空間站組合臂安裝載荷的自主安全操控策略

劉冬雨，劉宏，劉業超，謝宗武，高升

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094；2.哈爾濱工業大學機器人技術與系統全國重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引言

中國空間站在軌建造完成后，將開展較大規模系統和連續的空間科學研究與空間應用。絕大多數空間應用和技術試驗載荷設備通過機械臂實現進出艙以及艙外位置轉移、安裝和拆卸［1-2］。機械臂安裝和拆卸載荷設備是空間站載荷照料的關鍵操作，區別于機械臂轉移航天員等常規操作，這是一類接觸操作任務。如何有效控制插合力大小，既滿足克服插接載荷的阻力、適應在軌位姿偏差，又能夠有效保證機械臂受力時間短、不超過機械臂自身耐受載荷，是機械臂安裝載荷任務的關鍵。

國際空間站有效載荷操作主要通過加拿大2臂（Canadarm 2）或者日本臂（JEM-RMS）完成。這兩套機械臂系統實現載荷操作的主要工作模式為航天員人在回路的閉環操作，由航天員通過艙外視頻信息、遙測驅動的三維模型重構信息，克服天地差異、艙體充壓等帶來的機械臂操作誤差等影響，對載荷進行準確定位，最終完成載荷安裝部署［3-4］。這種操作方式需要為航天員提供較為豐富的艙外視頻和較為精細的三維位置信息，也需要航天員具備較高的機械臂操控水平和大量的地面訓練。

經過多年研究和工程實踐，中國空間機械臂操控技術積累了一定的理論基礎和工程經驗，主要包括力位混合控制方法、阻抗控制方法、力控制方法［5］。空間機械臂采用力位混合控制在軌更換ORU（Orbital replaceable units）的方法較適用于能夠對接觸操作環境準確建模的任務場景，且設置合理的加權選擇矩陣才能保證操作性能，工程實踐中鮮見應用［6］。阻抗控制用于調整機械臂末端位置和接觸力的動態關系，實現了自由空間和接觸空間的穩定過度，同時保證了接觸操作的柔順性能和自由空間運動位置精度，在對于力跟蹤精度要求不高的任務場景（如月壤采樣、衛星捕獲）中得到了廣泛應用［7-8］。力控制由于能夠獲得較好的力跟蹤效果，其理論及試驗研究在地面機器人精細操作領域較為廣泛，但在目前成功在軌飛行的空間機械臂精細操作任務中未見應用和實施報道。

中國空間站已進入應用與發展階段，對于空間機械臂大規模安裝和照料艙外暴露實驗載荷也需要逐步積累技術基礎和工程經驗。為了減少航天員在軌操作的人時需求，降低機械臂操控對空間站資源需求，提高自動化水平，本文針對空間站艙外暴露載荷安裝任務，提出一種空間機械臂插拔載荷的自主安全操控策略。經過地面驗證和在軌實施，該策略成功完成了空間站首次載荷出艙和組合臂安裝操作任務，為后續在空間站大規模開展空間應用和技術試驗奠定了基礎。

1 任務方案

中國空間站由天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙3個基本艙段組成，呈T字構型。天和核心艙居中，問天實驗艙和夢天實驗分別連接于兩側。天和核心艙配置了一臺7 自由度的大機械臂，作業半徑為10 m，最大負載25 t，主要負責大負載大范圍轉移；在問天實驗艙配置了一臺7自由度的小機械臂，作業半徑為5 m，最大負載3 t，主要負責小負載精細操作［9］。大/小機械臂還可以串聯形成組合臂，主要執行支持航天員出艙活動及艙外載荷的大范圍操作任務。安裝在空間站艙外的設備（含艙外載荷）主要通過夢天實驗艙貨物氣閘艙實現自動進出艙［10-11］。

