航天制造中機(jī)械臂的發(fā)展與展望

呂舒婷 ， 李 淳 ， 周 賀 ， 吳 盟 ， 李 強(qiáng) ， 梁高強(qiáng) ， 靳向濤 ， 尹兆潔

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100071）

0 引言

航天制造工業(yè)是一個(gè)大國(guó)最高精尖的制造技術(shù)的體現(xiàn)，是一個(gè)國(guó)家探索太空領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)能的基石。20世紀(jì)70年代，中國(guó)航天制造業(yè)開(kāi)始迅速發(fā)展，隨著科研的投入不斷增加，到21世紀(jì)后，各項(xiàng)航天技術(shù)壁壘不斷被突破，中國(guó)航天制造技術(shù)走向了新的高度。

在航天制造領(lǐng)域，航天器的裝配生產(chǎn)始終是檢驗(yàn)航天器設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要一環(huán)。設(shè)計(jì)公差是否合理，尺寸鏈?zhǔn)欠耖]合等問(wèn)題會(huì)在航天器裝配環(huán)節(jié)全部暴露出來(lái)。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器的設(shè)計(jì)外形越來(lái)越復(fù)雜，裝配的空間越來(lái)越狹小，給后期的裝配環(huán)節(jié)帶來(lái)了很大的難度與考驗(yàn)。為保障航天生產(chǎn)中裝配生產(chǎn)的厚墻不倒，各類(lèi)航天制造廠開(kāi)始引入機(jī)械臂來(lái)輔助進(jìn)行裝配生產(chǎn)。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，各類(lèi)機(jī)械臂推陳出新。高負(fù)載自重比、操作更加靈活、穩(wěn)定性和安全性更強(qiáng)的機(jī)械臂被研發(fā)出來(lái)[1-2]，為其在航天制造中的應(yīng)用提供了可能。

1 機(jī)械臂的發(fā)展概述

機(jī)械臂是仿照人的上臂關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造的，有著結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、相對(duì)工作空間大、可越障等特點(diǎn)。機(jī)械臂有6個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)保障其具有6個(gè)空間自由度，能最大限度地進(jìn)行靈活工作。一般情況下，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)型關(guān)節(jié)，其中，3個(gè)關(guān)節(jié)一般集中在“手腕”部，該設(shè)計(jì)方案可充分壓縮機(jī)械臂整體的體積[3]。

生產(chǎn)生活中常見(jiàn)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)與原理存在一定的相似性，機(jī)械臂的主體結(jié)構(gòu)為多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行由多個(gè)回轉(zhuǎn)部件、關(guān)節(jié)、支撐臂部件、可伸縮部件、抓手等組成，大部分機(jī)械臂工作過(guò)程類(lèi)似于費(fèi)力杠桿的工作過(guò)程。大部分機(jī)械臂包括以下機(jī)械結(jié)構(gòu)：一是主體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，位于機(jī)械臂的最下方位置，由伺服電機(jī)、回轉(zhuǎn)支撐、蝸輪蝸桿、回轉(zhuǎn)軸等零部件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向的自由轉(zhuǎn)動(dòng)；二是關(guān)節(jié)軸承，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)相連接支撐臂的空間轉(zhuǎn)動(dòng)，包括俯仰擺動(dòng)等；三是可伸縮氣缸液壓油缸或電缸，能實(shí)現(xiàn)手臂沿特定方向的伸縮功能；四是抓手結(jié)構(gòu)，包括夾取、抓取、吸取等多種方式，所使用的驅(qū)動(dòng)力和技術(shù)形式也多種多樣[4-5]。

1.1 國(guó)外機(jī)械臂的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外機(jī)械臂的發(fā)展時(shí)間較早，從20世紀(jì)40年代到目前為止已經(jīng)有80多年的歷史了。生活因?yàn)闄C(jī)械臂的出現(xiàn)而變得多彩，現(xiàn)在可以通過(guò)一款機(jī)械臂來(lái)幫助人們完成任務(wù)，而不必自己動(dòng)手。國(guó)外的機(jī)械臂研究現(xiàn)狀可以從以下兩種機(jī)械臂的概況來(lái)簡(jiǎn)單介紹。

