一種空間機器人用復雜末端執行裝置的可靠性驗證方法

白 美，張文明，張 運，李德倫

（中國空間技術研究院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）

0 引言

隨著航天技術的發展，空間智能機器人成為進一步深空探索的重要手段，而決定其末端工作靈活性和能力的末端執行裝置成為必備的工具。末端執行裝置的可靠性是空間機器人執行任務的關鍵。如產品不可靠，會導致空間機器人執行在軌任務失敗。末端執行裝置是復雜的機、電、熱一體的產品，造價昂貴，如何在研制階段利用極小的子樣開展產品的可靠性驗證，成為研制工程中關注的重點之一。

針對產品的小子樣可靠性驗證，榮吉利等［1］建立提高試驗條件、降低樣本量的復雜火工裝置可靠性評估模型，適用于航天產品的火工裝置，大幅降低了試驗驗證的樣本量。劉志全［2］編寫了航天器機構及其可靠性的專著，總結航天器機構設計、發展、試驗等的經驗，指導機構設計和試驗，提出機構可靠性驗證的思路和方法。洪東跑等［3-6］提出了利用研制試驗數據和定型飛行試驗數據進行可靠性綜合驗證的方法，以上研究極大地推動了我國航天產品的可靠性驗證和評估，降低了試驗費用，促進了飛行器和復雜航天武器系統可靠性評估的發展。由于技術的保密性等原因，目前尚未在國外文獻中發現適用于航天產品的可靠性驗證方法。

針對復雜的空間機器人末端執行裝置，涉及到機、電、熱控等相關內容［7-14］，本文基于上述研究，提出一種空間機器人用復雜驅動傳動裝置的可靠性驗證方法。建立產品可靠性模型，確定產品可靠性特征量和分布規律，結合其任務剖面設計可靠性驗證方案，解決復雜空間機器人末端執行裝置的小子樣可靠性指標驗證的問題。以空間站天和機械臂末端執行器可靠性驗證試驗為例，對可靠性驗證試驗方法的選取和試驗的設計展開分析，為復雜空間機電產品可靠性驗證試驗提供技術途徑。

1 可靠性驗證方法設計

1.1 分析產品功能和任務剖面建立可靠性模型

空間機器人用復雜的末端執行裝置有驅動組件、傳動裝置、執行機構、傳感器、控制器、殼體等部分。

1）分析從發射開始，到壽命終止階段末端執行機構所經歷的空間環境、各任務階段的工作模式及工作時間，建立產品的任務剖面。

2）分析產品的組成和功能原理，建立產品的可靠性模型，空間機器人系統的末端執行裝置可靠性一般包括4 部分：承載與連接功能可靠性Ra，構型與精度保持功能可靠度Rb，運動功能的末端運動可靠度Rc和控制部分可靠度Rd，其表達式如下：

Ra、Rb根據產品的剛度和強度的裕度設計，并結合力學試驗保證，一般取值為1。控制部分為電子產品，可單獨利用試驗數據評估，目前已有成熟的評估方法。因此空間末端執行裝置的可靠度驗證關鍵在于運動功能的末端運動可靠度Rc。

1.2 確定可靠性特征量和分布規律

1）分析運動功能可靠性特征量。末端執行裝置的運動功能與運動次數密切相關，選取“運動次數”為末端執行裝置的可靠性特征量，運動可靠性為“在規定的環境條件下，以及規定的任務時間內，運動次數X大于要求試驗次數Xu的概率”，表達式如下：

2）確定可靠性特征量的分布規律。空間機器人用末端執行裝置是由電機組件、減速器、傳感器和機構部分組成的產品，其失效模式主要為使用時間增加而導致潤滑耗損引起機構失效，疲勞耗損失效一般認為服從威布爾分布。表達式如下：

式中：X0為末端執行裝置工作次數要求值；m為形狀參數；η為特征壽命。

1.3 確定試驗條件和樣本量

1）結合任務剖面，確定產品的敏感應力和工作工況。對空間機器人用末端執行裝置，其環境條件有真空、溫度環境、空間粒子輻射等。根據末端執行裝置潤滑形式的差異，其敏感的應力也不盡相同，具體試驗設計根據所處工作環境，分析并確定敏感應力作為試驗的試驗環境條件。試驗時，分析極端工況，保證工況設計涵蓋任務期間各種工況。