空間站組合臂操作艙外暴露載荷任務主要包括任務準備段、載荷出艙段、機械臂操作段、載荷自檢及狀態恢復段4個階段：①任務準備段主要完成空間站各設備加電設置，組合臂運動至夢天實驗艙貨物氣閘艙附近，航天員將出艙載荷安裝在載荷轉移機構上并關閉貨物氣閘艙艙門。②載荷出艙段主要完成貨物氣閘艙泄壓，開啟夢天實驗艙外艙門，載荷轉移機構攜帶載荷伸出艙外。③機械臂操作段主要完成小機械臂運動及捕獲載荷組件（如圖1（a）所示），載荷與載荷轉移機構分離，小臂攜帶載荷后退至安全位置，大機械臂攜帶小機械臂和載荷大范圍轉移載荷至問天實驗艙上方。運動到位后，大機械臂作為小機械臂的基座鎖定，小機械臂視覺伺服運動至插合載荷位置，小機械臂進入自主流程力控制插合載荷（如圖1（b）所示），在小臂零力控制狀態下載荷適配器鎖緊載荷［12］。④載荷自檢及狀態恢復段主要完成載荷在軌測試，載荷轉移機構縮回至貨物氣閘艙，夢天實驗艙外艙門關閉，貨物氣閘艙回溫復壓，完成系統狀態恢復。

圖1 組合臂安裝暴露載荷Fig.1 Macro-micro manipulator assembling exposed payloads

組合臂以核心艙小柱段為基座，從夢天實驗艙載荷轉移機構上抓取出艙載荷，直接轉移到問天實驗艙上安裝載荷，其跨距超過25 m，充分體現了空間站機械臂自主大范圍轉移安裝載荷的優勢，減小了航天員出艙活動的代價，系統提升了空間站和航天員的安全性。

2 操控策略

2.1 任務分析

2.1.1 尺寸鏈分析

首先分析組合臂負載載荷后開環操作任務尺寸鏈［13］如圖2 和式（1），操作的誤差環節包括：①機械臂基座與艙體之間的連接誤差；②組合臂開環末端絕對誤差；③末端捕獲載荷的連接誤差；④各傳遞環節由于上一環節姿態誤差和本環節長度尺寸誘導出的牽連位置誤差，這一因素往往成為空間宏-微機械臂開環操作存在的主要誤差項。

圖2 組合臂操作載荷末端精度簡化分析Fig.2 End accuracy simplified analysis of macro-micro manipulator operating payloads

式中：δs∈ R3為機械臂操作末端綜合位置誤差，δbase∈ R3為機械臂基座/末端捕獲連接位置誤差，δamacro∈ R3為大機械臂末端絕對位置誤差，δamicro∈ R3為小機械臂末端絕對位置精度；Δs∈ R3為機械臂操作末端綜合姿態誤差，Δbase∈ R3為機械臂基座/末端捕獲連接姿態誤差，Δamacro∈ R3為大機械臂末端絕對姿態誤差，Δamicro∈ R3為小機械臂末端絕對姿態誤差；lpl∈ R3為載荷尺寸，lmacro∈ R3為大機械臂跨距，lmicro∈ R3為小機械臂跨距。

按照組合臂工況估算機械臂開環操作末端誤差，考慮大臂完全伸直10 m、小臂完全伸直5 m構型、1 m有效載荷，按照國際空間站機械臂假定大臂絕對位置誤差50 mm、大臂絕對姿態誤差1°，小臂絕對位置誤差10 mm、小臂絕對姿態誤差1°，忽略捕獲連接誤差環節。估算末端橫向位置誤差可達到142 mm，這將導致載荷與空間站艙體之間的連接機構的容差設計很難實現。因此，在機械臂末端或者連接環節設置視覺感知裝置是非常必要的。

在機械臂末端加裝末端相機，組合臂抓取目標物體后，通過切換載荷相機鏡頭，利用相機測量相對位姿，機械臂控制器通過控制末端的位姿滿足載荷適配器的捕獲對接條件，將機械臂開環操作中傳遞環節的誤差消除，整臂視覺閉環的誤差尺寸鏈變為：

式中：δrmicro∈ R3為小機械臂末端重復位置誤差，δcamera∈ R3為相機測量位置誤差；Δrmicro∈ R3為小機械臂末端重復姿態誤差，Δcamera∈ R3為相機測量姿態誤差。

若相機測量誤差2 mm/0.2°，則載荷末端的位置誤差可小于20 mm。這樣在系統層面將極大地簡化載荷與艙壁之間連接裝置的設計要求，優化了空間站系統整體的資源配置。

