空間機械臂三維全物理地面試驗方法研究

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；2.哈爾濱工業大學航天學院，哈爾濱 150001)

1 引言

在軌空間機構工作在失重環境而在地面受重力環境影響，性能發生顯著變化，甚至無法開展試驗。為測試考核在太空中失重環境下的運動性能，研制一套能夠對失重環境進行模擬的裝置對于空間探測任務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；常規氣浮式仿真系統只能提供兩維空間的運動模型；水浮法維護費用較高，流體阻尼影響被測對象的運動性能。

中國大型空間機械臂具有7個自由度，地面模擬零重力試驗需要實現在三維空間中7個自由度的全物理運動模擬，上述3種方法單獨都難以實現。

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＋懸吊的方法實現空間機械臂三維空間、七自由度運動的全物理地面模擬，并通過測試試驗驗證所提出方法的有效性。

2 空間機械臂情況概括

中國空間站大型機械臂具有7個自由度，臂長約10 m，如圖1所示。主要包括7個關節、2根臂桿、1個中央控制器、2套末端執行器以及一套視覺相機系統，所有關節均為轉動關節，關節的配置采用肩3＋肘1＋腕3構型方案。關節采用模塊化設計，其結構形式完全相同。

圖1 空間機械臂構型Fig.1 Configuration of space manipulator

3 零重力模擬系統設計

該零重力模擬系統利用氣懸浮原理抵消重力，并通過懸吊和配重實現轉動自由度和鉛垂自由度的零重力模擬，最終在氣浮平臺上實現了機械臂的三維空間運動動模擬。零重力模擬系統包括配氣系統、氣浮支撐裝置、氣浮平臺以及可視化力監測系統。

3.1 配氣系統

配氣系統由氣泵產生高壓氣體，并通過氣管輸送給配氣柜，由配氣柜進行過濾、調壓后進行氣路轉換，輸出多路恒定穩定壓力氣體，提供給各氣浮支撐裝置的氣足，用以抵消重力影響。配氣系統可實現供氣壓力實時顯示、管路壓力獨立調節等功能，滿足裝配及運動測試需要。通過對氣足與氣浮平臺之間的氣膜仿真分析，設計配氣系統壓縮空氣的輸出壓力為0.6～0.8 MPa。配氣柜實物狀態如圖2所示。

圖2 配氣柜實物圖Fig.2 The photo of gas distribution

配氣系統上設有氣源截止閥、泄壓閥，實現對供氣及輸出氣的截止及配氣柜內部管路的泄壓，防止配氣柜內部管路壓力殘留。

3.2 氣浮支撐裝置

基于被動的氣浮方案實現大臂在地面狀態下的平面零重力模擬。局部采用配重法及相似懸吊法實現整臂末端和回轉關節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。經分析比較，采取多孔質氣足設計，相比傳統的小孔節流氣足以及表面節流氣足等方式，氣足表面壓力分布均勻，物體懸浮更加穩定，而且使得應力集中等問題大為緩解，承載能力以及氣足過縫能力提高。

根據機械臂工作模式、運動模式、裝配方案及收攏壓緊姿態，將機械臂分成了3個運動組份，包括肩部運動組份、肘部運動組份、腕部運動組份。針對每個組份分別進行氣浮支撐裝置設計，確保各部分均可實現微重力受力狀態。

結合機械臂地面試驗構型以及艙上收攏壓緊構型，分析機械臂構型轉換過程，將肩部運動組份分成肩部運動組份支撐工裝分成肩部轉動組份支撐工裝及肩部俯仰運動組份支撐工裝，因此氣浮支撐裝置分為4部分:肩部轉動組份支撐工裝、肩部俯仰運動組份支撐工裝、肘部俯仰運動組份支撐工裝、腕部運動組份支撐工裝。

機械臂各關節及末端執行器均設置有內部的力傳感器，用于監測產品工作時的受力情況，為保證各單機之間不受額外裝配應力，單機力傳感器不受額外干擾，在氣浮支撐工裝與各單機連接環節之間設計力傳感器，用以檢測單機受力。

3.2.1 肩部轉動組份支撐工裝

肩部轉動組份支撐工裝用于實現肩部末端執行器、肩部回轉關節單獨實現零重力狀態；支持肩部回轉關節帶動肩部末端執行器進行大范圍轉動；支持組合體繞肩部回轉關節固定軸軸線(即肩部偏航關節動軸軸線)的轉動。肩部轉動組份支撐工裝結構如圖3所示。裝配時，將肩部回轉關節及肩部末端執行器組合體與回轉部分工裝整體調整為靜平衡狀態。

