空間機械臂維修性系統設計與評價體系的構建

朱超，孔旭，胡成威，唐自新，李德倫，王友漁，王康

北京空間飛行器總體設計部 空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094

空間機械臂是深入開展載人航天活動必不可少的工具，在空間系統中承擔著艙段轉位與對接、輔助航天員艙外作業，艙外狀態檢查以及設備轉移與安裝等任務。空間機械臂的在軌維修是指航天員出艙開展艙內外多方協同工作，通過維修操作保障其達到壽命及可靠性的指標要求。

由于空間機械臂承擔任務較多，艙體覆蓋范圍較廣，故障工況較復雜，維修時機不確定，產品體積較大，導致對其維修過程中需求特定的輔助設備、航天員多人協同操作，流程設計復雜。同時調研工作顯示目前國內還沒有針對空間機械臂維修性的系統性研究，對空間機械臂維修性設計與評價體系的構建研究對機械臂的系統設計具有重要意義，填補了國內空間機器人維修性體系的空白，后續可作為空間機械臂在軌維修性設計工作的參考[1-2]。

1 維修性設計與評價體系

機械臂維修性是一項系統性工程，受空間艙體、機械臂構型、故障位置、腳限位器位置、維修工具設備、航天員人服能力等因素限制，機械臂維修變得異常復雜，一旦維修失敗，將會影響正常的在軌運營。

根據空間機械臂維修性工程經驗，建立了機械臂“設計-驗證-設計-評價”全周期系統性的維修性設計與評價體系，如圖1所示，根據維修性系統設計體系進行維修性設計-驗證-再設計的循環管理，再根據維修性評價體系，三類評價人員模擬在軌維修操作場景分別開展維修評價，最終根據評價指標中的不合格項進行設計迭代,最終保證空間機械臂維修方案的可行性[3-8]。

空間機械臂維修性系統設計與評價體系的建立對機械臂維修具有重大意義，后續空間機械臂維修可按照特定的體系要求規范開展實施。

2 維修性系統設計體系

空間機械臂維修性系統設計體系，如圖2所示，包括維修性管理、維修性設計、維修性驗證3個方面，維修性設計是根據維修性原則，將維修性需求、維修性約束條件轉化為維修性系統設計的過程。維修性驗證是檢驗產品是否達到規定的維修性要求，通常由設計方或設計方與使用方聯合開展。維修性管理將維修性設計、驗證工作進行有機銜接通過工程實施達到維修性目標[9-10]。

2.1 維修性管理

2.1.1 全周期要素分析

空間機械臂維修需要空間、機械臂、航天員、載人飛船、貨運飛船、地面測控等密切配合，因此對機械臂維修性全周期的要素進行詳細的分析梳理，才能保證航天員的安全風險降到最低，維修性的可靠性提升。

2.1.2 項目規劃

空間機械臂維修性，從機械臂故障處置，貨船維修備件上行，機械臂構型變換，維修時機計算，航天員出艙維修，故障件帶回等進行系統性項目規劃，理清每個項目中的工作內容和保障條件。

2.1.3 指標分配

機械臂維修性指標，主要是指航天員在維修過程中的可達性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標識等指標。因此在設計初期將這些指標分配至各個操作環節，逐次進行驗證,如圖3所示。

2.1.4 設計要求

機械臂維修性設計至少需滿足以下要求：

1) 釆用標準的、簡化的結構和外形，維修應釆用簡單明確的操作方式和操作程序。

2) 維修更換件應標準化、模塊化，提高互換性和通用化程度，且應降低維修更換件種類和數量。

3) 待維修的機械臂組件應可達，其標識及顯示信息應可視。

4) 根據航天員維修任務和操作方式，維修作業區域內應為手部或上肢提供足夠的操作空間。

2.1.5 設計評審

空間機械臂維修性設計評審，主要包括對機械臂維修性規劃、設計、驗證等進行嚴格評審，保證機械臂維修性設計的有效性，以及整個維修方案的正確性。

2.2 維修性設計

2.2.1 需求分析

空間機械臂主要ORU為末端執行器、關節、中央控制器。如果ORU工作期間可靠性低發生故障，工作期外壽命滿足不了要求，需要視情開展維修工作。如果發生微流星撞擊等突發事故，屬于小概率事件，需要根據發生的具體情況視情開展維修。

2.2.2 設計原則

機械臂維修由于其復雜性，需要3名航天員協同操作，涉及航天員的安全問題作為維修性的第一原則。同時，為確保在軌維修任務可行、可靠，機械臂在單個ORU發生一次故障時開展維修；并且優先從氣閘艙出艙，維修工作在艙I維修作業點開展作業。

