空間站機械臂一體化關節設計與試驗驗證

李德倫， 朱 超， 張 運， 劉 鑫*， 王 康， 謝宗武

(1. 哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2. 空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室，北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

1 引言

空間站機械臂工作在空間站上，在軌執行航天器表面狀態巡檢、航天員EVA 支持、大型貨物轉運、試驗照料等任務，是空間站建造、維護和升級的核心裝備[1-2]。 國際空間站建造和運營過程中，共使用了4 條大型空間站機械臂，分別是加拿大I 臂SRMS、加拿大II 臂SSRMS[3]、日本希望實驗艙機械臂JEMRMS 和歐洲號機械臂ERA，這4條機械臂在國際空間站的建造和運營過程中發揮了重要作用。 中國設計了一套由核心艙機械臂和實驗艙機械臂組成的空間站機械臂系統，隨著核心艙機械臂的發射入軌，成為繼加拿大和日本之后第三個獨立掌握大型空間機械臂研制的國家。該機械臂長約10 m，重量約800 kg，可以操作重達25 t 的載荷，是目前中國研制的載荷最大、集成度最高、智能化程度最高的機械臂，支持地面程控操作和在軌操作臺操作等多種操作方式，并支持航天員出艙作業。

關節是機械臂實現靈活運動的直接執行部件，是保證機械臂運動精度、連接剛度、輸出力矩、工作壽命、在軌可維修性等各項核心功能和性能指標的關鍵組成設備。 本文主要對核心艙機械臂關節的系統設計與試驗驗證情況進行系統介紹。

2 關節設計

機械臂需要在艙上“爬行”，因此其關節配置采用“肩3＋肘＋腕3”的對稱方案，從肩部至腕部的自由度配置為“肩部回轉-肩部偏航-肩部俯仰-肘部俯仰-腕部俯仰-腕部偏航-腕部回轉”模式。關節采用模塊化設計的思想，除地址插頭以外，其余部分的設計均完全相同。 通過采用機電熱一體化設計、中心孔走線設計、硬件備份和冗余設計等方法，解決了關節電纜在大轉動范圍下的適應性問題，提高了關節的可靠性，滿足了在軌工作壽命和環境適應性[4]等要求。 機械臂的發射構型如圖1 所示。

圖1 核心艙械臂收攏構型Fig.1 The compact configuration of the manipulator

2.1 技術指標

關節機械臂具有運動、限位、運動控制和溫度控制等功能，主要技術指標如表1 所示。

表1 空間站機械臂關節主要技術指標Table 1 Main parameters of the joint of space station manipulator

2.2 系統組成與布局

關節需要具有運動、限位、運動控制和溫度控制等多種功能，采用設計機電熱一體化的設計思想，將關節控制、電源變換、溫度控制、智能感知等多種功能集成到一起。 針對關節工作溫度和低功耗要求，采用主動熱控與被動熱控的復合熱控方式，主動熱控主要實現關節的溫度感知與加熱，被動熱控主要實現關節的散熱和保溫。 針對運動功能，設計了雙電機提供動力源結合驅動傳動組件降速增矩的傳動方案，滿足力矩要求。 在軌可維修要求關節具有快速連接裝置，同步實現機械連接和電氣連接，并具有連接剛度高、連接精度高、連接可靠性高等特點。 針對智能感知需求，設計旋轉變壓器感知關節的角度位置信息，設計一維力矩傳感器感知關節力矩信息。 針對寬達±270°運動范圍和安全性，設計具有機電限位的雙重限位裝置，并通過保留大的中心孔，將關節電纜從關節中心孔穿行。 設計完成的關節系統組成與布局如圖2 所示。

圖2 機械臂關節組成圖Fig.2 Diagrammatic layout of manipulator joint in China space station

2.3 傳動系統設計

天和機械臂關節需要輸出高達1500 Nm 的力矩，為了滿足輸出力矩的要求，天和機械臂關節設計了一套由四級齒輪傳動組成的復雜齒輪傳動系統。 如圖3 所示，第一級齒輪傳動為雙驅動機構，雙驅動將2 個電機組件作為輸入，一個是主份電機組件，一個是備份電機組件，主份電機組件運動時，備份電機組件是負載，反之亦然；第二級齒輪傳動為直齒輪傳動，該部分包括2 個直齒輪，輸出直齒輪與關節的中心軸同軸，并與第三級齒輪傳動的輸入齒輪連接在一起；第三級齒輪傳動為準行星齒輪傳動，由中心齒輪、惰輪和雙齒輪組成，雙齒輪的內齒部分為準行星齒輪傳動的輸出齒輪，外齒輪部分為第四級齒輪傳動的輸入齒輪；第四級齒輪傳動為3K-III 型行星齒輪傳動，由中心太陽輪、行星齒輪、輸出內齒輪和固定內齒輪組成。 第二級直齒輪傳動的輸出齒輪和第三級準行星齒輪傳動的輸入齒輪均具有較大的中心孔，滿足關節內部走線的需求。