圖3 肩部轉動組分支撐工裝圖Fig.3 The shoulder rolling movement component brace tool

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

圖4 柔性裝置Fig.4 The flexible device

3.2.2 肩部俯仰運動組份支撐工裝

肩部俯仰運動組份支撐工裝用于實現肩部偏航關節以及肩部俯仰關節的零重力模擬。肩部偏航關節直接安裝在如圖5所示的關節托架上，通過4組關節支架、力檢測敏感器以及微調支架將關節與底部支架固連；肩部俯仰關節與吊板及轉動軸承連接，支持俯仰關節繞動軸的轉動運動。

圖5 肩部俯仰運動組份支撐工裝圖Fig.5 The shoulder pitching movement component brace tool

3.2.3 肘部俯仰運動組份支撐工裝

肘部俯仰運動組份支撐工裝用于實現肘部俯仰關節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現零重力狀態，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，又能實現肘部俯仰關節與中央控制器之間相對轉動時無摩擦。

圖6 肘部俯仰運動支撐工裝圖Fig.6 The elbow pitching movement component brace tool

3.2.4 腕部運動組份支撐工裝

腕部運動組份支撐工裝用于實現腕部俯仰關節、腕部偏航關節以及腕部回轉關節、腕部末端執行器的零重力模擬。如圖7所示，末端執行器與腕部回轉關節均采用平行四邊形相似吊架機構進行懸吊安裝。腕部俯仰關節通過關節連接支架、力檢測敏感器等與底部托板固連，實現零重力；腕部偏航關節通過懸吊架抵消其重力，吊點上部連接有力檢測敏感器，實時監測關節運動過程中的受力狀態；腕部末端、腕部回轉關節跟隨腕部偏航關節繞腕部俯仰關節軸線共同回轉，自身調整為靜平衡狀態。

圖7 腕部運動支撐工裝圖Fig.7 The wrist movement component brace tool

3.3 氣浮平臺

為滿足機械臂的運動要求，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，承載能力優于5 t/m，拼縫處高度差優于10μm，縫隙寬度小于0.1 mm，整個花崗石平臺平面度不大于50μm。整個氣浮平臺系統設計有隔振溝、調整環節，并配置有激光對射傳感器與報警燈，當平臺上的試驗設備移動至平臺邊緣并且遮擋住紅外線時，進行警報提示。

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

3.4 可視化監視系統

為實現對機械臂每個獨立部件的實時力檢測，在每個獨立部件的支撐位置均安裝有測力傳感器，并設計了可視化監視系統，力傳感器通過數模變送器將模擬量轉換成數字量，通過標準網線與RS485總線連接，將力傳感器的測力數值及重力抵消情況實時顯示在屏幕上，如圖9、10所示。根據使用需要，設計有歷史數據查詢功能，可對過往數據進行復查比對。

圖9 可視化監視系統檢測主機Fig.9 The test computer of visual monitoring system

3.5 零重力補償精度分析

圖10 可視化監視系統組成圖Fig.10 The composition of visual monitoring system

本試驗系統要求對每個獨立部件以及機械臂整體的零重力補償精度在95%以上，影響補償精度的誤差主要來自2個方面: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″，設關節質量為

m

，補償精度為

ε

，質量最大單機底部由4個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)所示計算結果:

結果求得

ε

=99.74%。分析結果顯示零重力模擬精度滿足指標要求。這里分析中沒有考慮摩擦的影響，考慮摩擦后，零重力實現精度會有所下降。實際試驗系統的零重力實現情況可以通過力敏感器進行監測。根據實踐經驗，對摩擦的影響預留了1%，對產品剛度的影響預留1%，因此，綜合評估零重力補償精度為97.7%。

3.6 整臂配平設計

機械臂各單機均通過受拉或受壓傳感器進行重力支撐，抵消重力影響，在氣浮臺上裝配階段各俯仰及回轉關節的受力平衡較易實現，但涉及偏航及俯仰部分運動的單機受力平衡較為復雜。

肩部末端執行器與腕部回轉關節均采用平行四邊形相似吊架機構進行懸吊安裝，如圖11所示，圖中

A

、

B

兩點為產品上安裝的滾環的吊點，

D

點為產品上的實際質心位置。為保證腕部末端執行器及腕部回轉關節在水平狀態以及上仰的過程中懸吊張力始終通過質心，實現對末端執行器的實時零重力模擬，即通過配重調整將產品上的質心由