2.2.3 策略設計

機械臂維修策略主要分為維修類型、維修級別、維修層次、維修周期和維修優先級。針對不同故障件的維修復雜程度，分析對應的故障模式，采用預防性維修。機械臂各產品均為模塊化設計，當出現故障時，維修級別為II級維修，維修層次為整機級、組件級；由于產品出現故障的隨機性，機械臂維修周期主要根據故障情況而定。當多個故障同時出現時，根據產品重要程度依次從中央控制器、關節、末端執行器開展相應維修任務。

2.2.4 總體方案

當機械臂在軌工作時出現故障，首先應依據故障類別采取相應的處置對策，包括暫時停止當前作業，進行故障定位、分析及處理等，進行切換備份，或者降額使用，最后機械臂協助航天員出艙開展維修任務[11-15]。

維修任務啟動后，需要2名航天員出艙、1名航天員艙內協同配合。第1次出艙機械臂從節點艙或者氣閘艙出艙口轉移2名航天員、維修設備和工具到維修作業點，完成維修前的工作搭架；第2次出艙2名航天員到達維修作業點，分別站在機械臂故障件兩側，對機械臂開展故障件的拆卸，以及維修備件的安裝。第3次出艙航天員將故障件帶回，最終完成一次完整的維修任務。機械臂維修任務規劃如表1所示。

表1 機械臂維修出艙任務規劃

2.2.5 時間預估

機械臂維修工作受出艙時間的嚴格約束，需要在規定時間內完成，否則造成航天員的安全風險。對于機械臂機械性能下降，視情況開展維修工作，維修時間取決于系統不受影響可接受時間。對于機械臂電子設備故障，主份失效，可切至備份，維修時間沒有限制，若備份失效，或者無備份設計，維修時間取決于系統不受影響可接受時間。

2.2.6 接口設計

機械臂維修的主要對象間主要通過快速連接裝置進行連接。故在機械臂發生故障時，為了簡化設計，減少維修用專用工裝的種類及數量，采用基于快速連接裝置進行改進設計的思想，將關節、末端的更換工裝進行統一。在快速連接裝置上設計通用的工裝安裝接口，如圖4所示，將專用工裝固定在快速連接裝置上，可以實現機械臂任意構型、任意接口的更換。

2.2.7 故障處置

機械臂故障時，假設每次僅發生單重故障，同時1個關節故障時，其他關節仍然可以加電轉動。因此出現故障時，機械臂統一進行處置，先暫停當前作業，通過機械臂ORU維修故障項目快速進行故障定位并進行診斷，最終切換備份控制器或降額使用，通過爬行或直接變成預防性構型，開展航天員出艙的維修工作。

2.2.8 工具設計

為了輔助航天員拆卸故障部件、安裝新部件，并且在部件維修過程中，維持機械臂的整臂姿態，需要設計維修工具。機械臂維修性工具主要分為專用維修裝置和專用拆卸工具，如圖5所示。

專用維修裝置采用模塊化設計，利用維修接口適用于不同類型ORU，主要分為分離機構和隨動機構2大部分，可以實現故障ORU沿著2個垂直方向的分離與對接。專用拆卸工具主要為膨脹螺栓拆卸工具，松不脫拆卸工具。

2.2.9 流程設計

由于機械臂發生故障時在空間艙外的位置不確定，故障構型不確定，需要航天員攜帶維修設備出艙，2名航天員出艙在指定維修作業點占位完成后開展相應的維修工作。維修流程如下：

1) 故障檢測：依據維修判據，確認故障原因、位置，并進行故障處理并決策。

2) 維修準備：準備需要的工具、ORU備件、維修操作手冊等。

3) 航天員出艙：將腳限位器、操作臺、備件、工具等轉移到工作區域并固定。

4) 控制機械臂運動到維修構型。

5) 工作模式設置：明確故障狀態，確定故障前的加斷電模式，整臂斷電。

6) 航天員出艙：通過艙外爬行，運動到維修工作點。

7) 維修操作步驟：根據ORU的維修手冊操作步驟，由航天員開展維修工作。

8) 維修后狀態設置：通過在軌設置或地面操作進行維修后電性能狀態的確認。

9) 航天員返回艙內：攜帶更換后的故障設備、維修工具，返回艙內。

2.3 維修性驗證

2.3.1 驗證規劃

為驗證機械臂在軌維修方案的正確性、維修流程的合理性、維修裝置的可行性、維修過程中的人機工效，獲取維修過程的重要數據，需要對其開展相應的維修性驗證規劃，包括維修性仿真驗證、氣浮及懸吊零重力驗證、維修性著服驗證、中性水槽試驗、以及在軌維修性驗證，如表2所示。

