空間大型機械臂地面測試驗證方案設計與實現

胡玉茜 劉賓 吳志紅 周永輝 張思博

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

隨著空間技術的飛速發展,特別是空間站、地外星體基地建設等項目的誕生和應用,空間大型機械臂作為空間飛行器在軌服務、支持的一項關鍵技術,已越來越多地應用于空間設施建設中。多信息感知融合技術的發展,以及智能化技術的應用,對具有運動特性及自主管理功能的空間大型機械臂的測試,也提出了越來越高的要求[1-3]。

機械臂執行的在軌任務,需要在地面完成測試與驗證。但是,由于受到地面重力的影響,對于空間大型機械臂,無法在單一地面工況模擬空間零重力環境,完成所有構型下的全過程在軌任務測試與驗證[4]。目前,已經在軌使用的國外空間大型機械臂(長度在10 m 以上),由于各種條件限制,主要以仿真(包括數學仿真和半物理仿真)為手段,開展任務級的測試驗證;而基于實物的測試驗證則主要依靠部件級的驗證和有限自由度的物理試驗開展。日本臂采用了氣浮臺上的物理臂測試,也只著重驗證了3自由度;歐洲機械臂(ERA)采用2維懸掛只是逐一進行單關節運動,均存在一定的局限性[5-9]。針對十幾米長的大型機械臂,帶有大負載的在軌工況(負載質量大于20 t),更難以真實模擬機械臂承受的動態大負載載荷[10-12]。如何解決以上難題,對空間大型機械臂地面測試與驗證技術提出了更高的要求[13-15]。本文對空間大型機械臂測試驗證進行分析,充分結合半物理仿真測試、桌面軟連接測試、2維氣浮臺測試和3維懸掛臺測試4種方式,進行了空間大型機械臂綜合測試方案的設計與研究。通過該測試方案,可以結合半物理仿真驗證與全物理測試結果,多維度開展大型機械臂運動特性的測試與驗證,并且開展真實運動環境下的軟件、硬件匹配測試,覆蓋運動條件下的大型機械臂數據流與控制流測試,在地面完成空間大型機械臂的功能、性能測試。

本文首先對測試對象組成和測試需求進行了分析,介紹了測試驗證流程和測試驗證系統設計;通過實例驗證了地面測試驗證方案具有較好的通用性和測試性,對后續開展空間智能機械臂的測試與驗證具有借鑒意義。

1 測試對象分析

1.1 機械臂組成

空間大型機械臂長度超過10 m,具有7自由度,質量超過400 kg,負載能力達到25 t。它包括2個末端、7個關節、1個中央控制器、3臺相機、1個以太網交換機,具備視覺測量、力傳感控制等功能,系統間通過1553B總線進行通信,人員可通過艙內在軌操作臺進行操控,圖像數據通過以太網傳送到測控分系統下傳。關節的配置采用“肩3＋肘1＋腕3”方案,這種對稱的結構可在航天器艙體表面實現肩、腕互換的位置轉移,即“爬行”。末端執行器能夠實現對目標的捕獲、鎖緊和釋放,相機可對目標實現識別和位姿測量功能,中央控制器對機械臂運動進行路徑規劃和控制。其組成示意見圖1。

圖1 空間大型機械臂組成示意Fig.1 Components of a large space manipulator

1.2 機械臂測試需求分析

空間大型機械臂由于其自身尺寸大、負載慣量大、控制器多、跨接總線多、供電方式多等因素,對測試提出了更高要求,其特點如下。

(1)尺寸大質量大,運動模式復雜,裝配成可在2維平面運動的臂至少需要1個月時間,各部件的功能匹配必須在裝臂前完成測試,避免出現產品問題而拆裝的現象,需要設計能夠全面測試運動模式的工況。

(2)控制器多,控制流復雜,在軌自主任務多,需要對控制器之間的協同匹配工作進行測試。但是,不帶上執行機構的控制器工作狀態并不真實,無法驗證系統自主工作功能,需要設計能夠覆蓋各種運動模式下控制流的測試工況。

(3)跨接總線多,信息流交互復雜,支持單臂工作、多臂組合的多種工作模式,信息流、視頻流可以通過1553B總線、以太網進行交互,各種總線上的數據交互正確性需要驗證。