D

點調整至

C

點，要求

C

點位于產品的回轉軸線上。

圖11 相似機構受力分析Fig.11 The mechanical analysis of similar mechanism

設產品質量為

G

，配重質量為

G

，通過質量特性測試獲得產品重量及質心位置的實測值

a

，如在

E

點上增加配重，為保證增加配重后的合質心過

C

點，則可獲得

E

點需要增加的配重質量如式(2):

其中，

b

為配重位置至

C

點位置尺寸的水平投影。在工裝設計時，保證連桿

AA′

=

BB′

，且與整體吊點

C′

到虛擬質心

C

點的連線尺寸相等，并且三者平行。肩部末端執行器及肩部回轉關節配平采取圖12所示蹺蹺板形式。同上首先通過質量特性測試，獲得肩部末端執行器及肩部回轉關節的質量特性，將二者的質心通過配平配至產品軸線上；通過測試再次獲得工裝蹺蹺板部分的質量特性，并將當前狀態工裝蹺蹺板與產品的質量疊加得到合質量

G

，以及質心位置參數

e

、

f

，在此狀態下在工裝尾部進行配重疊加，通過模型計算可得到配重質心位置參數

c

、

d

，且各參數滿足式(3)、(4):即可獲得配重質量

G

。

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

4 地面全物理試驗組裝實施

4.1 靜平衡狀態調整

為滿足機械臂運動時，不引入工裝、地面環境等因素帶來的附加力矩，對肩部末端執行器組份、肩部回轉關節及肩部末端執行器組合體組份、腕部末端執行器組份、腕部回轉關節及腕部末端執行器組合體組份提出了運動靜平衡的狀態要求，減小各組份質心相對于回轉軸線的偏心距，將不平衡力矩控制在一定的范圍內。

機械臂在進行靜平衡調試前，首先進行了單機產品的質量特性測試，確定質量及質心分布，對各參與工裝進行了稱重測試，首先通過模型計算進行配重的初步調整，然后根據測試情況進行迭代優化，最終，各部分不平衡力矩不超過4 Nm。

4.2 裝配實施

機械臂部組件數量較多，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，以確保運動的平穩性；此外裝配過程中還需要滿足減載效率要求，保證各單機之間不受較大的相互作用力，造成輸出性能損失，甚至運動損傷等。

在裝配過程中，通過以下措施保證裝配質量:

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量；

2)利用力監視系統對產品安裝狀態進行監測，在力控制為主、精度控制為輔的原則的前提下，保證各產品的連接受力不大于±5%，并盡量保證產品的裝配精度要求；

3)在整臂結構中，將臂桿兩端法蘭的安裝作為整臂裝配精度的調整環節，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，對各相對運動部分均安排了回轉運動測試，以驗證裝配結果的正確性和各關節運動的可行性。

機械臂裝配完成狀態如圖13所示，對單機初始裝配狀態、整臂裝配完成后以及氣浮臺上運動測試狀態的重力抵消情況進行整理，如表1所示。通過對比，重力抵消偏差優于5%。

圖13 機械臂裝配完成狀態圖Fig.13 The status of space manipulator assembly completion

表1 空間機械臂力監視系統傳感器數據匯總Table 1 Summary of sensor data in space manipulator monitoring system

5 三維全物理試驗演示驗證

機械臂組裝后，在氣浮臺上開展了圖14所示三維運動試驗驗證許用角度以機械臂在氣浮臺上的裝配構型為基礎進行分析，此構型下機械臂由肩至腕各關節角度依次為:-180°、﹢90°、﹢90°、＋60°、-90°、-90°、0°(表2)。

表2 空間機械臂各關節許用角度范圍Table 2 The allowable angle range of space manipulator joints

圖14 機械臂三維運動試驗狀態圖Fig.14 The experiment scene of space manipulator three-dimensional movement

以空間機械臂爬行試驗為例，試驗過程中關節角度、角速度情況如圖15、16，可以看出機械臂運動平穩順暢，試驗運行良好。

圖15 機械臂爬行試驗各關節角度Fig.15 The angles of space manipulator joints in climbing test

圖16 機械臂爬行試驗各關節角速度Fig.16 The angular velocities of space manipulator joints in climbing test

6 結論

1)系統具備空間機械臂在軌任務的地面三維全物理演示驗證能力，驗證了機械臂工作的可靠性；

2)系統卸載效率高、支撐關節范圍轉動大，滿足空間機械臂運動測試要求；

3)系統摩擦小，機械臂運動順暢無卡滯，可實時監測受力狀態，對機械臂運動測試附加誤差小。