1.1.1 空間機(jī)械臂

空間機(jī)械臂是一個(gè)空間機(jī)電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由機(jī)電熱控共同組成，隨著空間技術(shù)（特別是航天飛機(jī)、空間站、空間機(jī)器人等）的飛速發(fā)展，空間機(jī)械臂在太空中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?？臻g機(jī)械臂主要有兩大類(lèi)：艙外機(jī)械臂、艙內(nèi)機(jī)械臂。前者針對(duì)不同的工作任務(wù)需求，其自由度通常為5~10個(gè)，長(zhǎng)度通常是幾米至十幾米，主要安裝載體是空間站、航天飛機(jī)以及小型飛行器。它的主要任務(wù)有運(yùn)送目標(biāo)、輔助進(jìn)行對(duì)接、攝影、在軌建設(shè)、抓捕或者釋放衛(wèi)星等，此外它還可以作為輔助設(shè)備，幫助航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)。而后者具有尺寸小、運(yùn)動(dòng)范圍小等特點(diǎn)，它的主要任務(wù)是更換設(shè)備部件、裝配設(shè)備以及打撈空間漂浮物等。

德國(guó)宇航中心在20世紀(jì)90年代研制并成功發(fā)射了小型空間機(jī)械臂系統(tǒng)ROTEX。這種系統(tǒng)安裝了各種類(lèi)型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感機(jī)構(gòu)，擁有8個(gè)自由度，能夠精準(zhǔn)地完成1 m范圍內(nèi)預(yù)設(shè)的操作。

1.1.2 關(guān)節(jié)型機(jī)械臂

Segway公司已經(jīng)研制出了一種家用輕型機(jī)器人RMP200，能夠在相對(duì)較小的室內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。日本也在20世紀(jì)80年代對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂進(jìn)行了研究。1984年，日本Kyoto大學(xué)研制出了一個(gè)5自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。1993年，Kondo等研制出了帶有機(jī)械手、視覺(jué)傳感器的7自由度機(jī)械臂，在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面作出了很大的貢獻(xiàn)，也為其他制造生產(chǎn)行業(yè)提供了參考。

1.2 國(guó)內(nèi)機(jī)械臂的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)機(jī)械臂的發(fā)展較晚，但是發(fā)展速度非?？臁＝陙?lái)，隨著《中國(guó)制造2025》《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等相關(guān)政策的大力支持，國(guó)內(nèi)的機(jī)械臂技術(shù)水平與應(yīng)用能力有了顯著的提升，在各類(lèi)生產(chǎn)線上有著廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的機(jī)械臂相比，我國(guó)自主研發(fā)的機(jī)械臂有著成本低、重量輕、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。

越疆科技劉培超及其團(tuán)隊(duì)對(duì)機(jī)械臂內(nèi)部嵌套的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使得PC端的鼠標(biāo)、手機(jī)、App、腦電波控制、語(yǔ)音控制可對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，讓機(jī)械臂的使用更加人性化。除此之外，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制精度更高，可使機(jī)械臂寫(xiě)毛筆字、切香腸、畫(huà)畫(huà)等。

近年來(lái)，我國(guó)的空間機(jī)械臂發(fā)展十分迅速。在國(guó)家“863計(jì)劃”的大力支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的試驗(yàn)七號(hào)空間機(jī)械臂，6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別為旋轉(zhuǎn)、俯仰、俯仰、旋轉(zhuǎn)、俯仰、旋轉(zhuǎn)功能，樣機(jī)如圖1所示[8]。之后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與其他單位聯(lián)合對(duì)天宮二號(hào)空間機(jī)械臂的在軌維修技術(shù)進(jìn)行了論證與研制，并最終取得了神舟十一號(hào)飛船與天宮二號(hào)實(shí)驗(yàn)室組合的圓滿成功[9-10]。