視覺伺服定到位的位姿誤差對于載荷安裝這種接觸操作是不能忽視的，較大的視覺伺服誤差以及載荷與安裝位置之間較大的接觸剛度會對機械臂產生較大的反作用約束。因此，在視覺伺服到位后，載荷對接捕獲過程還需要設計合適的機械臂柔順操控策略才能順利安全地完成安裝任務。

2.1.2 宏-微機械臂動力學耦合分析

空間站組合臂是一種典型的空間宏-微機械臂，其優勢是有效操作空間半徑大，能夠覆蓋貨物出艙口、載荷安裝位置，極大地提高空間站載荷操作的效率；同時，這種使用模式也帶來了整臂剛度低的局限性。如果不加以控制和規避，安裝載荷期間整臂末端的作用力可能導致整臂變形后退，甚至導致操作任務無法完成的風險。

在操作任務確定后，大機械臂（7 自由度）和微機械臂（7 自由度）的初始操作構型能夠明確，可通過1 個冗余自由度的自運動特性，遍歷全部可能操作構型，分析微機械臂插合載荷主動出力過程對宏機械臂作用及其變形影響。

考慮到剛性機械臂末端期望位姿x僅與關節剛性運動q有關，與機械臂系統柔性變形無關，即：

式中：x∈ R6為機械臂末端在慣性空間的位姿；q∈ R7為關節的剛性角度向量。將上式對時間求導：

式中：J=為剛性機械臂雅可比矩陣。對于冗余度機械臂，將上式對時間t求導，可得的通解為：

式中：J+為J的廣義逆矩陣，J+=JT(JJT)-1；ε∈ R7為任意矢量矩陣；I∈ R7×7為單位陣。

式（5）等號右側第二項中I-J+J為雅可比矩陣J的零空間，通過調節ε控制機械臂自運動。

合理假定J+為滿秩矩陣，則ε只有1 個冗余自由度，即ε的所有元素不是獨立的。使用奇異值分解（SVD），可以將列向量ε變換為代數形式關系。雅可比矩陣J的奇異值分解可以表達為下式：

式中：P∈ R6×6，Q∈ R7×7為酉矩陣；Q1∈ R7×6為次酉矩陣；S∈ R7×1；σ∈ R6×6，其對角線元素為雅可比矩陣J的奇異值。根據酉矩陣P和Q的正交特性，雅可比矩陣J的廣義逆J+和雅可比矩陣J的零空間I-J+J可以改寫為式（8）和式（9）：

由于矩陣Q的7 個列是實數空間R7的基，ε可以寫成Q1的6列和S的1列的線性組合，如下式：

式中：β為6×1 列向量；α為自運動系數（本文機械臂冗余度為1）。

這樣，式（5）等號右邊第二項可以簡化為：

因此，當末端位姿不變時，自運動過程可改寫為：

按照式（12），對初始構型確定后的1 個冗余自由度的宏機械臂進行構型遍歷，仿真結果如圖3所示。

圖3 宏機械臂操作構型調整仿真算例Fig.3 Simulation example of operation configuration adjustment for macro manipulator

空間機械臂關節變形為末端變形的主要部分，其中繞關節回轉方向的剛度相比其他方向低1個量級，因此主要考慮關節回轉方向剛度。宏機械臂在作為基座時，關節力矩與關節變形關系如下：

式中：τ∈R7為宏機械臂關節力矩向量；Δq∈ R7為宏機械臂由于關節力矩產生的關節變形向量；Kq=diag(kq1，kq2，…，kq7)為關節剛度矩陣。

由力雅可比定義τ=JT(q)F，有下述關系：

為得到機械臂末端坐標系在外力作用下的變形Δx，上述公式中的J(q)均為相對機械臂末端坐標系的雅可比矩陣。上式中Kq-1為關節柔度矩陣。

令方陣C(q)=J(q)Kq-1JT(q)為機械臂末端柔度矩陣，用以表示在操作空間的廣義力F∈ R6和廣義變形δ∈ R6之間的線性關系，即：

代入大機械臂關節剛度，對應大機械臂初始構型下的自運動軌跡，可以獲得大機械臂繞虛擬臂角平面旋轉360°條件下的機械臂末端z方向1 N 操作力的變形量，如圖4所示。從圖中發現，在大機械臂末端z方向施加1 N 作用力，沿著大臂末端坐標系三個方向的變形量在0～20 mm 之間。這對于小臂恒力輸出插合力造成一定程度的影響。

