后運動和柔性抖動耦合以及復雜運動軌跡適應性差的缺點。隨著氣浮法日漸成熟，氣浮系統的應用也日益廣泛，該系統雖具有阻力小、周期短、成本低、可靠性高和運動軌跡適應性強的優點，但對試驗平臺平面度和光滑度的要求較高，以及只能適應二維平面運動，導致其在多維空間的應用受到限制。落塔法的造價極其昂貴，水浮法的維護成本過高，且實用性差，導致二者的局限性強，應用范圍小。

2 多自由度微重力模擬展開試驗系統

三維空間展開機械臂具有尺寸大、自由度高和運動軌跡復雜的特點，因此對應的地面微重力模擬展開試驗系統應能滿足其對空間、可靠性、自由度和軌跡跟蹤精度的要求。通過對比上述幾種微重力模擬展開試驗方法可知，懸吊法和氣浮法技術成熟度高，所用設備結構簡單，成本低，無時間限制且易于維護。綜合懸吊法和氣浮法的優缺點，設計了一種多自由度微重力模擬展開試驗系統，該系統能夠高效、高精度地實現三維空間展開機械臂的地面微重力模擬展開試驗。

三維空間展開機械臂由大臂和小臂兩組臂桿組成。基于其運動特點，對多自由度微重力模擬展開試驗系統提出以下要求：1）能夠實現三維空間展開機械臂的三維軌跡微重力模擬展開運動；2）對三維空間展開機械臂產生的氣浮運動摩擦阻力（由氣浮托架產生）小于機械臂重力的1‰，垂直方向阻力波動量不超過機械臂重力的2%，展開方向附加阻力小于5 N；3）卸載效率高于95%。

本文所設計的多自由度微重力模擬展開試驗系統包括大臂垂直懸吊裝置和智能跟隨氣浮車等2個子系統，其中大臂垂直懸吊裝置用于卸載三維空間展開機械臂大臂的重力，智能跟隨氣浮車用于卸載機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺的重力。2個子卸載系統卸載的重力分別為402 N和1 225 N，所卸載荷的比例為24.7%和75.3%。三維空間展開機械臂的微重力模擬展開試驗示意圖如圖1所示，具體流程如下：

1）在大臂基準端與航天器模擬接口連接后，大臂電機驅動大臂繞根部關節水平轉動，轉動指定角度后停止；

2）大臂電機驅動大臂繞根部關節軸線作回轉運動，轉動至與小臂位于同一水平面后停止；

3）小臂電機驅動小臂繞其關節水平轉動，轉動至與大臂平行后停止。

當三維空間展開機械臂的大臂、小臂水平轉動時，大臂垂直懸吊裝置和智能跟隨氣浮車需要與大臂、小臂一起運動；當大臂作回轉運動時，智能跟隨氣浮車跟隨模擬負載水平移動的同時其氣浮平臺跟隨小臂和模擬負載向上或向下移動。在上述運動過程中，要求大臂垂直懸吊裝置和智能氣浮跟隨車具有較高的卸載能力和跟隨能力，其中卸載效率應高于95%；要求大臂垂直懸吊裝置的轉動摩擦阻力較小。

基于上述要求，在大臂垂直懸吊裝置上安裝力傳感器，對三維空間展開機械臂展開過程中的重力卸載情況進行檢測，以實時判斷多自由度微重力模擬展開試驗系統的卸載能力是否在可控范圍內；除此之外，在智能氣浮跟隨車上安裝位置傳感器，以對模擬負載的支撐位置和智能氣浮跟隨車車體的位置進行檢測，并將位置誤差反饋給車體控制器以進行位置補償，從而控制智能氣浮跟隨車的跟隨能力。

圖1 三維空間展開機械臂微重力模擬展開試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of microgravity simulation deployment test of three-dimensional space unfolding robotic arm

2.1 大臂垂直懸吊裝置

2.1.1 大臂垂直懸吊裝置的結構

大臂垂直懸吊裝置的結構如圖2所示，主要由搖臂架和懸吊裝置（由滑車、力傳感器、滑輪和同步帶構成）組成。搖臂架轉軸與三維空間展開機械臂大臂根部關節的回轉中心同軸安裝，并跟隨大臂的展開進行轉動；搖臂架上部的三角結構與下部的滑動軸之間裝有微調旋鈕，通過微調旋鈕來調控滑動軸的水平度；滑車通過4個小軸承在搖臂架的滑動軸上滑動。懸吊裝置與三維空間展開機械臂大臂通過同步帶連接，2條同步帶通過抱環實現大臂的懸吊；同步帶一端與滑輪連接，滑輪可靈活轉動，以確保大臂繞自身軸線作回轉運動時順暢；滑輪與滑車之間裝有力傳感器，可對三維空間展開機械臂微重力模擬展開試驗過程中的卸載力進行實時檢測、采集，提高重力卸載的可靠性。