圖3 關節齒輪傳動結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of joint gear transmission

關節的額定輸出力矩和最大輸出力矩分別如式(1)、(2)所示:

式中:Trated為關節的額定輸出力矩，Tmrated為電機組件的額定輸出力矩，Tmax為關節的最大輸出力矩，Tmmax為電機組件的最大輸出力矩，i為關節減速比的絕對值，η為關節傳動效率。

將關節減速比i、關節傳動效率η帶入公式(1)和公式(2)，求得

即:關節的額定輸出力矩為441 Nm，最大輸出力矩1785 Nm。

2.4 熱控設計

熱控系統主要用于感知和控制關節的溫度，熱控設計用于保證關節在設定的溫度范圍內工作[4]。 關節熱控措施主要包括關節控制器控溫回路、溫度繼電器控溫回路和被動控溫措施等3部分。 關節控制器控溫回路主要由熱敏電阻和加熱片組成；溫度繼電器控溫回路主要由溫度繼電器和加熱片組成，熱敏電阻和溫度繼電器用于感知產品溫度，加熱片用于加熱產品。 當產品溫度低于設定的控溫閾值時，加熱片加熱，對關節升溫，當產品溫度高于設定的控溫閾值時，加熱片停止加熱；被動控溫措施主要由電機熱管、控制器熱管、主熱管、導熱板、熱控多層和熱控散熱面等組成，熱管將熱傳導關節外殼，并通過散熱面散熱，熱控多層包覆在關節殼體外面，用于關節的溫度保持。 關節熱控設計如圖4 所示。

2.5 快速連接裝置設計

機械臂的在軌維修采用了核心單機整體替換的設計方案，解決核心單機間的連接設計問題。快速連接裝置用于關節與關節、末端執行器等機械臂部件之間的連接[5]，快速連接裝置主要由快速連接公組件和快速連接母組件組成，具有操作簡單、連接剛度大、在軌拆卸/擰緊力矩小等特點?？焖龠B接組件通過楔形結構配合實現導向和定位，并通過6 個均勻分布的膨脹螺栓連接在一起。快速連接公組件和快速連接母組件上設計有電連接器，用于實現電器連接。 連接時，快速連接公組件和快速連接母組件具有自動找正功能，確保連接完成的同軸度滿足要求。 快速連接裝置的組成如圖5 所示。

圖5 快速連接裝置組成圖Fig.5 Diagrammatic layout of quick connect device

2.6 安全性設計

為了滿足關節安全的要求，采用電限位和機械限位的雙重限位措施。 將電限位和機械限位集成在限位裝置上，限位裝置可以限制關節的運動范圍，并在限位狀態時反饋限位信號給關節控制器。 限位裝置共有2 個，分別用于正向270°和反向270°位置處的角度限位。 限位裝置采用了“翹板”開關的原理，主要由限位裝置本體和限位凸起、霍爾傳感器等組成，其中，限位裝置本體安裝在關節外殼上，限位凸起、霍爾傳感器安裝在關節輸出軸上。 正向限位裝置本體與正向限位凸起聯合使用具有正向限位、正向通過和反向通過3 種狀態，初始狀態為正向限位狀態；反向限位裝置本體與反向限位凸起聯合使用具有反向限位、正向通過和反向通過3 種狀態，初始狀態為反向限位狀態。 當限位凸起從正向通過狀態經過限位裝置時，限位裝置變成反向通過狀態，反之亦然。 限位裝置組成如圖6 所示，正向限位裝置的狀態如圖7 中(a)、(c)、(e)所示，反向限位裝置的狀態如圖7 中(b)、(d)、(f) 所示。

圖6 限位裝置組成圖Fig.6 Composition of joint angle limit device

圖7 限位機構狀態Fig.7 Status of the angle limit device

關節從零位正向運動至正向機械限位并返回零位的運動過程如下:關節正向轉動至90°附近時，反向限位凸起撥動反向限位裝置使其變成反向通過狀態，關節繼續運動，當正向限位凸起與限位塊上的磁鋼與關節輸出軸上霍爾傳感器運動至給定距離時，霍爾傳感器給出電限位信號，實現電限位，關節繼續運動至270°附近時，正向限位裝置處于正向限位狀態，輸出軸繼續轉動至限位凸起與限位塊發生接觸，關節無法繼續運動，實現機械限位，完成正向限位。 當關節反向運動回90°附近時，反向限位凸起撥動反向限位裝置使其變成正向限位狀態，關節運動至零位時，正向限位裝置處于正向限位狀態，反向限位裝置處于正向通過狀態，回到運動前的狀態。 關節反向限位不再贅述。

