空間機械臂機電一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計及控制

呂曉軍

（西安航空學(xué)院，西安 710077）

空間機械臂機電一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計及控制

呂曉軍

（西安航空學(xué)院，西安 710077）

由于現(xiàn)在強調(diào)一體化設(shè)計，因此空間機械臂也在逐漸實現(xiàn)及機電一體化。機電一體化的空間機械臂提高了其可靠性、集成性和自然性，為我國航天事業(yè)的發(fā)展提供了強大的推進力?？臻g機械臂是一個集機、電、熱、控一體化的空間機電系統(tǒng)，其研究和設(shè)計難度較大，需引起高度重視。

空間機械臂 機電一體化 設(shè)計 控制

隨著科技的不斷進步，國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國防工業(yè)發(fā)展迅速，人們生活水平不斷提高，人們越來越關(guān)注與太空相關(guān)的一些新聞，使得人們對航天器的需求量日益增加，并且對航天器的綜合能力要求也不斷提高。特別是在空間站軌道服務(wù)、宇宙探測等空間技術(shù)領(lǐng)域的要求也不斷提高，使得對空間機械臂的要求越來越迫切，且對其工作能力和工作性質(zhì)也提出了新的要求。因此，要堅持獨立自主、自力更生的原則，不斷加強對空間機械臂機電一體化的關(guān)節(jié)設(shè)計和控制研究。

1 空間機械臂發(fā)展概況

隨著地球生態(tài)的不斷惡化，人們開始探索對太空資源的利用，使得世界主要國家都在進行航天事業(yè)的發(fā)展。航天事業(yè)的發(fā)展離不開空間站的設(shè)立，因此絕大多數(shù)國家都在空間站的設(shè)立上有著自己的核心技術(shù)?？臻g機械臂可以稱為是空間站設(shè)立的重要組成部分?？臻g機械臂有在宇宙飛船艙內(nèi)和宇宙飛船艙外兩大類，主要實現(xiàn)對宇宙飛船的維修、裝配合作的空間站等作用。我國從20世紀80年代開始，先后開展了多個空間機械臂的基礎(chǔ)研究和演示項目，摸索相關(guān)問題和關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑，如今已取得了巨大突破，具體表現(xiàn)就是我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展。雖然我國載人航天事業(yè)取得了巨大成就，但是還存在許多問題亟待解決，如實現(xiàn)對空間機械臂機電一體化關(guān)節(jié)的設(shè)計。這就需要我國加大對空間機械臂的研究力度。

2 機電一體化關(guān)節(jié)的總設(shè)計

2.1 機械臂的構(gòu)成

空間機械臂主要通過計算機對在軌控制系統(tǒng)實行遠程操作，以實現(xiàn)空間機械臂能夠在無人情況下進行良好的運作?？臻g機械臂主要包括：地面組控制、在軌控制系統(tǒng)、末端作業(yè)、工具系統(tǒng)、基座移動系統(tǒng)、感官系統(tǒng)、末端效應(yīng)器、關(guān)節(jié)及其驅(qū)動等部分，如圖1所示。

2.2 空間機械臂的功能要求

由于宇宙環(huán)境不適合人類生存，因此在載人航天技術(shù)上，必須要能應(yīng)對在宇宙中出現(xiàn)的突發(fā)情況或是實現(xiàn)在宇宙中的施工，以實現(xiàn)建造某一具體的事物的功能，因此空間機械臂應(yīng)運而生。人們在地面進行遠程控制，可使空間機械臂通過其自動化運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)人們在宇宙空間中所要求的某些事情。

2.3 機電一體化設(shè)計方案

①以調(diào)研為基礎(chǔ)，確定機電一體化，關(guān)節(jié)設(shè)計的整體方案。

圖1 空間機械臂系統(tǒng)構(gòu)成

②根據(jù)實際的功能性要求和性能參數(shù)，分配零件的性能指標。

③進行關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣控制硬件設(shè)計。

④設(shè)計關(guān)節(jié)控制算法的控制方法，并編寫相應(yīng)的控制軟件。

⑤完成關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)軟件生產(chǎn)，對其關(guān)鍵性能和功能進行測試。