2）根據分布類型和在軌工作次數要求值的和，計算特征量試驗值。表達式如下：

式中：XR為每個末端執行裝置樣本的工作次數試驗值；X0為末端執行裝置工作次數要求值；γ為置信度；R為可靠度要求值。

根據式（4）計算時注意：末端工作次數特征量試驗值不能超過產品的極限壽命要求（一般根據經驗和相關產品數據確定）；失效數不能大于0。

1.4 確定故障判據，制定試驗方案

根據產品的任務和技術要求，確定產品失效判據，需量化故障判據，確保其不存在歧義。

2 應用示例

2.1 空間站機械臂末端執行器簡介

空間站機械臂末端執行器的核心組成是末端執行器本體，由捕獲組件、拖動組件、殼體組件和鎖緊組件組成，如圖1 所示。

圖1 末端執行器組成Fig.1 Composition of the end effector

捕獲組件與拖動組件位于殼體組件內，鎖緊組件分布在殼體組件的四周。其捕獲對象是與之合作的目標適配器，工作原理：首先，機械臂運動至目標適配器上方，到達捕獲初始條件時，捕獲組件啟動，抓住目標適配器的捕獲桿，并給出捕獲到位信號；然后，拖動組件啟動，拖動捕獲模塊與目標適配器沿軸線運動至末端端面對接，在此過程中，消除兩者俯仰、偏航及轉動方向上的偏差，實現其精確對接，并在拖動力達到設定值時，停止運動；最后，啟動4 個鎖緊組件，其沿軸向運動，在目標適配器與末端對接面上施加預載荷，并實現兩者的電連接，至此完成末端執行器抓取全部過程。釋放時，首先，鎖緊組件解鎖，將末端與目標適配器斷開電連接，并釋放兩者界面的鎖緊力；然后，捕獲組件運動，釋放捕獲桿；最后，拖動組件啟動，將捕獲組件恢復至初始位置，如圖2 所示。

圖2 末端執行器工作流程Fig.2 Workflow diagram of the end effector

2.2 末端執行器可靠性指標要求

在軌5 年壽命期內，末端本體可靠度要求不小于0.998。

2.3 任務剖面

根據末端執行器任務和壽命要求，分析其任務剖面，繪制任務剖面如圖3 所示。

圖3 末端執行器任務剖面Fig.3 Mission profile of the end effector

2.4 可靠性特征量及其分布規律

末端執行器的運動功能要求為：完成1 次末端抓取的捕獲、拖動、鎖緊動作和1 次釋放動作，規定完成1 次抓取和釋放過程為1 次任務，空間站機械臂末端執行器可靠度取決于抓取與釋放功能的可靠度。因此，末端執行器的可靠性，可用“在規定的任務剖面下，末端執行器完成任務次數X大于任務要求指標Xu的概率”為依據，末端裝置的可靠性特征量確定為末端的抓取（釋放）次數X。

末端裝置3 個功能模塊均由驅動組件、傳動組件和機構組成，其主要失效模式是由工作次數變化導致的潤滑磨損失效，而不能完成對目標的抓取與釋放動作。一般認為，這種耗損失效產品的壽命特征服從威布爾分布。

2.5 試驗件數量和抽樣方案

在計算產品樣本量時，根據末端執行器在全壽命期捕獲次數的要求，計算不同壽命要求下的捕獲次數X0；結合技術要求中需驗證的可靠度R和置信度γ，綜合確定可靠性試驗樣本數量n和各樣本的試驗次數。

設置試驗時，綜合考慮各樣本的試驗次數，根據相關產品歷史數據確定試驗次數，確保末端裝置的失效原理一致。綜上所述，確定試驗次數最大值Xmax，將Xmax代入式（4），求出試驗樣本數量。確定試驗數量時，考慮研制經費，樣本數量一般不少于2 個。選取形狀參數m時，參考同類產品的相關經驗和生產工藝的穩定程度，一般在2.0～2.5 之間選取。

計算末端本體組件可靠性達到0.998（0.7）時，抓捕次數XR與試驗件數量為n的關系見表1。

表1 不同試驗件數量n 對應的末端執行器試驗次數XR與Tab.1 Test times of the end effector at different numbers of samples