表2 機械臂維修性驗證規劃Table 2 Maintainability verification planning of manipulator

2.3.2 驗證項目

利用空間三維仿真環境及人機工效仿真軟件，控制航天員的運動范圍和操作動作，實現對維修操作的可視性、可達性、可操作性、安全性進行驗證[16-17]，如圖6所示。

2.3.3 零重力驗證

利用氣浮工裝及懸吊零重力等方式在地面搭建維修零重力環境，模擬航天員的人機工效，按照維修流程開展相應的地面維修試驗。

2.3.4 著服驗證

模擬航天員著服情況下真實對機械臂故障ORU進行操作，驗證其著服情況下的可達性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標識等指標，如圖7所示。

2.3.5 水下驗證

利用中性水槽試驗，通過航天員和航天服實施配重，產生的浮力抵消航天員在水中的重力，幫助航天員完成機械臂的維修任務，保證航天員實現在空間的零重力狀態[18]。

2.3.6 在軌驗證

由于機械臂維修的復雜性，以及寶貴的在軌飛行驗證環境，在軌后組織相關的試驗進行驗證，主要針對機械臂維修的典型操作、關鍵環節等進行檢驗，進一步驗證維修設計的正確性。

3 維修性評價體系

機械臂維修性評價，是在前期設計與驗證的基礎上根據機械臂維修流程在地面搭建真實場景對維修操作進行逐一評價，一般由評價方和工程方共同組織實施。

由于機械臂設計復雜，涉及維修產品較多，影響面較廣，因此空間機械臂維修性評價體系根據不同評價人員主要分為志愿者評價、飛行工程師評價、航天員評價三大部分[19-21]，如圖8所示。

志愿者、飛行工程師、航天員3類評價人員依據產品在軌操作流程在地面開展真實操作評價，通過提交文檔評價、文檔審查、進入受理序列、評價窗口預約、產品及現場準備、技術狀態確認、志愿者培訓、正式評價、評價結論輸出、雙方溝通等環節進行迭代評價。同時，安排航天員乘組對機械臂維修操作項目提前學習培訓、評價或體驗，通過航天員在軌經驗，進一步驗證機械臂維修設計的合理性。

4 以某機械臂中央控制器為例的維修性設計與評價

4.1 在軌維修性設計

當中央控制器在軌工作時出現故障，首先停止當前作業，故障定位、分析及處理后進行切換備份，最后決策機械臂協助航天員3次出艙開展維修任務，維修出艙的任務規劃如圖9所示。

依據中央控制器出艙任務規劃進行詳細的流程設計，并對每步操作進行維修性指標的分配，比如可達性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標識等指標。利用JACK仿真軟件先進行維修構型的仿真，再逐個操作步驟按照不同指標進行驗證，通過多輪仿真迭代，確定最終的維修構型，以及整個維修任務的可行性，如圖10 所示。

4.2 地面維修性評價

為進一步驗證維修性設計的正確性，在地面開展了著艙外服加壓條件下的志愿者、航天員評價。針對中央控制器真實在軌維修流程，在EVA現場進行驗證試驗，模擬真實操作。

利用關節、中央控制器模擬件搭建維修場景。航天員站于兩側完成掛便攜式安全帶、關節轉動、膨脹螺栓擰松/緊、膨脹螺栓擰松/緊、中央控制器分離/對接、維修裝置安裝拆卸、中央控制器斷電、加電測試、轉動測試、故障件固定、維修備件取下等操作。評價現場整體搭建場景如圖11所示。

某空間機械臂中央控制器通過地面維修性評價，共計41大項，根據不同評價指標給出評價結論共計403項，其中評價結論為合格330項，不合格73項，合格率為81.89%。

具體不合格項指標分析，如圖12所示，按照不合項次數由多到少統計，依次為操作空間、可達、操作反饋、標識、防誤、輔助措施、操作力、倒邊、倒角、可視、對位、防漂離。其中操作空間、可達性、操作反饋、標識4項指標不合格居多，影響最大是操作空間問題高達25項。

目前中央控制器針對評價不合格項已迭代改進設計，后續將開展評價。

5 結 論

通過對中國空間機械臂在軌維修需求的分析，為保證空間在軌可靠運行，開展空間機械臂維修性設計與評價工作。根據工程實踐總結的經驗，建立了機械臂“設計-驗證-設計-評價”全周期系統性的維修性設計與評價體系，對空間機械臂維修性系統設計體系、維修性評價體系分別展開了系統研究，為后續空間機械臂維修性的設計與評價提供了體系借鑒和工程指導。