(4)負載慣性大,地面模擬復雜,載荷質量超過20 t,載荷體積大,由于地面重力的影響,在整臂條件下開展機械臂帶載3維運動功能測試難以開展,需要測試到7自由度運動工況。

(5)供電方式多,空間機械臂在軌可以進行“爬行”功能,能夠雙端供電,多供電方式的可靠切換也是測試的要點。

2 測試驗證方案設計

綜合以上分析,本文設計了空間大型機械臂測試驗證方案。根據機械臂的運動特點,規劃4個測試階段,分別完成不同層面功能性能的測試。這4個測試階段包括:以控制器在環的半物理仿真測試,驗證機械臂軟件系統控制功能;以桌面軟連接的真實產品(帶驅動機構)測試,驗證機械臂運動規劃、任務時序、碰撞檢測等功能;以2維氣浮平臺整臂運動測試,驗證機械臂整臂性能和典型任務;以3維懸掛平臺小角度展開測試,驗證機械臂7自由度運動能力。測試矩陣見表1。

表1 空間機械臂測試驗證模式矩陣列表Table 1 Matrix table of space manipulator testing and verification mode

2.1 測試驗證流程設計

對于空間大型機械臂,單一的全物理驗證方法、半物理驗證方法、仿真驗證方法都只能完成部分功能或者性能的驗證。因此,合理安排半物理和全物理測試驗證流程,對于覆蓋機械臂的測試是最為有效的方法。本文以控制器在環的半物理仿真測試驗證軟件控制功能,以桌面軟連接的真實產品驗證系統功能,以2維氣浮平臺整臂試驗驗證系統重要性能和典型任務,以3維懸掛平臺驗證整臂7自由度運動能力。空間大型機械臂地面測試過程見圖2。

圖2 空間大型機械臂地面測試驗證過程Fig.2 Ground testing and verification process of a large space manipulator

(1)半物理仿真測試。以真實的控制器接入實時仿真模型開展,測試重點為運動控制類軟件。半物理仿真測試在控制器交付前即完成單個控制器的運動及控制功能測試。由于仿真測試對模型的準確度要求很高,仿真模型將隨著整臂的設計不斷的修正和迭代,同時在軌任務可擴展,因此半物理仿真測試會一直根據任務需求持續開展。

(2)桌面軟連接測試。控制器與運動部件裝配在機電一體的產品上,產品之間采用電纜軟連接方式。軟連接狀態包括除臂桿之外的全部產品,關節、末端等運動產品不受運動范圍等的約束,可以模擬3維空間中空載下的機械臂運動。此時,通過3維顯示軟件,可以測試機械臂在3維空間7自由度的運動和控制功能,能夠驗證機械臂視頻流、控制流、總線信息流、工作模式控制、路徑規劃控制、關節驅動控制、視覺伺服控制、末端捕獲控制、碰撞檢測控制等功能,為后續開展整臂測試提前完成電接口、信息接口的匹配性及軟件功能、時序匹配等測試,使電性能得到充分驗證。

(3)2維氣浮平臺功能性能測試。真實產品通過臂桿連接,完成整臂裝配后,全物理整臂的功能性能測試在氣浮平臺上開展,通過氣浮裝置可以模擬微重力環境,開展機械臂在2維平面運動的功能、性能指標測試,完成全物理臂的多模式控制功能、末端抓取功能、路徑規劃功能、視覺伺服功能、組合功能、協同功能的測試,對整臂典型任務、自主管理程序等進行測試和驗證。

(4)3維懸掛平臺機械臂測試。在空載下測試機械臂在3維空間的7自由度運動功能,機械臂以初始壓緊狀態,按照在軌展開時序,進行7個關節的小角度展開運動模式測試,能夠測試機械臂裝配成整臂后7個自由度的運動,是整臂裝配至艙體之前的驗證測試。