2.7 控制系統與策略設計

2.7.1 控制系統設計

關節伺服系統的系統設計決定了關節的伺服控制性能[6]，空間站機械臂關節控制系統主要包括運算單元、負載與測量反饋單元、驅動電路和遙測信息采集處理單元等。 其中，運算單元運行關節運動控制算法；負載與測量反饋單元包括PMSM、制動器、速度傳感器、力矩傳感器和位置傳感器，是關節運動控制的執行單元；驅動電路負責實現電機驅動和安全保護；遙測信息采集單元負責關節運動狀態的反饋和遙控指令的處理。 關節的加斷電控制、指令控制均由中央控制器控制，并通過1553B 總線將關節的遙測參數傳遞給中央控制器。 當關節控制部分接收到關節運動指令后，控制部分根據關節當前狀態和指令要求，控制關節運動。 關節控制系統如圖8 所示。

圖8 關節控制圖Fig.8 Joint control system composition and information flow diagram

2.7.2 控制方法設計

空間站機械臂關節控制具備大負載慣量比的任務需求，針對大慣量、大負載變化等大型空間柔性機械臂的系統特性，設計了雙位置傳感器閉環的控制系統結構。 該控制結構采用了以速度環為基礎，位置環進行補償的變結構控制方式，在PID控制比例環節加入濾波器設計，提高閉環系統高頻段的衰減速度和系統在大慣量變化條件下的參數適應性。 關節的控制原理如圖9 所示。

圖9 關節伺服控制原理圖Fig.9 Schematic diagram of the joint servo control

2.8 維修性設計

機械臂關節發生故障時，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，在快速連接裝置上設計通用的工裝安裝接口，將專用工裝固定在快速連接裝置上，以實現機械臂任意構型、任意接口的更換。 關節的維修接口如圖10 所示。

圖10 空間機械臂關節維修性接口Fig.10 Maintainability interface of space manipulator joints

3 冗余與備份設計

為了提高系統的可靠性，消除單點故障，通常采用冗余設計方法[7]。 備份是提高產品可靠性和健壯性的有效方式，關節本體與關節控制器均采用了硬件備份與冗余的設計。

3.1 電機組件備份設計

關節電機組件采用了硬備份的方式，主份電機組件連接齒輪1，備份電機組件連接齒輪2，齒輪1 和2 同時與中間大齒輪嚙合。 關節工作時，2個電機組件的制動器均打開，一個電機驅動關節運動，另一個電機組件不加電。 電機組件的最大輸出力矩為2 Nm，制動器的制動力矩≤0.35 Nm，因此，當2 臺制動器由于故障均無法打開時，關節輸出力矩的計算公式如式(5)所示:

式中:Tout為關節的輸出力矩；Tm為電機組件的最大輸出力矩；Tb為制動器的制動力矩。

將關節減速比i、關節傳動效率η帶入公式(5)，得到式(6):

即當關節制動器均無法打開時，關節輸出力矩仍然大于額定輸出力矩400 Nm，表明關節在制動器故障情況下，功能仍然不受影響。

3.2 傳感器備份設計

旋轉變壓器采用了雙點雙線的形式進行了備份。 一維力矩傳感器設計了3 路獨立的電橋電路，支持3 取2 表決，當一條傳感通路故障、兩條傳感通路故障的情況下，通過軟件設置，可使關節仍然具備力矩感知功能，關節控制器控溫回路中的電機組件熱敏電阻和關節控制器熱敏電阻、溫度繼電器控溫回路中的溫度繼電器同樣采用了1備1 的備份方式，提高了關節感知系統的可靠性和健壯性。

3.3 關節控制器備份設計

關節控制器、電源模塊和電機組件均采用了冷備份的備份方式。 關節主份工作時，主份控制器、主份電源模塊和主份電機組件組成主份驅動控制回路；關節備份工作時，備份控制器、備份電源模塊和備份電機組件組成備份驅動控制回路。2 條控制回路的硬件電路完全獨立，避免了共因失效，提高了驅動控制部分的可靠性。

3.4 熱控備份設計

由于外部熱流環境隨著空間站軌道和姿態的變化而變化[8]，關節在主動控溫和被動控溫上均采用了備份設計。 關節控制器控溫回路有2 個獨立的加熱回路，實現對關節主動熱控功能的硬備份。 溫度繼電器控溫回路，采用了2 個控溫區間相同的溫度繼電器串聯的方式進行溫度控制，避免了溫度繼電器無法斷開導致關節溫度過高的故障。 對于被動控溫回路，關節通過熱管備份的方式避免了熱管失效導致關節內部熱流無法傳到至關節殼體的故障。 熱管需求與實際熱管數量如表2 所示。