圖1 試驗(yàn)七號(hào)機(jī)械臂樣機(jī)

2 一種新型的機(jī)械臂技術(shù)

機(jī)械臂根據(jù)協(xié)同工作方式分為單機(jī)械臂和雙機(jī)械臂。單機(jī)械臂機(jī)器人已在我國(guó)航天制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，如沖壓、鑄造、焊接、裝配等。但是在遇到復(fù)雜且裝配精度要求更高的制造場(chǎng)合時(shí)，單機(jī)械臂在工作中會(huì)受到很大的限制。因此，雙機(jī)械臂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[11]。

雙機(jī)械臂技術(shù)是一種新型的機(jī)械臂技術(shù)，起步較晚，但是發(fā)展前景較好，一直是一個(gè)熱門(mén)研究?jī)?nèi)容，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對(duì)于雙機(jī)械臂，機(jī)械問(wèn)題不是太過(guò)于重要，控制響應(yīng)方面才是該機(jī)械臂的重點(diǎn)。在對(duì)雙機(jī)械臂進(jìn)行控制設(shè)計(jì)前，需對(duì)機(jī)械臂空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及協(xié)同空間進(jìn)行分析，并進(jìn)行正逆求解，所以雙機(jī)械臂的設(shè)計(jì)歸根到底是一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題。對(duì)雙機(jī)械臂的空間協(xié)同分析內(nèi)容如下。

2.1 建立本體坐標(biāo)系

根據(jù)北京理工大學(xué)王夢(mèng)的求解方式，即后置坐標(biāo)系建立方法[12]，以兩個(gè)3軸機(jī)械臂構(gòu)成的雙機(jī)械臂為例，建立11個(gè)雙機(jī)械臂的空間連桿坐標(biāo)系，分別為：建立坐標(biāo)系的示意圖如圖2所示，該坐標(biāo)系命名為D-H坐標(biāo)系。

圖2 D-H坐標(biāo)系示意圖

之后根據(jù)D-H矩陣公式來(lái)計(jì)算，求解機(jī)械臂末端在運(yùn)動(dòng)情況下的位姿公式，如公式（1）所示。D-H矩陣公式是Denavit與Hartenberg提出的一種4×4矩陣公式，用來(lái)描述機(jī)械臂各個(gè)連桿的空間關(guān)系，并推導(dǎo)出機(jī)械臂末端位姿狀態(tài)。

2.2 進(jìn)行協(xié)同空間分析

雙機(jī)械臂可看作是兩個(gè)單機(jī)械臂的協(xié)調(diào)工作，工作空間包含單機(jī)械臂的工作空間和雙機(jī)械臂的協(xié)調(diào)工作空間兩種。通過(guò)蒙特卡洛法[13]進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行協(xié)同空間分析，求解方法如下：

1）建立單機(jī)械臂末端作用點(diǎn)在基坐標(biāo)系中的位置向量表達(dá)式。

2）利用隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行隨機(jī)點(diǎn)的設(shè)定，得到機(jī)械臂的關(guān)節(jié)變量偽隨機(jī)值。

3）將N個(gè)關(guān)節(jié)變量代入兩個(gè)機(jī)械臂末端點(diǎn)，求解末端點(diǎn)的坐標(biāo)集合。

4）結(jié)合末端點(diǎn)的坐標(biāo)集合，構(gòu)建兩個(gè)機(jī)械臂空間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)算法。

3 總結(jié)

隨著國(guó)內(nèi)航天制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)航天器配套產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，機(jī)器代替人工來(lái)進(jìn)行高效工作的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。高效、穩(wěn)定的機(jī)械臂將會(huì)是航天制造業(yè)中不可或缺的一類(lèi)機(jī)械，而雙機(jī)械臂的出現(xiàn)為更加高效、精準(zhǔn)的生產(chǎn)提供了一個(gè)新的發(fā)展方向，未來(lái)的航天制造業(yè)必將發(fā)展得更為迅速。