圖4 沿z方向單位力的末端變形量Fig.4 End deformation under unit force along z direction

從理論角度可以通過選擇大機械臂構型降低或減弱末端特定方向受力引起的變形量，從而減小對小機械臂的操作影響。但從工程實踐角度，首先采用自運動調整優化有限；其次，一般會對作為基座的大機械臂的構型通用設計，即不同任務大機械臂支撐構型固化、小機械臂進行構型設計調整。因此，設計合理的小機械臂插接載荷的控制模式、降低宏微機械臂之間的動力學耦合是極為關鍵的。

2.2 自主安全操控策略

本文提出的空間機械臂插拔載荷自主安全操控策略，以視覺伺服引導機械臂進入載荷連接機構對接初始條件、以力控制克服初始偏差引起的阻力實現載荷連接機構捕獲、捕獲后機械臂自主卸載作用力實現整臂操作安全，流程如圖5所示。

圖5 組合臂安裝載荷自主安全操控的總體流程Fig.5 Autonomous and safe operation overall flow of macro-micro manipulator assembling payloads

2.2.1 視覺伺服初定位

在確定載荷安裝目標位置和姿態后，機械臂以開環運動方式粗定位至安裝載荷上方，然后采用視覺伺服閉環控制如圖6所示，運動至載荷目標安裝位置前方，消除開環運動可能引入的基座誤差、大機械臂絕對誤差、小機械臂基座端捕獲連接誤差及各環節姿態誤差引起的牽連誤差，確保進入載荷適配器的對接初始條件。視覺伺服閉環控制的參考輸入為載荷目標位姿Pref∈R6，即控制機械臂末端初始期望解析點FPL=Pref，然后通過機械臂末端相機載荷鏡頭測量感知獲取相對Ftarget的實際位姿Pprac∈R6，通過每個周期的閉環控制使得FPL-Ftarget∈D±ξ。在機械臂載荷相機測量得到視覺閉環到位誤差滿足ξ設置指標后，視覺閉環控制自動退出至伺服待機狀態。其中，理想對接初始條件D=[d，0，0，0，0，0]T，根據載荷連接機構設計狀態，一般只在載荷前進方向d不為零；對接初始條件容差范圍ξ=[δ，δ，δ，Δ，Δ，Δ]T，一般載荷橫向位置容差δ和姿態容差Δ分別設置。

圖6 機械臂視覺伺服控制框圖Fig.6 Block diagram of visual servo control for manipulator

2.2.2 力控制自適應插合載荷

機械臂力控制器框圖如圖7 所示，建立安裝載荷過程機械臂與環境交互動力學模型如下［14］：

圖7 機械臂安裝載荷力控制框圖Fig.7 Block diagram of force control for manipulator assembling payloads

式中：M(q)為慣量矩陣為多自由度運動耦合的非線性項；重力項g(q)在空間微重力環境中恒為零；作用在機械臂末端的接觸力向量Fe通過JT(q)折算到關節空間；u為關節控制向量。

整臂采用改進逆動力學控制律，具有如下形式：

式中：aq和F分別為加速度的外環控制量和機械臂末端期望力。

式中：Md，KP，KD為通過力控制后機械臂對操作環境表現的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；xe表征操作空間的虛擬期望位置與實際位置之間的跟蹤誤差向量；xF=CF(F-Fe)表征操作空間與力誤差相關的參考向量，其中CF為具有柔量含義的對角陣，該矩陣給出了機械臂沿操作空間期望方向執行的控制作用。

聯立式（16）～（18），可得到機械臂安裝載荷過程接觸力控制的閉環系統方程：

將機械臂采用力控制插合載荷過程簡化為經典的軸孔裝配模型考慮。若在沿插合方向x設置一個常值正期望力Fx，其余方向設置的力和力矩期望值盡可能小。則上述閉環系統方程表現為下述控制效果：