2.2 測試驗證系統設計

空間大型機械臂地面測試驗證系統包括測試系統、桌面軟連接系統、2維氣浮零重力系統及3維零重力懸掛系統。

2.2.1 測試系統

測試系統包括半物理仿真測試系統、電性能測試系統和試驗測試系統,見圖3。機械臂測試系統的特點包括:①具備半物理仿真功能,在單機裝配前完成對機械臂控制器的控制功能測試,驗證控制器的自身控制功能;②具備多模式總線測試、多路視頻流測試功能,能夠驗證機械臂多級總線數據交互和多種信息流傳輸功能;③具備多端供電功能,能夠驗證機械臂在軌“爬行”功能,驗證供電、信息流、視頻流的可靠切換;④具備機械臂3維空間運動實時可視化顯示功能,能夠在軟連接下構建機械臂3維運動場景,驗證機械臂空間運動功能;⑤采用非接觸式測試系統,對運動精度等性能指標進行測試,驗證裝配后機械臂的運動性能。

圖3 測試系統組成框圖Fig.3 Block diagram of testing system

半物理仿真測試系統通過模型標定和驗證,建立能夠反應產品實際工作狀態的仿真模型,通過仿真機械臂2維平面測試狀態和3維空間在軌工作狀態,開展控制器運動功能的測試驗證工作,重點在機械臂軟件的測試。經過半物理仿真系統驗證過的控制器,與運動結構組成單機后,按照物理連接的邏輯關系,通過電纜之間的軟連接組成物理臂,或者在2維氣浮平臺上采用臂桿連接組成物理臂;物理臂可采用電性能測試系統進行測試,電性能測試系統支持機械臂多端供電,負責數據和指令信息的管理,統一數據中心完成全周期試驗測試數據的管理,提供3維實時顯示和友好用戶操作界面。由于空間大型機械臂需要在地面進行遙操作控制,電性能測試系統也能支持遙操作接口,完成大時延下機械臂地面手柄操作控制測試。機械臂運動精度等指標需要采用特定的試驗測試系統完成測試,試驗測試系統為測量位姿精度、運動速度、運動加速度、目標位姿等性能參數的大范圍非接觸式測量設備,對機械臂位姿精度進行測試,將處理好的試驗數據實時存入電性能測試系統的統一數據中心。

(1)半物理仿真測試系統(見圖4)。大型機械臂難以在地面實現3維任務運動驗證,通過采用控制器在環的半物理仿真驗證系統,可以脫離真實執行機構和運動機構的約束,對控制器真實軟件和運動控制功能進行測試與驗證。在半物理仿真系統中,控制器電子組件為真實產品,通過實時仿真系統模擬空間機械臂(稱為數字臂),通過模型注入模擬機械臂運動功能,實現產品實時仿真,從而達到硬件在環的驗證能力。另外,還可以開展整臂視覺自主運動模式測試、奇異狀態測試、整臂運動干涉狀態測試、接觸碰撞檢測等運動功能的測試驗證。

圖4 半物理仿真系統組成框圖Fig.4 Block diagram of semi-physical simulation system

(2)電性能測試系統(見圖5)。它采用分布式網絡結構,集成前端設備直接與機械臂相連接,總控設備負責數據和指令信息的管理,統一數據中心完成全周期試驗測試數據的管理,多任務測試平臺提供3 維顯示及友好的用戶界面,完成測試任務規劃、測試數據判讀、測試結果比對及分析。視頻監視設備接收肘部相機、腕部相機和對接相機數據中網絡格式的高清視頻,進行解析、存儲、解碼、視頻還原和播放顯示。總線監視設備監視所有總線數據流,并可以有選擇地實時顯示指定的消息內容,同時將所有發送給機械臂的運動指令傳送給數字臂。

圖5 電性能測試系統示意Fig.5 Schematic diagram of electric performance testing system

(3)試驗測試系統。它進行機械臂在2維平面的運動性能測試,是測量位姿精度、運動速度、運動加速度、目標位姿等性能參數的大范圍非接觸式測量設備,比如激光跟蹤、經緯儀等設備,該類設備獲取機械臂試驗過程的數據,將處理好后的試驗數據實時存入統一數據中心,進行實時記錄歸檔,以便自動生成測試報告和判讀結果,提高數據分析比對能力。

