空間小碎片抱捕用連續型機器人結構綜述

楊承旭 王麗華 危清清 趙志軍 王耀兵

(1 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)(2 吉林大學,長春 130025)

伴隨近地空間中空間小碎片的增加,空間環境逐漸惡化的問題不容忽視[1],而基于空間機器人的在軌操作是清理空間小碎片的重要手段之一[2]。根據關節和連桿在整體機構中的尺寸比例,可將機器人分為離散型機器人、超冗余機器人和連續型機器人[3]。目前廣泛應用于空間環境的機器人類型是離散型機器人,然而此類機器人在對碎片進行抓捕時需要精確識別目標并跟蹤抓捕點,抓捕難度大,可靠性低[4]。連續型機器人具有收攏后分段常曲率和多點接觸的特點,能夠利用機器人本體形成穩定抱捕構型來捕獲小碎片[5],無需精確識別目標與跟蹤抓捕點,可有效降低抓捕難度,提高可靠性。故使用連續型機器人的空間抱捕任務有重要的研究意義。

空間環境中的高真空、強輻射、極端溫度對連續型機器人的結構設計提出要求。本文基于空間環境的特點并面向空間抱捕任務的連續型機器人的結構需求,對連續型機器人的驅動方式、繩驅動連續型機器人的主干特征、關節特征進行分類,并比較其優劣。

1 空間抱捕任務要求

空間抱捕任務的目標是近地空間中的小碎片,根據位于德國的歐洲航天局空間碎片辦公室提供的數據,目前由空中監視網絡追蹤并編目的碎片數目約為34810個。然而,并不是所有的空間物體都可以被追蹤并編目,空間中漂浮的碎片數量遠大于此,根據統計模型估計,在地球軌道中存在超過36500個大于10cm的空間碎片[6]。對于這些直徑較大的空間碎片采用連續型機器人進行空間抱捕是一種直接有效的清理辦法。在空間環境中使用連續型機器人進行小碎片的抱捕任務要同時克服空間環境的應用難點與抱捕任務的任務需求。

進行抱捕的空間環境溫度較為極端,在距地面200km的低軌道,空間溫度變化范圍可以達到-43～+219℃;而在距地面36000km的地球同步軌道,空間溫度變化范圍可以達到-100～+168℃;高溫與低溫的影響使得連續型機器人暴露于空間環境的執行部分不能使用受溫度影響大的組件。同時,高度為200km時空氣密度已降低至2.73×10-4kg/m3,此環境下真空度較高,需要進行密封性處理的組件應用較為困難。

空間抱捕任務的目標是直徑大于10cm的空間碎片,由于這些碎片的產生方式不同,形狀不規則,無法準確識別外形信息。且受到地球引力、太陽輻射壓力、大氣拖力等因素的影響,碎片在空間中的運動速度快,存在自旋轉。空間碎片的運動特點需要連續型機器人的結構能夠具有足夠的剛度來維持抱捕構型,使機器人在沖擊下不會使目標逃逸;同時具有一定的柔性來分散抱捕載荷,減輕結構損傷。空間碎片的外形特點需要機器人具有多自由度來實現大容差的環繞抱捕;同時需要機器人的姿態準確可控,可達到理想的抱捕姿態。

2 連續型機器人的驅動方式

空間小碎片抱捕任務需要連續型機器人的驅動方式能適應空間環境,并提供足夠的驅動力來穩定抱捕構型。目前連續型機器人的驅動方式可依據驅動裝置是否外置分為外置驅動、內置驅動、混合驅動。

1)外置驅動

外置驅動的典型代表是繩驅動。該方式將驅動裝置置于機器人外部,通過連接裝置(驅動繩)來間接驅動機器人運動。其中,驅動繩本身并不具備支撐機器人主干結構的功能。美國克萊姆森大學設計的繩驅動象鼻(Elephant’s Trunk)機器人具有一定的承載能力[7]。哈爾濱工業大學的繩驅動連續型機器人[8-9]質量較輕。繩驅動連續型機器人具有結構簡單、容易控制、溫升較小等優點,相較其它驅動方式對于使用環境的要求較低,且具有一定的承載能力,可作為太空中進行抱捕任務機器人的驅動裝置,如圖1所示[8]。