大臂垂直懸吊裝置可實現三維空間展開機械臂大臂在微重力條件下的展開運動和繞自身軸線的回轉運動。在整個展開過程中，由于沒有配重，大臂垂直懸吊裝置的自身質量較小（約為22 kg），且搖臂架轉軸和滑車間裝有軸承，確保了跟隨運動的及時性和準確性，極大地減小了工裝對機械臂展開運動過程的影響。

圖2 大臂垂直懸吊裝置的結構組成Fig.2 Structure composition of boom vertical suspension device

2.1.2 大臂垂直懸吊裝置的功能

大臂垂直懸吊裝置的主要功能如下：

1）能夠實現對三維空間展開機械臂大臂的重力卸載；

2）裝置輸出力可手動調節，以確保卸載精度；

3）在試驗過程中能夠利用力傳感器實時檢測重力卸載情況，并在試驗結束后輸出重力卸載數據包；

4）在三維空間展開機械臂裝配完成后，能夠實現與機械臂的快速連接和分離。

2.1.3 大臂垂直懸吊裝置的工作原理

在三維空間展開機械臂的微重力模擬展開試驗中，大臂根部與航天器模擬接口連接，根據大臂抱環安裝位置，計算2個懸吊位置處的卸載力。當懸吊裝置與大臂連接后，通過微調懸吊裝置中的調節裝置，將力傳感器的讀數調節到指定范圍內；調節結束后，鎖定調節裝置。

由圖3所示的大臂受力情況可知，2個懸吊位置處的卸載力為：

式中：F為大臂重力；F1、F2分別為2個懸吊位置處的卸載力；L為重力的力臂；L1、L2分別為2個卸載力的力臂。

圖3 大臂受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of force on the boom

2.2 智能跟隨氣浮車

2.2.1 智能跟隨氣浮車的結構

智能跟隨氣浮車由支撐平臺、車體支撐及驅動組件、氣浮平臺、氣浮托架、重力平衡子系統和測控系統（圖中未顯示）等組成，如圖4所示，其各結構的組成如表1所示。

圖4 智能跟隨氣浮車的結構組成Fig.4 Structure composition of intelligent follow air floatation vehicle

智能跟隨氣浮車有2套氣浮支撐系統（由氣浮平臺和氣浮托架組成），氣浮支撐系統具有摩擦阻力小的優點。雙氣浮支撐系統的使用進一步降低了三維空間展開機械臂模擬展開時的氣浮運動摩擦阻力，可有效提高氣浮托架的運動跟隨能力，這對保證微重力模擬展開試驗的準確性和真實性具有重要意義。

表1 智能跟隨氣浮車各結構的組成Table 1 Composition of each structure of intelligent follow air floatation vehicle

2.2.2 智能跟隨氣浮車的功能

智能跟隨氣浮車的主要功能如下：

1）能夠實現對三維空間展開機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺的重力卸載。

2）在試驗過程中，能夠在空間上對模擬負載的運動進行三維立體跟隨。

3）對三維空間展開機械臂進行多重安全保護，確保工作異常狀態下機械臂及模擬負載的安全。

2.2.3 智能跟隨氣浮車的工作原理

在智能跟隨氣浮車工作過程中，車體支撐組件為智能跟隨氣浮車整車、三維空間展開機械臂小臂和模擬負載提供氣浮支撐，驅動組件跟隨氣浮托架，實現對氣浮車的運動跟隨；重力平衡子系統對三維空間展開機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺進行重力卸載，并對小臂回轉過程進行運動跟隨；測控系統用于監測和反饋2個氣浮支撐系統的位置偏差。

1）重力卸載。

重力平衡子系統利用三維空間展開機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺的重力，配重重力以及運動摩擦阻力三者間的平衡實現機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺的重力卸載。在三維空間展開機械臂大臂和小臂水平展開過程中，重力平衡子系統處于靜平衡狀態；當小臂作回轉運動時，重力平衡子系統通過增減砝碼來形成動平衡狀態。

當模擬負載向上運動時，運動摩擦阻力與機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺的重力方向一致，減小配重的砝碼質量，并施加微小初速度，打破重力平衡子系統的靜平衡，形成向上運動的動平衡狀態。此時：