表2 關節熱管需求與實際安裝熱管數量比對Table 2 Comparison of required and actual installed quantity of joint heat pipe

4 地面驗證

根據空間產品的試驗驗證流程對關節進行了常溫常壓下的功能性能測試、力學環境試驗、熱環境試驗和本體可靠性試驗，驗證產品在常溫和熱真空環境下的性能，試驗流程如圖11 所示。

圖11 機械臂關節測試與試驗流程Fig.11 Test and verification process of the manipulator joint

4.1 功能性能測試

利用關節靜態測試設備測試限位角度和扭轉剛度，利用關節動態測試設備測試關節的額定力矩和最大力矩，測試過程如圖12、圖13 所示，測試結果如表3 所示。 表3 數據和關節可靠性試驗結果表明，關節技術指標滿足要求。

圖12 關節在靜態測試設備上測試性能Fig.12 Performance test of joints on static test equipment

圖13 關節在動態測試設備上測試性能Fig.13 Performance test of joints on dynamic test equipment

表3 關節性能測試結果Table 3 Results of joint performance test /A

4.2 力學與熱環境試驗驗證

關節進行了力學環境試驗、熱循環試驗、熱真空試驗，如圖14、圖15 和圖16 所示。 關節的運動功能、主動熱控功能正常，關節運行電流和高低溫下的啟動電流如表4 和表5 所示。 數據表明，試驗前后，關節的技術指標沒有發生改變，關節通過了環境試驗驗證，滿足環境適應性要求。

表5 關節運行電流測試結果Table 5 Results of joint working current test

圖14 關節力學環境試驗Fig.14 The mechanical test

圖15 關節熱循環試驗Fig.15 Thermal cycle test of the joints

圖16 關節熱真空試驗Fig.16 Thermal vacuum test of the joints

表4 高低溫啟動電流測試結果Table 4 Results of hot and cold starting current test

4.3 本體可靠性試驗

按照設計要求，關節按照可靠性指標分配得的結果對關節本體、關節控制器和電源模塊等3部分單獨進行了可靠性專項試驗驗證，3 部分均在真空環境下開展，本體可靠性試驗設備與加載方式同熱真空試驗。 關節本體、關節控制器和電源模塊的可靠性驗證指標分別達到了0.998 87，0.998 86 和0.998 95，滿足可靠性指標分配要求。

4.4 維修性試驗

通過維修性仿真驗證、氣浮及懸吊零重力驗證、維修性著服驗證和中性浮力水槽試驗等維修性驗證，驗證了機械臂關節的在軌維修方案的正確性、維修流程的合理性、維修裝置的可行性和維修過程中的人機工效。 其中，仿真驗證主要驗證維修操作的可視性、可達性、可操作性和安全性[9-11]，如圖17 所示。 氣浮及懸吊零重力驗證、中性浮力水槽試驗主要驗證失重環境下維修工作流程、動作的可執行性，著服驗證模擬航天員著服情況下的可達性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄等指標，如圖18 所示。 維修性試驗表明，關節滿足維修性要求。

圖17 空間機械臂維修性仿真驗證Fig.17 Maintainability simulation verification of the space manipulator

圖18 空間機械臂維修性著服驗證Fig. 18 Maintainability clothing verification of the space manipulator

5 結論

本文結合中國空間站的特點和空間機械臂的在軌任務對關節的需求開展了系統布局設計、傳動系統設計、熱控設計、可靠性設計、安全性設計和在軌維修設計，設計的機電熱一體化關節具有以下優點:

1) 采用了完全一體化的設計思想，研制了機電熱一體化關節，在關節內部集成了機械傳動、控制和溫度控制等功能，有別于加拿大一臂、ERA等大型空間機械臂關節將控制器外置的設計思路，集成度更高，抗環境輻照性能更強。

2)采用了四級直齒輪傳動滿足了大減速比、大輸出力矩和高扭轉剛度的要求。 設計了具有電限位和機械限位兩重限位功能的限位裝置，大大提了關節安全性，從根本上杜絕了關節運動超過設計范圍。 設計了快速連接裝置，具有連接剛度高、操作力矩小等優點，與中國航天員的作業能力匹配，支持空間站機械臂在軌維修，綜合提高了系統的可靠性與壽命。

3)關鍵單機如電機組件、旋轉變壓器、一維力矩傳感器和熱控設備等均具有備份措施，系統可靠性高。

4)功能性能測試、環境試驗經試驗和維修性試驗表明，關節滿足各項研制要求。