圖1 繩驅動連續型機器人

2)內置驅動

常見的內置驅動有3種,分別是氣體驅動、智能材料驅動和預彎曲同心管驅動。

美國氣動(OctArm)連續型機器人[10]具有多余自由度,見圖2(a)。針對氣動機器人可操作性差的問題,西安交通大學的新型氣動肌肉機器人改進了控制方式[11]。氣動的連續型機器人具有質量較輕、響應速度快、柔順性高的優點,但是氣體的可壓縮性會導致機器人的整體控制精度較低[12],并且降低了機器人的剛度。此外,由于空間環境屬于超真空,氣動機器人需要進行特殊的密封性設計,空間應用性價比較低。

圖2 內置驅動

采用新型智能材料作為驅動裝置的連續型機器人統稱為智能材料驅動機器人。智能材料在光電熱刺激下可產生不同程度的形變,可驅動具有柔性主干的連續型機器人在不同方向產生轉動。日本川崎公司設計的使用離子交換聚合金屬材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)驅動的連續型機器人[13]在施加驅動電壓產生形變后,結構復原較慢。北京航空航天大學的形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,SMA)驅動仿象鼻機械臂[14]體積小、質量輕、具有較大的收縮比(可達到50%),見圖2(b)。在空間環境中,材料散熱困難,形變后復原時間長,無法在短時間內改變形態。智能材料驅動在空間應用需要材料具有快速響應特性。

預彎曲同心管機器人也是一種內置驅動機器人,這種連續型機器人體積小、柔順性強,適合用于狹小空間內探測。但空間抱捕任務需要連續型機器人具有一定的結構剛度來維持穩定的抱捕構型,故預彎曲同心管機器人不能滿足任務需求。

3)混合驅動

混合驅動是指在連續型機器人中同時使用內置驅動與外置驅動。在這種驅動方式中,氣體驅動與繩驅動的組合較為常見,氣體驅動更多作為機器人的主干來維持機器人的整體柔順構型并實現大范圍運動,繩驅動用來實現機器人的位置微調。美國克萊姆森大學的混合驅動連續型機器人氣動混合(Air-Octor)[15]質量較輕,見圖3。意大利比薩圣安娜大學的老年人護理混合驅動的連續型機器人[16]具備柔順外形,可減輕碰撞力。混合驅動的連續型機器人兼具氣壓驅動機器人的柔順性和繩驅動機器人的高精度。但混合驅動需要協調多種驅動裝置同時工作,裝配精度要求高。與氣動機器人相同,混合驅動機器人有密封性要求,應用于空間抱捕任務還存在大量有待突破的關鍵技術。

外置驅動、內置驅動、混合驅動3種驅動方式對比見表1。

表1 連續型機器人驅動方式的特性比較

空間中的高真空與極端溫度對機器人的機構性能提出了要求,為了提高機構的可靠性,應該選擇結構相對簡單的驅動方式。繩驅動的連續型機器人具有結構簡單、容易控制、空間環境適應性強等優點,且具有一定的承載能力,適合應用于空間小碎片抱捕任務。本文以繩驅動連續型機器人為對象開展進一步分析。

3 繩驅動連續型機器人的主干

空間小碎片抱捕任務需要連續型機器人的主干具有一定剛度來維持抱捕構型防止目標逃逸,也需要一定柔順性來分散碰撞力,同時需保證機器人操作精度,主干的彎曲形式需要可控。本節針對第1節所分析的適用于空間任務的繩驅動連續型機器人的主干形式進行討論,基于文獻[9,17]對連續型機器人的分類,提出了一種新的分類方式:依據繩驅動連續型機器人中是否含有剛性主干與柔性支撐可分為剛性連續型機器人、剛柔混合連續型機器人、柔性連續型機器人;其中,剛性連續型機器人依據是否含有聯動關節可細分為剛性聯動式連續型機器人和剛性全主動連續型機器人。