式中：Ff為運動摩擦阻力；Fm為配重重力；Fp為三維空間展開機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺的總重力。

當模擬負載向下運動時，運動摩擦阻力與三維空間展開機械臂小臂、模擬負載和氣浮平臺的重力方向相反，增大配重的砝碼質量，并施加微小初速度，打破重力平衡子系統的靜平衡，形成向下運動的動平衡狀態。此時：

重力平衡子系統中配重與氣浮平臺通過拉力繩相連。為防止拉力繩斷裂，造成三維空間展開機械臂和智能跟隨氣浮車的損壞，特采用雙拉力繩進行保護。在進行雙拉力繩冗余設計時，采用抗拉強度較大的拉力繩，一旦其中一條拉力繩斷裂，另一條拉力繩能瞬間被拉直，繼續保證重力平衡子系統兩端配重和氣浮平臺可靠連接。

2）運動跟隨。

智能氣浮跟隨車的運動軌跡是直線和弧線的耦合，需要同時檢測X、Y方向的位置偏差，因此需要通過2個二維平面傳感器測量車體2個點的位移差來獲得其移動速度。沿垂直運動方向，在智能氣浮跟隨車上并排安裝2個PSD（position sensitive detector，位置傳感器），其中PSD發射端安裝在氣浮托架上，接收端安裝于氣浮平臺上。以PSD接收端面板幾何中心為原點，建立平面二維坐標系XOY。2個PSD連線中心點所處的中心軸線與全向移動輪系所處的中心軸線的初始位置一致，即坐標原點處。PSD的結構示意圖和布置方式分別如圖5和圖6所示。

圖5 PSD的結構示意圖Fig.5 Structure diagram of PSD

圖5中，I1、I2、I3、I4分別表示PSD的4個電極的光電流，x、y表示光點的坐標。根據4個電極的光電流，可求得：

圖6 PSD的布置方式Fig.6 Layout of PSD

通過光點與PSD的位置關系獲得2個PSD的坐標為（x1、y1）、（x2、y2），由此可獲得智能跟隨氣浮車在單位時間Δt內的位置偏差Δx、Δy，以及其車體中心的移動速度vx、vy，可表示為：

智能跟隨氣浮車的跟隨誤差包括水平跟隨誤差和豎直跟隨誤差，其中水平跟隨誤差可以通過PSD采集的數據計算得到。由于豎直運動與水平運動具有相關性，豎直跟隨誤差可以根據水平跟隨誤差計算得到，表示為：

式中：σsz為豎直跟隨誤差；σsp為水平跟隨誤差；α為三維空間展開機械臂大臂的回轉角度，4.37°≤α≤90°。

智能跟隨氣浮車工作過程中的展開方向附加阻力由兩部分組成：一是整車隨動氣足的氣浮運動摩擦阻力；二是展開方向上氣浮平臺傾角波動產生的側滑力。傾角波動產生的側滑力是指由于氣浮平臺傾角變化造成氣浮平臺承托平面與重力方向不垂直，從而產生沿氣浮平臺承載面方向的分力。如圖7所示，側滑力的計算公式如下：

式中：Fch為側滑力；Gcp為三維空間展開機械臂小臂和模擬負載的重力；Gtp為氣浮托架的重力；β為波動傾角。

因此，智能跟隨氣浮車的展開方向附加阻力為：

式中：Fzl為展開方向附加阻力；Fqf為整車隨動氣足的氣浮運動摩擦阻力。

3 試驗驗證

大臂垂直懸吊裝置作為航天器最常用的重力卸載設備，其可靠性已進行過多次驗證。但是，智能跟隨氣浮車作為一個新開發的設備，需對其進行功能測試和負載試驗。功能測試用于驗證智能跟隨氣浮車的使用精度，負載試驗用于驗證由大臂垂直懸吊裝置和智能跟隨氣浮車構成的微重力模擬展開試驗系統的可行性。

3.1 功能測試

為測試智能跟隨氣浮車的功能，對其跟隨速度、氣浮運動摩擦阻力（由氣浮托架產生，下文同）、垂直方向阻力波動量和展開方向附加阻力進行測試。

1）跟隨速度測試。

三維空間展開機械臂的最大展開速度為0.04 r/min，按照跟隨速度是2倍以上展開速度的要求，智能跟隨氣浮車的跟隨速度需大于0.08 r/min。將三維空間展開機械臂的展開速度分別設定為0.07，0.08和0.09 r/min，測試不同展開速度下智能跟隨氣浮車的跟隨速度，結果如表2所示。測試結果表明智能跟隨氣浮車能夠在2倍展開速度下保持運動跟隨。

