空間站機械臂末端執行器抓取試驗技術研究

張文明,楊 旭,趙志軍,胡成威,曾 磊

(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)

1 引言

隨著航天技術快速發展,對空間機構的功能需求日漸復雜:從簡單的單自由運動,到復雜的空間多自由度運動;從簡單的展開動作,到能夠適應多姿態對接、抓取動作;從簡單的重復性動作,到具備多種功能的智能動作。空間機構的多樣化使得其地面驗證技術更加復雜,簡單的平面內驗證已不能滿足任務驗證需求,如空間機械臂需進行空間六自由度的運動,其末端抓取過程更是與目標之間相互作用的空間三維動力學過程。地面模擬在軌狀態機械臂末端抓取目標時,需要對機械臂末端及其抓取目標進行實時重力卸載。空間零重力卸載方案主要有氣浮平臺支撐、懸掛配重實驗系統、水浮式實驗系統、拋物線飛行或自由落體運動實驗系統和半物理仿真實驗系統等5 種常見的試驗方法[1-3]。空間大型機械臂末端抓取目標體積和質量大,目標質量由幾噸到幾十噸不等,外型尺寸接近Φ4.5 m×20 m,地面模擬其在零重力狀態下的大范圍運動非常困難,因此難以對末端抓取目標進行全物理驗證,宜采用半物理仿真實驗系統進行驗證。

半物理仿真實驗系統是將原型樣機與數學模型相結合的實驗方法,通過運動學等效和動力學模擬實現空間機構與抓取目標的相對運動。空間機構與抓取目標在空間零重力環境下的運動比較容易通過數學模型計算獲得,將計算結果通過地面試驗系統進行實時呈現,是一種比較有效的任務驗證方法。曲艷麗等[4]對對接機構六自由度半物理仿真試驗臺的運動特性進行了研究;高峰等[5]對空間碰撞地面模擬系統進行了研究,提出了空間碰撞動力學與半實物模擬失真補償方法;于思淼等[6]、常同立等[7]對航天器對接機構半物理驗證方法進行了研究,以上研究均是針對2 個航天器對接時的半物理驗證。李海泉等[8]對空間機械臂柔性捕獲機構建模進行研究,并完成試驗驗證。加拿大空間局基于硬件在環(Hardwarein-the-loop,HIL)技術研發了靈巧操作機械臂在軌任務驗證系統,對機械臂抓捕過程中的接觸碰撞動力學特性進行了有效驗證[9-11]。德國航空航天中心開發了操作模擬器和在軌任務驗證平臺,分別對衛星交會對接任務和空間機械臂操作進行驗證[12-14]。目前專門針對機械臂末端抓取過程的試驗驗證文獻較少。

本文針對中國空間站機械臂末端執行器驗證需求,提出并研制了一套基于Steward 平臺的六自由度半物理試驗驗證系統,對末端執行器捕獲容差、抓取目標質量技術指標進行地面試驗驗證,并開展在軌飛行驗證。

2 方法

2.1 末端執行器方案

空間站機械臂末端執行器(簡稱末端)安裝在機械臂的首尾,作為機械臂的肩部和腕部;在機械臂爬行過程中,肩部與腕部可以互換,用于擴展機械臂在空間站上的工作范圍[15];同時末端也具備抓取浮動目標的能力,這就需要其具備大容差、低沖擊捕獲、高精度對接(含電氣連接)和高剛度鎖緊功能(作為機械臂的肩部支撐整臂動作)。綜上任務需求,本文設計的末端執行器采用鋼絲繩纏繞方式進行大容差、低沖擊捕獲,以粗、精兩級分步實施拖動校正定位,采用4 套獨立的鎖緊機構同步對目標適配器實施大預緊力鎖緊,以實現高剛度鎖緊。該末端主要由捕獲組件、拖動組件、鎖緊組件、殼體組件、六維力傳器和快速連接裝置等部分組成,如圖 1 所示。末端與機械臂關節通過快速連接裝置連接,可由航天員在軌進行更換。末端抓取的目標適配器示意圖如圖 2所示。

圖1 末端執行器組成示意圖Fig.1 Diagram of the end effector model composition

圖2 目標適配器示意圖Fig.2 Diagram of target adapter model composition

末端抓取目標適配器時,首先由捕獲組件工作抓住目標適配器的捕獲桿;然后拖動組件工作,將目標適配器及其捕獲組件一起沿軸向拖動,使目標適配器與末端執行器對接,依靠其與末端殼體組件的配合,消除俯仰、偏航以及轉動3 個方向上的誤差,實現目標適配器與末端的精確對接;最后,4 個鎖緊組件沿軸向同步運動,在對接面上施加預載荷,并實現與目標適配器的電連接,完成末端抓取過程。