繩驅動剛性聯動式連續型機器人的主干由多個臂段串聯而成,每個臂段包括多個剛性臂桿與關節,一段中的關節之間通過使用繩聯動來傳遞運動。哈爾濱工業大學的繩驅動剛性聯動式連續型機器人[18]每個臂段的8個自由度聯動為2個獨立的自由度,臂段內任一關節的運動將通過導向盤輔助聯動繩聯動至其余關節,臂段所需驅動電機數較少,結構質量輕。哈爾濱工業大學的另一種連續型機器人[19]通過“大、小8字型聯動”將單關節的運動傳遞至其它關節,這種聯動結構使機器人的整體控制精度較高,如圖4所示。繩驅動剛性聯動式連續型機器人的優點是工作空間大,同時減少了驅動電機數量。且每個臂段內的關節運動具有一致性,控制精度高,應用于空間抱捕任務具有優勢。

圖4 繩驅動剛性聯動式連續型機器人

繩驅動剛性全主動連續型機器人通過驅動繩對分段主干中的每個關節進行單獨控制,以實現連續型機器人的多自由度運動。哈爾濱工業大學的全主動機器人[8]由10個模塊化的2自由度關節串聯,使用30個電機對各關節進行驅動,質量較大。湖南大學的變截面連續型機器人具備10個自由度[20],同時保證較高的控制精度。繩驅動剛性全主動連續型機器人難以兼顧電機數目與工作空間,在空間抱捕任務中應用具有一定局限性。

繩驅動剛柔混合連續型機器人通過在剛性主干之間的關節中添加柔性材料來傳遞運動并維持構型。北京航空航天大學的球鉸繩驅動剛柔混合連續型機器人[21]依靠橡膠墊片來傳遞運動/力,存在控制精度低的問題。北京空間飛行器總體設計部的連續型機器人[22]通過在關節之間增加彈簧組成剛柔混合結構來增強結構柔順性。繩驅動剛柔混合連續型機器人具有較高的柔順性和對環境的適應能力。但是依靠柔性支撐進行傳力會降低機器人的剛度并增加控制難度,在空間抱捕任務中應用,需要采用具有快速響應能力的控制算法以及精確的力反饋系統,并實時監控機器人姿態,協調難度較高。

繩驅動柔性連續型機器人采用柔性材料作為主干,構型更加平滑柔順,趨近于具有無限自由度。羅馬尼亞克拉約瓦大學的繩驅動柔性連續型機器人[23]由于具備彈性材料主干,結構較為柔順,見圖5。香港中文大學的繩驅動柔性機構(Constrained Wire-driven Flexible Mechanism,CWFM)[24]采用主動約束來控制柔性主干的長度,擴展了工作空間并增強了靈活性。使用柔性主干的連續型機器人結構剛度相對較低,在空間抱捕任務中難以維持抱捕構型,因而應用受到限制。可變剛度設計能擴展其操作能力,是目前研究的熱點之一。

圖5 繩驅動柔性連續型機器人

表2比較了具有不同主干特性的繩驅動連續型機器人。

表2 繩驅動連續型機器人的不同主干特性比較

空間抱捕任務要求連續型機器人具有靈活性強、結構剛度大、工作空間大、精確性高的特點。繩驅動剛性聯動式連續型機器人不具有柔性結構,整體結構剛度較大,同時由于關節之間實現繩聯動,無需對各關節單獨進行驅動,在擴大機器人工作空間的同時減少驅動電機的數量,減輕了結構質量。繩驅動剛性聯動結構較為符合空間抱捕任務對連續型機器人提出的結構要求,具有良好的應用前景。

4 繩驅動連續型機器人的關節

空間抱捕任務所需的連續型機器人為了完成在復雜環境中運動與小碎片抱捕,同時簡化控制難度,機器人每個臂段只需要在驅動繩的牽引下實現2自由度的彎曲。本節基于第1、2節的分析,研究不同主干類型的繩驅動連續型機器人所使用的關節,并討論不同類型的關節進行繩聯動的可行性與復雜程度。繩驅動連續型機器人可應用的常見關節為萬向節、轉動副、球鉸、2自由度并聯腕(3-UU)關節。