表2 不同展開速度下智能跟隨氣浮車的跟隨情況Table 2 Following situation of intelligent follow air floatation vehicle under different deployment speeds

2）氣浮運動摩擦阻力測試。

模擬負載放置在智能跟隨氣浮車的氣浮托架上后，使用測力計測量氣浮托架沿X、Y方向緩慢運動時的摩擦阻力。三維空間展開機械臂小臂和模擬負載的總質量為122.5 kg，按照氣浮運動摩擦阻力不應超過產品重力的1‰的要求可知，氣浮運動摩擦阻力應小于1.22 N。對智能跟隨氣浮車X、Y方向的氣浮運動摩擦阻力進行3次測量，結果如表3所示。結果表明，智能跟隨氣浮車的最大氣浮運動摩擦阻力為0.92 N，滿足使用要求。

表3 智能跟隨氣浮車氣浮運動摩擦阻力測試結果Table 3 Test results of air flotation friction resistance of intelligent follow air floatation vehicle單位：N

3）垂直方向阻力波動量測試。

模擬負載放置在智能跟隨氣浮車上后，通過增減砝碼來調整配重質量，以使其剛好緩慢移動。配重每移動200 mm調整一次砝碼質量，并對當前砝碼質量進行記錄。三維空間展開機械臂小臂和模擬負載的總質量為122.5 kg，按照垂直方向阻力波動量不得超過產品重力的2%的要求可知，垂直方向阻力波動量應小于24.5 N。通過分析表4中的砝碼質量可知，智能跟隨氣浮車垂直方向阻力波動量不大于9.2 N，滿足使用要求。

表4 智能跟隨氣浮車垂直方向阻力波動量測試結果Table 4 Test results of vertical resistance fluctuation of intelligent follow air floatation vehicle

4）展開方向附加阻力測試。

在三維空間展開機械臂大臂展開、大臂回轉、小臂和模擬負載展開三種工況下分別對智能跟隨氣浮車進行展開方向附加阻力測試，結果如表5所示。測試結果表明智能跟隨氣浮車展開方向附加阻力的最大值為4.74 N，滿足小于5 N的要求。

表5 智能跟隨氣浮車展開方向附加阻力測試結果Table 5 Test results of additional resistance in the deploymentdirection ofintelligentfollow air floatation vehicle 單位：N

3.2 微重力模擬展開試驗

利用本文研制的多自由度微重力模擬展開試驗系統，對某三維空間展開機械臂進行了地面微重力模擬展開試驗，試驗現場如圖8所示。在試驗過程中，完成了該三維空間展開機械臂在水平和豎直兩個相交平面內的三維空間展開運動。共進行2次模擬展開試驗，大臂垂直懸吊裝置上2個力傳感器測得的數據如表6所示。由表6中數據可知，在整個微重力模擬展開試驗過程中，即三維空間展開機械臂從初始狀態到全部展開鎖定的過程中，2個力傳感器測得的卸載力變化較小，總卸載力最大變化了13 N，卸載質量為39.2～40.8 kg。三維空間展開機械臂的總質量約為40.2 kg，通過計算可知多自由度微重力模擬展開試驗系統的重力補償精度為1.47%～2.59%，表明該系統可滿足重力卸載效率優于95%的要求。

圖8 某三維空間展開機械臂的微重力模擬展開試驗現場Fig.8 Microgravity simulation deployment test site of a three-dimensional space unfolding robotic arm

4 總結

大型空間可展開機構廣泛應用于太陽能電池陣、空間天線、星載雷達及空間站等眾多空間領域，與之相匹配的地面微重力模擬展開試驗技術也受到越來越多的關注。地面微重力模擬展開試驗技術的進步可推動大型空間可展開機構的發展。本文設計了一種基于懸吊法和氣浮法的多自由度微重力模擬展開試驗系統，其不僅能夠實現三維空間展開機械臂的三維軌跡微重力展開，而且對機械臂產生的氣浮運動摩擦阻力（由氣浮托架產生）小于機械臂重力的1‰，垂直方向阻力波動量不超過機械臂重力的2%，展開方向附加阻力小于5 N，卸載效率高于95%，能夠最大程度地驗證機械臂的各項性能指標，這可為多自由度空間可展開機構的地面模擬展開試驗研究提供重要參考。

表6 三維空間展開機械臂微重力模擬展開試驗結果Table 6 Microgravity simulation deployment test results of three-dimensional space unfolding robotic arm 單位：kg