1) 在機械臂插合載荷主被動端接觸捕獲前：接觸力Fe在前進方向x上的分量很小、接近為零，機械臂末端會控制載荷繼續朝著期望的插合方向運動；其余方向上由于期望力/力矩為零，即使存在接觸力作用，機械臂會通過關節力控制作用，朝向減小作用力的方向運動，自適應的調整殘余位姿偏差。

2) 在機械臂插合載荷主被動端接觸后、捕獲前：由于機械臂無法繼續沿插合方向x前進，系統在力控制作用下使得xF逐漸增加，最終控制接觸力Fe與期望力F平衡。

按照上述控制策略，在視覺伺服到位退出后，分別對機械臂和載荷發送指令，控制機械臂和載荷進入自主交互流程。載荷開始持續判斷載荷連接機構上的捕獲傳感器狀態，通過邏輯組合判斷，若滿足捕獲判據，則向機械臂發送“載荷捕獲”信號；機械臂持續查詢載荷發送來的“載荷捕獲”信號，若收到載荷捕獲信號則通過軟件為機械臂力控制線程發送卸載指令。

機械臂力控制插合載荷期間，機械臂中央控制器通過力雅可比將末端期望力F=[Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz]T∈R6分解為各關節期望力矩τ=[τ1，τ2，…，τ7]T∈R7，在關節控制器處進行力矩閉環控制。關節力控制采用關節力矩傳感器數據進行力矩閉環。這里雅可比J(q)只和當前機械臂的構型q=[q1，q2，…，q7]T∈R7相關。

針對安裝載荷插合方向的類型，通常將末端期望力F=[Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz]T設置為插合方向不為零，其余方向盡可能設置較小的模值。這樣機械臂對接觸環境表現為一種自適應調整的狀態，即機械臂會沿著受到約束阻力小的方向，以期望的插合力對接載荷，可以較好地克服地面無法準確測量的誤差環節（包括載荷被動端及靶標之間、載荷組件等的地面精測誤差），在軌無法測量的誤差環節（航天員在軌組裝載荷的偏差及機械臂視覺伺服到位殘差）以及無法建模的天地差異環節。該特性是組合臂安裝載荷這一類精細接觸操作任務的關鍵核心。

2.2.3 插合力自主卸載

按照自主安全操控策略總體流程，在機械臂力控制插合載荷、載荷捕獲后，“載荷捕獲”信號送機械臂控制器；機械臂控制器一旦得到“載荷捕獲”信號，則立刻自動進行作用力穩定卸載，機械臂期望力設置為F=[0，0，0，0，0，0]T。按照閉環控制方程式（19），機械臂通過關節力控制器自適應調整虛擬期望跟蹤誤差xe，達到控制末端接觸力卸載的效果。地面確認機械臂接觸力卸載完成后，分別向機械臂和載荷發送指令，控制機械臂和載荷退出自主交互流程。載荷完成最后鎖緊。

機械臂對外表現為期望為0 N 的力控制隨動狀態，對機械臂和載荷均進行了安全保護：①載荷一旦捕獲，機械臂就不再持續進行主動力加載，減少機械臂受力時長、降低宏微機械臂之間的動力學耦合；②載荷捕獲后，機械臂不再施加外力，盡可能減少機械臂對載荷的作用。

空間機械臂插拔載荷自主安全操控策略，由組合臂開環運動實現大范圍轉移、視覺伺服提供精細定位克服各項誤差環節影響為機械臂安裝提供良好的初始條件；由力控制自適應克服載荷安裝位姿殘差；由自主交互流程減少天地、機械臂與載荷交互時間、力控制持續時間，系統實現準確、自主和安全完成載荷安裝任務。

3 地面驗證

空間站機械臂規模大，無法在地面建立全三維物理驗證環境，因此采用地面驗證體系分解方法，對機械臂操作任務分解驗證，如表1 所示。系統級/分系統級地面驗證主要包括仿真驗證和地面試驗驗證兩部分內容。系統級驗證主要聚焦在分系統間接口匹配性、飛行任務綜合驗證；分系統驗證則聚焦在產品功能性能驗證。仿真驗證主要針對機械臂操作任務路徑規劃、動力學和控制算法正確性和性能指標驗證。地面試驗主要針對機械臂及操作對象的機電信息接口匹配性、飛行程序正確性進行驗證。由于大型空間機械臂一般采用氣浮平臺作為試驗環境，地面試驗大多在二維平面條件下開展。