萬向節是繩驅動連續型機器人常見的關節連接方式,如圖6所示[18]。清華大學的連續型機器人中,每個臂段中的6根臂桿都通過萬向節進行連接[25],通過聯動繩來保證單個臂段中萬向節運動的同步性。哈爾濱工業大學的連續型機器人采用具有中空結構的萬向節來實現轉動,中空結構用于布置傳感器的電源線和信號線[17]。萬向節具備2個方向的自由度,使用萬向節的連續型機器人結構簡單、緊湊。同時萬向節能夠通過繩聯動實現關節同步運動,同步運動的萬向節使得機器人在運動時具有分段等曲率的幾何特征,從而增強操控性能。適合作為繩驅動剛性聯動式連續型機器人的關節。

圖6 萬向節關節

轉動副具有1個自由度,在早期連續型機器人中應用較多。哈爾濱工業大學的繩驅動內窺鏡機器人使用轉動副關節[26],各臂段中環形臂桿兩側的鉚接耳呈90°交叉布置形成萬向環,結構可拓展。哈爾濱工業大學的另一種轉動副連續型機器人每一臂桿兩側的鉚接耳相差15°布置[27],由12個轉動副串聯而成的機器人可實現末端6自由度的運動。使用轉動副的機器人為實現三維空間運動,常將轉動副90°交替排布形成萬向環。驅動力的傳遞往往靠關節碰撞實現,控制精度低,如圖7所示[28]。

圖7 轉動副

球鉸類似人體關節,具有兩個彎曲自由度和一個旋轉自由度。中國科學院大學的連續型機器人采用球鉸連接[28],結構簡單。東南大學的變剛度球鉸仿生連續型機器人[29],同時安裝氣囊和彈簧裝置來調節球鉸的關節剛度,結構可拓展。球鉸具有結構簡單、安裝便利的優點。但安裝在連續型機器人中的球鉸需要限制扭轉自由度,增加控制難度,難以滿足空間抱捕任務對連續型機器人的控制精度要求,如圖8所示[28]。

圖8 球鉸

3-UU關節結構較為復雜,由三根連桿和兩個剛性盤組成,連桿和剛性盤連接處可進行2自由度運動。由韓國理工大學所設計的線驅動雙臂(LIMS2-AMBIDEX)機器人將3-UU關節應用于機器人的手腕中[30],結構剛度較低,需要安裝緊固裝置。哈爾濱工業大學設計了基于該關節的繩驅動剛性聯動式連續型機器人[31],由于3-UU關節存在的同一自由度兩側長度變化一致的特點,通過約束相鄰關節的兩側來實現繩聯動。3-UU關節的結構不夠穩定、剛度較差,應用于空間抱捕任務需提升結構剛度,如圖9所示[31]。

圖9 3-UU關節

針對各關節特性的對比見表3。

表3 繩驅動連續型機器人的不同關節特性比較

結合應用于空間抱捕任務的機器人特征需求發現,需要關節之間實現聯動,完成運動/力的傳遞。由于萬向節能夠實現繩聯動,并且結構穩定,制造與安裝的難度較小,更加適合應用于空間環境。此外,在萬向節的繩聯動設計時還需要考慮轉動范圍、傳動效率、繩索受力等多重約束,以提高關節的綜合性能。

5 需關注的關鍵問題

結合前文的分析,連續型機器人驅動方式、主干結構和關節的形式選擇直接影響機器人的性能。

針對空間抱捕任務的特殊應用需求,開展面向此類任務的連續型機器人結構設計需考慮如下3方面的問題:

(1)連續型機器人的驅動方式需要滿足空間環境適應性。繩驅動對環境要求低,同時使用繩驅動的連續型機器人往往具有較高的結構剛度,適合作為空間抱捕連續型機器人的驅動裝置。3種內置驅動具有結構柔順、連續性強的優點,但是氣體驅動對密封性要求較高,智能材料驅動在空間環境中散熱困難,無法短時間內多次改變構型,預彎曲同心管機器人結構剛度較差,無法滿足維持抱捕構型的剛度需求。故應用于空間抱捕任務的連續型機器人驅動方式面臨的關鍵問題在于:如何在滿足空間環境要求的前提下,不斷提升驅動力、速度等關鍵性能。