分析末端執行器特性及末端潤滑專項試驗結果可知，末端執行器本體薄弱環節為滾珠絲杠潤滑，在末端拖動滾絲杠工作次數達到4 200 次時，潤滑膜表面已有磨損，但潤滑膜還能保持連續，無明顯露出基材；當末端拖動滾絲杠工作次數達到6 200次時，潤滑膜表面已完全受損，滾珠與絲杠接觸部位的基材全部露出。由此可知，末端工作壽命可達到4 200 次。因此，開展末端本體可靠性試驗時，其工作次數不應超過4 200 次，否則末端失效模式發生變化，無法驗證其可靠性。結合表1 數據可知，為驗證末端在軌工作5 年，工作次數318 次的可靠度，需采用2 臺末端樣本完成試驗，每臺樣本試驗次數不少于3 116 次。

綜上所述，確定末端執行器本體可靠性試驗抽樣方案為：試驗件2 臺，每臺產品抓取試驗次數不少于3 116，可試驗4 200 次。

2.6 試驗件狀態及試驗條件的確定

2.6.1 試驗件狀態

參加可靠性驗證的試驗件狀態與正式上天產品的狀態一致，且須經過驗收試驗合格。

2.6.2 試驗環境條件的選取

開展產品試驗時，首先分析產品工作過程的環境應力、工作時間和工作模式，確定產品的任務剖面。結合任務剖面，分析產品在任務階段的工作應力，確定對產品有影響的環境應力，并將其作為產品試驗時施加的環境應力。

分析任務剖面圖中末端執行器壽命周期的環境，在運載發射和入軌解鎖段，本文介紹的末端執行裝置不工作，因此無需考慮該階段的環境應力。分析工作段的環境應力，綜合分析產品的密封型式、潤滑型式等設計和工藝方式，確定產品敏感的應力，作為試驗施加的應力。經分析，本文所提末端裝置的敏感應力為溫度，結合在軌工作溫度范圍，確定可靠性試驗的溫度范圍。根據末端在軌工作溫度條件，確定可靠性試驗溫度為：常溫20 ℃±5 ℃，高溫65 ℃，低溫-40 ℃。

2.6.3 工況和邊界條件的確定

需考慮產品的工作載荷和工作模式，確定產品的試驗工況，確保試驗工況與在軌工況一致，按壽命周期內任務剖面，設置試驗產品并完成試驗。

開展可靠性試驗時，末端裝置需在高低溫箱內，因此結合試驗設計產品試驗工裝，將試驗工裝和產品一同放入高低溫箱。

2.7 故障判據

在可靠性試驗過程中，捕獲、拖動和鎖緊組件任何一個出現異常不能正常工作，視為發生故障。具體描述如下。

1）捕獲組件故障：不能將目標適配器捕獲至中心位置，即捕獲終止到位開關未觸發；在同樣條件下（邊界條件、環境條件），捕獲驅動組件電流最大值變化超過50%，上述2 種情況出現一種，即為故障。

2）拖動組件故障：不能將目標適配器拖動到位；在同樣條件下（邊界條件、環境條件），拖動驅動組件電流變化超過50%，上述2 種情況出現一種，即為故障。

3）鎖緊組件故障：不能對目標適配器鎖定，即鎖緊終止到位開關未觸發；在同樣條件下（邊界條件、環境條件），鎖緊驅動組件電流變化超過50%，上述2 種情況出現一種，即為故障。

3 結束語

本文給出一種適合空間機器人用復雜末端裝置的可靠性驗證試驗方法，結合中國空間站機械臂末端執行裝置展開驗證。根據產品特點，建立可靠性模型，確定產品的可靠性特征量和分布規律，提出適用的可靠性驗證方案，實現以較小的樣本量定量驗證末端執行裝置的可靠度。該方法對空間用復雜機電熱一體化產品的可靠性驗證，具有較高的理論和應用價值，具有較強的普適性。需特別注意以下2 點：

1）該試驗方案的要點在于根據產品功能，建立產品的可靠性模型，確定產品的可靠性特征量，其特點決定產品的分布類型；

2）該試驗方案適用于產品無失效情況下的可靠性驗證，如產品試驗過程中發生關聯故障，表明產品可靠性指標不滿足要求，需進一步改進產品進行。