釋放時,首先鎖緊組件反向轉動,使得末端執行器與目標適配器斷開電連接,并釋放二者界面的鎖緊力;然后拖動組件和捕獲組件工作,回到初始位置,完成釋放動作。

2.2 捕獲容差定義

在末端捕獲目標適配器過程中,以可允許的機械臂腕部(肩部)末端坐標系(FEE)相對目標適配器捕獲坐標系(FB)的相對位移、相對轉角定義捕獲容差,如圖3 所示。捕獲浮動目標時的初始條件也以兩坐標系的相對位姿、相對速度及相對角速度進行定義。末端與目標適配器鎖緊后,末端坐標系(FEE)與目標適配器捕獲坐標系(FB)完全重合。

圖3 末端與目標適配器坐標系Fig.3 The end effector and the target adapter coordinate system

2.3 末端地面驗證要求

在空間機械臂末端執行器研制過程中,必須對其抓取功能與性能進行全面驗證,以保證其在軌工作的可行性與可靠性。針對末端執行器主要驗證的功能性能為捕獲容差和捕獲質量。

進行捕獲容差驗證時,需設置包含六自由度位姿偏差,并設置各個方向的阻力/力矩;進行捕獲質量驗證時,同樣需要設置六自由度位姿偏差,并模擬不同目標負載的運動特性。末端捕獲容差要求位置偏差不小于100 mm,姿態偏差不小于10°。捕獲質量100～25 000 kg 之間可調,質心位置在Φ4500 mm×20 000 mm 體內可連續調節。平移運動精度不大于0.2 mm;轉動角度精度不大于0.05°;最大線速度優于100 mm/s,角速度優于8°/s。

在設置的邊界條件下,進行末端抓取目標試驗,測試末端抓取功能與性能。

2.4 半物理試驗驗證系統

末端抓取半物理試驗驗證系統,主要由六自由度運動平臺、末端與目標適配器產品、六維力傳感器、控制系統以及剛度模擬模塊等組成。設備系統框圖見圖 4,實物圖見圖 5。目標適配器通過六維力傳感器安裝于六自由度運動平臺上,六自由度運動平臺是基于Stewart 結構形式的電驅動運動系統,能夠模擬被抓取目標體的初始位姿及其質量、運動特性,并能模擬末端與目標適配器的空間相對運動。剛度模擬模塊用來模擬機械臂剛度,防止在剛性邊界條件下,實驗系統發散,損傷產品。末端執行器通過六維力傳感器固定在目標適配器上方。

圖4 末端抓取半物理試驗驗證系統框圖Fig.4 Block diagram of the semi-physical simulation experiment system composition

圖5 末端抓取半物理試驗驗證系統實物圖Fig.5 Photo of the semi-physical simulation experiment system

抓取試驗時,六維力傳感器采集到當前時刻實際的力信息,將力的信息輸入至機械臂和被抓取目標的動力學模型,經地面試驗系統的動力學模型計算得出下一時刻末端執行器與目標適配器之間的相對位姿,由六自由度運動平臺復現期望運動以得到下一時刻真實的力信息。為準確及時復現末端與目標的相對運動,達到機械臂末端抓取驗證目的,需六自由度運動平臺具備適合的運動范圍、運動精度、運動速度以及跟蹤精度。

末端抓取半物理試驗驗證系統經裝配、調試完成后,需對其靜態精度,最大運動速度,運動空間以及跟蹤精度等指標進行標定、測試。

3 結果

3.1 標定結果

經標定測試,該半物理試驗驗證系統平移運動精度:±0.2 mm;轉動角度精度:±0.01°;最大線速度120 mm/s,角速度10°/s;運動空間,徑向(y,z向)位移:優于±150 mm,軸向(x向)位移:優于400 mm;轉動(Rx)角度:±15°;俯仰/偏航(Ry,Rz)角度:±25°,滿足末端地面試驗驗證要求。跟蹤精度結果見表1～表3,剛度模擬模塊測試結果見表4。

表1 末端半物理試驗驗證系統跟蹤精度測試結果(x,Rx)Table 1 Tracking accuracy test results of the semi-physical simulation experimental system(x,Rx)

表2 末端半物理試驗驗證系統跟蹤精度測試結果(y,Ry)Table 2 Tracking accuracy test results of the semi-physical simulation experimental system(y,Ry)

表3 末端半物理試驗驗證系統跟蹤精度測試結果(z,Rz)Table 3 Tracking accuracy test results of the semi-physical simulation experimental system(z,Rz)

表4 剛度模擬模塊實測值Table 4 Measured value of stiffness simulation module

3.2 末端測試工況及測試結果

3.2.1 捕獲容差測試

末端捕獲容差包括單向容差和組合容差,單向位置偏差100 mm,俯仰/偏航(Ry,Rz)角度偏差15°,轉動(Rx)角度偏差10°;組合容差的位置偏差50 mm,角度偏差2°,測試工況見表5。