表1 組合臂操作載荷任務地面驗證矩陣Table 1 Ground verification matrix for macro-micro manipulator operating payload task

3.1 仿真驗證

在商用軟件ADAMS 中建立空間站-組合臂-載荷系統動力學與控制聯合仿真模型［15-16］。仿真初始狀態設置為組合臂攜帶載荷由載荷適配器對接面距離500 mm位置（載荷適配器主被動端上下表面相距x=500 mm+108 mm=608 mm）；并人為拉偏前進方向偏差x=30 mm、橫向偏差y=15 mm，z=20 mm，模擬組合臂開環運動初始偏差。仿真結果如圖8所示，仿真表明：

圖8 組合臂視覺伺服+力控制插合載荷仿真結果Fig.8 Visual servo and force control insertion payload simulation results of macro-micro manipulator

1) 載荷適配器捕獲狀態下，被動端下底面到主動端上頂面距離108 mm。組合臂攜帶載荷由距離500 mm 位置（此時載荷適配器主被動端上下表面相距500 mm+108 mm=608 mm）開始運動，如圖8（a）所示，運動過程的側擺偏移在±15 mm 以內，約30 s后機械臂運動到位，橫向偏差小于載荷適配器的±30 mm的容差范圍。因此，載荷適配器主動端與被動端可以完成初始定位至對接初始條件。

2) 當小機械臂視覺伺服到位如圖8（b）所示，小臂切換力控制，主動出力，克服可能受到的阻力包括：①捕獲裝置的阻力，②捕獲檢測裝置的阻力，③導向機構的支反力、彈性變形力和摩擦力等，且有一定裕量。這里設置組合臂（小臂）末端期望力30 N 進行載荷適配器主被動端壓緊，直至捕獲機構捕獲。小臂施力后約7 s，末端力達到設定值30 N，關節力矩及末端六維力和肩部六維力狀態正常。小臂關節力矩小于150 N?m，在小臂設計范圍內。末端可以實現期望力穩態跟蹤30 N。

3) 通過仿真還可判斷小臂力控制對作為基座的大臂的作用，大臂末端位移和整臂末端位姿呈穩定狀態。當小臂末端輸出主動力穩定后，組合臂末端的位置和姿態也趨于穩定狀態，且此時，小臂能夠克服大臂位移影響，實現載荷適配器的插合。

3.2 試驗驗證

如圖9 所示，在地面利用氣浮平臺搭建試驗驗證系統，在氣浮臺上平面布局大機械臂、小機械臂、載荷正樣產品及其地面零重力工裝（含氣足、支撐支架等），在氣浮臺下設置模擬空間站暴露平臺的模擬墻安裝載荷適配器被動端以及氣足的氣源及其供氣管路［17］。

圖9 組合臂操作載荷系統級地面試驗Fig.9 System-level ground test of macro-micro manipulator operating payloads

利用地面電源、地面測試設備模擬空間站平臺供電和指令發送及遙測接收，1∶1 驗證了組合臂操作暴露載荷安裝的正常/故障飛行程序、組合臂與載荷適配器和載荷接口的匹配性。

4 在軌實施

2023 年初，中國空間站首次在軌完成了載荷出艙及組合臂安裝任務。夢天實驗艙貨物氣閘艙載荷轉移機構攜帶載荷伸出至艙外，組合臂通過視覺伺服捕獲載荷，如圖10（a）所示。組合臂以多關節聯動方式，將載荷大范圍轉移至問天實驗艙暴露平臺上方。小機械臂視覺伺服運動至插合載荷位置，然后進入自主流程力控制插合載荷，如圖10（b）所示。