2.2.2 桌面軟連接系統

空間大型機械臂裝配工作復雜,在開展機械臂系統裝配前,需要對機械臂開展軟連接狀態下的測試工作,驗證整個機械臂電性能接口、功能、任務時序的匹配性。桌面軟連接系統(見圖6)采用雙層支架車,可開展機械臂桌面級系統聯合測試。按照物理連接構型擺放機械臂設備,提供桌面支座支持,產品間采用電纜進行軟連接,可支持機械臂捕獲裝置的捕獲、拖動、鎖緊與釋放功能測試。支架車上設有電纜防磨損裝置,防止測試過程中關節轉動導致的電纜磨損。

圖6 桌面軟連接系統示意Fig.6 Schematic diagram of desktop flexible connection system

2.2.3 2維氣浮零重力系統

2維氣浮零重力系統(見圖7)采用氣浮支撐方案實現機械臂在地面狀態下2維平面的零重力環境模擬。該套系統具備對每個獨立機械臂部件的重力補償功能,可對每個單獨部件實現零重力環境模擬;可以隨機械臂運動一起正常行走,在機械臂運動過程中實現對機械臂及各核心部件的重力卸載,不對機械臂運動特性產生影響。它主要包括零重力工裝、可視化力采集系統和供氣系統。在2維平面零重力環境下,可以完成機械臂整臂功能及典型任務驗證。

圖7 2維氣浮零重力系統Fig.7 2-dimension zero-gravity system using air flotation

2.2.4 3維零重力懸掛系統

2維平面只能驗證3個關節在平面內的運動功能,無法覆蓋7個自由度運動的功能。3維零重力懸掛系統可以在小角度范圍內消除重力對運動測試的影響,實現機械臂的7自由度運動驗證。該系統具備力、運動速度和位移測量能力,主要由支撐裝置、懸掛控制裝置、隨動裝置和監測分析裝置組成。

3 測試驗證實例

本文設計的空間大型機械臂測試驗證系統,已經完成了我國空間站大型機械臂的地面測試與驗證任務。對空間站大型機械臂功能性能指標、典型任務開展了協議層面、功能層面、任務層面及性能指標等方面的驗證。

采用以上測試驗證系統進行測試,在多關節聯動、視覺伺服、帶8 t負載情況下,分別給出實際記錄的多關節運動實際角度曲線、末端運動位置曲線和單關節運動實際角度曲線,分別如圖8、圖9和圖10所示。可以看到:試驗結果與規劃基本一致,測試試驗可以對空間機械臂進行有效驗證。相比于試驗結果,規劃下各關節角度曲線、末端沿滾動軸運動位置曲線更加平滑,這是因為實際運動中,機械臂真實運動存在一定的動態過程。

圖8 多關節運動模式下實際角度與規劃角度對比Fig.8 Comparison of real angle and planning angle in multi-joints movement mode

圖9 視覺伺服下實際位置與規劃位置對比Fig.9 Comparison of real position and planning position in visual servo mode

圖10 帶負載下單關節運動模式實際角度與規劃角度對比Fig.10 Comparison of real angle and planning angle in single-joint movement mode with load

4 結論

本文對空間大型機械臂測試驗證方案進行了分析,設計了仿真與物理驗證相結合的測試系統;充分結合半物理仿真驗證、桌面軟連接測試、2維氣浮臺測試和3維懸掛臺測試4個階段,開展了空間大型機械臂的測試與驗證,解決了空間大型機械臂地面測試驗證面臨的覆蓋性、充分性和有效性等難題。機械臂已圓滿完成在軌測試工作。該測試驗證方案具有以下特點。

(1)結合半物理仿真驗證與全物理驗證結果,覆蓋大型機械臂多總線交互的控制流、信息流、視頻流的測試與驗證。

(2)采用桌面軟連接、2維氣浮臺測試與3維懸掛臺驗證相結合方式,可以在地面驗證空間大型機械臂的運動功能、碰撞檢測功能和奇異檢測等功能。

(3)測試驗證系統提供3維顯示,可以在桌面軟連接狀態下,對空間大型機械臂的真實運動環境進行3維顯示,驗證機械臂自主任務規劃等功能。

(4)測試驗證系統具備可擴展接口提供直觀的顯示與操作引導功能,可以為在軌遙操作實現提供直觀、可靠的支持。

(5)測試驗證方案適用于其他空間智能機械臂產品的地面測試,只需要根據空間機械臂功能和任務特點進行適應性裁剪即可。