⑥機電一體化的關(guān)節(jié)控制研究。

2.4 關(guān)節(jié)控制模式

對空間機械臂的控制，主要是通過地面的控制系統(tǒng)對空間機械臂進行遠程控制。根據(jù)地面所下達的指令，主要實現(xiàn)對空間機械臂的以下三種控制。

2.4 .1 位置控制

地面的人們可以通過中央控制系統(tǒng)，對空間機械臂進行位置調(diào)整，使其能在更好的位置進行工作。

2.4 .2 速度控制

宇宙中，由于重力與地球差異較大，因此對速度的控制尤為重要。由于宇宙處于真空狀態(tài)，重力較低，因此必須控制速度。

2.4 .3 力量控制

力量控制是空間機械臂的主要工作之一?？臻g機械臂不同于人的手臂，可以由人來掌握力量的釋放大小，而空間需要通過中央控制系統(tǒng)對空間機械臂進行遠程操作，因此對力量的把握必須準確。

3 發(fā)展空間機械臂的意義

3.1 工程應(yīng)用

空間機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的施工，這不僅能夠促進載人航天事業(yè)的發(fā)展，而且能夠促進我國國內(nèi)工程建設(shè)的發(fā)展，如對一些危險的建筑使用空間機械臂進行組裝，不僅使工程更加便利，而且也減小了工程的危險性。

3.2 技術(shù)牽引

空間機械臂的發(fā)展帶動了我國相關(guān)基礎(chǔ)工業(yè)園高科技的發(fā)展，如空間機械臂為了適應(yīng)復(fù)雜惡劣的空間環(huán)境，對其材質(zhì)要求較高，而這促進了國內(nèi)合金材料工業(yè)的發(fā)展。

3.3 增強我國綜合國力

現(xiàn)如今，載人航天事業(yè)的發(fā)展能夠影響國家在國際上的自主話語權(quán)，而我國空間機械臂的發(fā)展，促使我國載人航天事業(yè)不斷進步，提高了我國在國際上的話語權(quán)，進一步增強了我國的政治地位。

4 總結(jié)

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，國民生活水平日益提升，越來越多的人開始關(guān)注國家太空事業(yè)的發(fā)展。航天科技水平是衡量一個國家綜合國力的標準，要使我國在國際上擁有自主話語權(quán)，就必須發(fā)展航天事業(yè)，也就必須重視對空間機械臂的研究?？臻g機械臂機電一體化關(guān)節(jié)設(shè)計，使其能夠更好地為我國載人航天技術(shù)服務(wù)。

[1]譚春林，劉新建.大型撓性空間機械臂動力學(xué)與減速比對振動抑制影響[J].國防科技大學(xué)學(xué)報，2009，（4）：102-106.

[2]潘博，孫京，于登云.大型空間機械臂容錯關(guān)節(jié)與控制[J].機械傳動，2010，（9）：1-5.

[3]王宗源，陳力.柔性空間機械臂系統(tǒng)的模糊滑神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及柔性振動主動抑制[J].空間科學(xué)學(xué)報，2013，（5）：569-576.

[4]梁捷，陳力.柔性空間機械臂末端運動及柔性振動的模糊自適應(yīng)補償控制[J].兵工學(xué)報，2011，（1）：45-57.

[5]孫敬延，史士財，郭創(chuàng)強，劉宏.空間機械臂在軌快換高精度模塊化關(guān)節(jié)的研制[J].四川大學(xué)學(xué)報，2012，（1）：209-214.

Design and Control of Mechatronics Joints for Space Manipulator

LV Xiaojun
(Xi’an Institute of Aeronautics and Astronautics, Xi’an 710077)

As a result of the emphasis on integrated design, space manipulator is also gradually realized and mechanical and electrical integration. Mechatronic space manipulator to improve its reliability, integration and naturalness, for the development of China’s space industry has provided a powerful impetus. Space manipulator is a mechanical, electrical, thermal, control integration of space mechanical and electrical systems, its research and design more difficult, need to pay great attention.

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