表5 末端捕獲容差測試工況Table 5 Conditions of end effector capture tolerance test

模擬抓取邊界條件,徑向力240 N,軸向力400 N,阻力矩100 Nm,即目標適配器受徑向力大于240 N 或軸向力大于400 N 或阻力矩大于100 Nm 時,測試平臺則沿力/力矩減小的方向運動。

按照測試工況位姿要求,利用末端測試平臺,設置末端與目標適配器之間的位姿關系,再將平臺設置為動力學控制模式,發送末端執行器抓取指令,觀察抓取動作執行情況。抓取過程中末端與目標適配器的初始相對位置關系見圖6。

經抓取試驗驗證,在12 種測試工況下,末端均能夠實現對目標適配器的可靠捕獲、拖動,完成末端與目標適配器之間的精準對接。抓取過程中末端各組件運動行程、驅動電機電流、速度以及力傳感器數據均在設計范圍內。試驗結果表明末端的捕獲單向容差滿足:徑向偏差100 mm,軸向偏差100 mm,俯仰/偏航偏差15°,轉動偏差10°;組合容差:位置偏差50 mm,姿態偏差2°。即在上述容差范圍內,末端能夠克服徑向240 N、軸向400 N 以及100 Nm 的阻力/力矩,對目標適配器進行抓取。

末端執行器在軌已成功抓取目標適配器30余次,隨空間站機械臂完成了艙外爬行、艙外巡檢,輔助航天員出艙以及轉位貨用飛船等任務。

3.2.2 抓取25 t 浮動目標測試

在末端抓取半物理試驗驗證系統上,設置目標物的質量為25 t,外形尺寸為Ф4.5 m×18 m,質量均勻分布,目標適配器位于Ф4.5 m 端面中心位置,對應的目標質量特性:Ix=63 300 kgm2,Iy=Iz=706 000 kgm2。然后利用半物理試驗驗證系統設置末端與目標的初始位姿偏差為(50 mm,50 mm,50 mm; 2°,2°,2°),設置平臺為動力學控制模式,啟動末端執行器進行抓取,測試平臺模擬目標在空間零重力下的動力學過程。測試過程中,末端執行器將目標適配器可靠抓取,抓取過程末端受力見圖 7 和表 6。由表中數據可以看出,末端在捕獲25 t 目標過程中,末端最大力為304.2 N,最大力矩為732 Nm,發生在拖動過程中,末端與目標適配器接觸碰撞時刻。目標適配器運動軌跡見圖 8,初始位置x=128 mm 對應末端與目標適配器x向偏差為50 mm。末端抓取過程中,目標適配器沿x向移動128 mm,y,z向移動約為15 mm,說明末端與目標適配器對接過程中,二者同時沿y,z向位移。

圖7 末端抓取25 t 目標時末端尾部的力/力矩曲線Fig.7 Force/torque on the end effector when grabbing a 25 t target

表6 末端抓取25 t 目標時末端尾部的力/力矩極值Table 6 The extreme value of the force/torque on the end effector when grabbing a 25 t target

圖8 抓取25 t 目標時目標適配器的位移和轉角Fig.8 Displacement and rotation angle of the target adapter when grabbing a 25 t target

通過末端半物理試驗驗證系統驗證末端能夠抓取25 t 目標。此過程的測試數據可用于機械臂末端抓取任務仿真模型驗證,通過對機械臂末端仿真模型修正,從而提高機械臂末端抓取任務仿真驗證的準確度。

4 結論

1)針對空間機械臂末端抓取地面驗證需求,提出并研制了一套半物理驗證系統,結果表明:①平移運動精度為±0.2 mm,轉動角度精度為±0.01°,最大線速度為120 mm/s,角速度為10°/s;②運動空間徑向位移優于±150 mm,軸向位移優于400 mm,轉動角度為±15°,俯仰/偏航角度為±25°。實現了多工況、復雜邊界、大負載、大容差等條件下的空間機械臂末端抓取地面試驗驗證。

2)利用半物理試驗驗證系統對中國空間站機械臂末端執行器捕獲容差進行了測試,結果表明:①末端執行器捕獲單向容差為徑向偏差100 mm,軸向偏差100 mm,俯仰/偏航偏差15°,轉動偏差10°,滿足捕獲位置容差不小于100 mm,姿態容差不小于10°的指標要求;②組合容差為位置偏差50 mm,姿態偏差2°。

3)利用半物理試驗驗證系統對末端執行器抓取目標質量進行了測試,測試結果表明,末端執行器具備抓取25 t 目標的能力。結合半物理試驗驗證系統的物理特性和測試結果,可對空間站機械臂末端執行器抓取仿真模型進行修正,進一步仿真驗證機械臂末端在軌抓取方案。