(2)連續型機器人的主干需要滿足抱捕任務的剛度要求。連續型機器人為了提高剛度與控制精度,可采用剛性分段主干,然而剛性分段主干的整體連續性、柔順性不如柔性主干。柔性主干和在剛性主干中添加柔性支撐形成的剛柔混合結構在一定程度上提升了機器人的柔順性,但控制難度隨之增加。對于空間小碎片抱捕任務,既需要連續型機器人具有較好的剛度以維持預期的抱捕構型從而防止目標逃逸,又需要具有一定的柔順性以避免抱捕過程產生較大的接觸碰撞力,剛度設計需要結合目標特性和任務要求綜合權衡。

(3)面向空間抱捕任務的剛性主干連續型機器人關節需要綜合考慮自由運動和力傳遞的矛盾。連續型機器人的關節需要具備足夠的自由度來滿足超冗余自由度特性,同時還需要實現主干運動和力的傳遞。多自由度運動和運動/力傳遞之間的矛盾是關節設計需要解決的核心問題,此外還需要關注的設計約束包括關節等效剛度、運動干涉、局部強度等。

6 空間抱捕連續型機器人結構研究展望

針對空間小碎片抱捕任務特點,連續型機器人結構的后續重點研究方向以下3方面。

(1)針對具體任務開展結構參數優化:空間小碎片抱捕任務對連續型機器人的剛度與靈活性等指標提出要求,需要結合抱捕對象的外部幾何特性確定連續型機器人結構特征參數,使其在工作空間內保證一定的靈活性并具備維持抱捕構型的剛度。對此,需要從連續型機器人的桿件長度和直徑、關節自由度和最大轉角、繩孔位置和繩聯動摩擦特性等多維度統籌考慮,對機器人進行結構優化,以滿足抱捕任務的需求。

(2)提高機器人結構的感知能力:連續型機器人在抱捕任務中需要基于和目標碎片的接觸位置、接觸力等信息來調整自身構型和抱捕力。因此,需要在機器人的驅動繩、主干、關節上布置力傳感器、觸覺傳感器、角度傳感器等傳感裝置,通過多信息融合獲取完整的外部信息,為連續型機器人的精確控制提供基礎。這些傳感器的布置需要與機器人結構進行一體化設計,確保信息獲取的準確、實時、可靠。

(3)適應空間運動碎片抱捕策略的結構特性設計:空間小碎片存在速度快、自旋轉、形狀不規則等特點,直接抱捕操作可能超出連續型機器人的承載能力導致任務失敗。因此設計抱捕控制策略為:在抱捕開始前控制連續型機器人順應目標碎片運動;在接觸目標時依據自身結構特性快速響應目標外形特點,減慢目標速度并消除旋轉;當目標可被安全抱捕時控制機器人進行抱捕操作。依據上述控制策略,從抱捕碎片的動力學特性出發,建立“碎片-機器人”動力學模型和控制模型,通過抓捕過程的動力學-控制聯合仿真獲取所需的機器人驅動能力與響應特性,在此基礎上建立連續型機器人結構優化目標函數,通過反復迭代得到最優結構參數。

7 結束語

本文分析了國內外連續型機器人的研究與應用現狀;結合在空間中完成小碎片抱捕任務的應用需求,對連續型機器人的驅動方式、繩驅動連續性機器人主干特征、關節特征進行分析比較,得到如下結論。

(1)繩驅動的連續型機器人具有結構簡單、容易控制、空間環境適應性強等優點,驅動方式的選擇需結合抱捕小碎片任務需求和空間環境限制綜合考慮。

(2)連續型機器人的主干剛度設計需兼顧構型保持和接觸沖擊要求,關節設計需要合理解決多自由度運動和力傳遞之間的矛盾。

(3)從空間抱捕任務特點出發開展機器人驅動能力、響應能力和感知能力設計是繩驅動連續型機器人未來重點發展方向。