圖10 組合臂在軌操作載荷Fig.10 Macro-micro manipulator operating payloads on orbit

組合臂狀態下小臂通過載荷相機完成視覺伺服精定位，視覺伺服精定位持續時間為118 s。以圖11 所示時間軸0 s 時刻定義為T0，進入視覺伺服約40 s，小臂達到視覺伺服到位閾值，正常退出視覺伺服模式。此時，載荷適配器主動端定位銷已經進入被動端的導向孔內，由于天地差異、載荷組件地面精測及在軌組裝偏差及機械臂視覺伺服到位殘差，小臂末端受到載荷適配器導向結構約束而處于受力狀態，如圖12所示。以時間軸119 s時刻定義為T1，機械臂和載荷分別進入自主交互模式。T1+184 s（T0+303 s）小機械臂開始實施力控制插合，T1+192 s（T0+311 s）載荷適配器主被動端捕獲，同時小機械臂開始卸載作用力。T1+474 s（T0+593 s）載荷適配器鎖定開始，T1+772 s（T0+891 s）載荷適配器鎖定完成，載荷安裝完成。

圖11 安裝載荷期間小臂載荷相機測量結果Fig.11 Payload camera measurement of micro manipulator during assembling payload

圖12 安裝載荷期間小臂末端力/力矩Fig.12 Endpoint force/torque of micro manipulator during assembling payload

1) 從小臂末端受力/力矩曲線（圖12）可以看出，視覺伺服定位后的位置殘差造成機械臂額外受力，對載荷插合造成一定擾動；這種狀態保持到T1+184 s（T0+303 s）小臂切至力控制，垂直于插合方向的期望力（Fy/Fz/Mx/My/Mz）較好地解除了該擾動；插合的垂直方向自適應后，插合方向力Fx同步很快跟蹤期望插合力，僅7 s 便克服了捕獲阻力，完成了載荷適配器主被動端的插合，并使載荷適配器給出捕獲信號。

2) 在小臂關節力矩曲線（圖13）中，末端插合期望力由關節期望力矩實現，關節實際力矩在T1+184 s（T0+303 s）開始跟蹤期望力矩。載荷適配器捕獲（實際作用力尚未達到期望作用力），小臂收到載荷適配器的總線信號，將期望力矩恢復至0 N?m，關節力矩傳感器實測力矩重新恢復至力控制前狀態，使機械臂盡可能短時間施加力控制，降低了微機械臂操作對宏機械臂的動力學影響。

圖13 安裝載荷期間小臂關節力矩Fig.13 Joint torque of micro manipulator during assembling payload

3) 從小臂載荷相機測量曲線（圖11）可以看出，插合橫向y/z殘差存在1 mm 左右，偏航姿態Ψ存在約0.4°的天地差異，這部分隨機誤差既無法通過視覺伺服閉環掉，也無法進行在軌準確獲取，本文的力控制柔順自適應方案是合理可行的，基本對宏、微機械臂之間的動力學耦合實現了解耦。插合方向x在力控制作用下前進了約20 mm，這與設計狀態基本一致。

4) 載荷適配器鎖緊過程，小機械臂已切為零力控制狀態。這里設定關節隨動閾值為20 N?m，因此在T1+474 s（T0+593 s）后，小臂關節受力不超過20 N?m 則不進行位置調整，受力狀態持續保持。該方案既滿足了載荷適配器從捕獲狀態到鎖緊狀態的精確定位調整適應需求，同時也滿足機械臂自身穩定性需求。

5 結論

本文針對空間站組合臂操作艙外暴露載荷任務，分析了機械臂操作的尺寸鏈誤差，提出了一種空間機械臂安裝載荷自主安全操控策略。該策略以視覺伺服提高安裝載荷的初始精細定位精度、以柔順力控制和自主交互流程克服對接殘余位姿偏差，減少交互及力控制持續時間，自主安全完成載荷安裝操作。

經過地面驗證和在軌實施，空間站組合臂順利完成了首次載荷出艙安裝任務，機械臂視覺伺服到位，位置精度優于1 mm/姿態精度優于0.5°，力控制平穩跟蹤30 N 期望力并實現了橫向位置殘差的柔順適應，自主流程7 s完成對接捕獲并穩定卸載作用力，確保空間站首次載荷安裝任務穩妥自主安全完成。