我國(guó)空間站機(jī)械臂系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

王友漁 胡成威 唐自新 高升 熊明華 王耀兵 梁常春 李德倫 張文明 陳磊 曾磊 朱超 劉鑫

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

空間機(jī)械臂是在軌構(gòu)建大型航天器最高效、最安全、最經(jīng)濟(jì)的工具之一。第一個(gè)用于“國(guó)際空間站”建設(shè)的大型空間機(jī)械臂是由加拿大MDA公司研制的、安裝在航天飛機(jī)上的加拿大I臂(SRMS)，其主要任務(wù)是把通過(guò)航天飛機(jī)上行的艙段、貨物送至“國(guó)際空間站”，并完成轉(zhuǎn)運(yùn)、組裝等任務(wù)。2001年，另一個(gè)在”國(guó)際空間站”建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用的大型空間機(jī)械臂加拿大Ⅱ臂(SSRMS)被安裝至”國(guó)際空間站”，主要完成了”國(guó)際空間站”艙外檢查、來(lái)訪飛行器捕獲和輔助停泊、艙外設(shè)備搬運(yùn)及維修維護(hù)以及輔助航天員出艙活動(dòng)等任務(wù)。

隨著我國(guó)載人航天三期空間站工程的順利實(shí)施，天宮空間站機(jī)械臂作為深入開(kāi)展載人航天活動(dòng)必不可少的工具，將在我國(guó)空間站系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]?？臻g站機(jī)械臂涉及了機(jī)、電、熱、控制、光學(xué)、動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)、材料、遙操作與人機(jī)交互、算法與軟件、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證等多方面的關(guān)鍵技術(shù)，是典型的多學(xué)科交叉融合的空間一體化智能裝備系統(tǒng)。該系統(tǒng)高度集成，構(gòu)成復(fù)雜，接口眾多，研制難度巨大[2-3]。

在我國(guó)空間站機(jī)械臂系統(tǒng)研制過(guò)程中，技術(shù)人員瞄準(zhǔn)國(guó)際航天技術(shù)前沿，立足于國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)，創(chuàng)造性地開(kāi)展了從無(wú)到有的大型空間機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新研制工作，填補(bǔ)了該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)空白，依據(jù)載人航天工程三期總體方案及任務(wù)要求，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部從2006年至2021年先后研制出我國(guó)空間站機(jī)械臂原理樣機(jī)、縮比樣機(jī)、工程樣機(jī)、初樣結(jié)構(gòu)臂、初樣電性臂、初樣鑒定臂以及正樣臂7套機(jī)械臂及若干核心單機(jī)驗(yàn)證產(chǎn)品，開(kāi)展了大柔性多體系統(tǒng)高精高穩(wěn)控制、柔性力控制、目標(biāo)識(shí)別和位姿測(cè)量、核心部件研制及全工況覆蓋地面試驗(yàn)驗(yàn)證等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與驗(yàn)證工作[4-6]，實(shí)現(xiàn)大型空間“智能裝備系統(tǒng)”零的突破，形成了我國(guó)空間機(jī)器人新型設(shè)計(jì)驗(yàn)證體系。

2021年4月底，空間站機(jī)械臂隨著中國(guó)空間站第一個(gè)艙段——天和核心艙成功發(fā)射，該機(jī)械臂系統(tǒng)承擔(dān)了艙段轉(zhuǎn)位與對(duì)接、支持航天員出艙活動(dòng)、懸停飛行器捕獲、艙外貨物搬運(yùn)、艙外狀態(tài)檢查、艙外設(shè)備安裝及維護(hù)維修、暴露平臺(tái)載荷照料等任務(wù)，是我國(guó)空間站組裝建造與運(yùn)行維護(hù)的重要裝備之一。這是中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)面向航天器在軌組裝建造及維護(hù)的空間機(jī)器人工程應(yīng)用。

本文以我國(guó)空間站核心艙機(jī)械臂為例，論述了我國(guó)空間站機(jī)械臂系統(tǒng)方案，總結(jié)了空間站機(jī)械臂的關(guān)鍵技術(shù)及在軌應(yīng)用驗(yàn)證情況[7-12]，并對(duì)空間站機(jī)械臂的發(fā)展提出了建議與展望。

1 我國(guó)空間站機(jī)械臂任務(wù)需求

我國(guó)空間站機(jī)械臂系統(tǒng)需能夠承擔(dān)空間站的建造、運(yùn)營(yíng)支持及后續(xù)擴(kuò)展任務(wù)，具體可歸納為如下幾類：

(1)大型艙段轉(zhuǎn)位與輔助對(duì)接任務(wù)；

(2)懸停飛行器捕獲任務(wù)；

(3)艙外貨物搬運(yùn)任務(wù)；

(4)支持航天員艙外活動(dòng)任務(wù)；

(5)艙外狀態(tài)監(jiān)視與檢查任務(wù)；

(6)艙外載荷照料任務(wù)；

(7)艙外大型設(shè)備維修更換任務(wù)。

根據(jù)任務(wù)分解，機(jī)械臂需要具備多自由度運(yùn)動(dòng)功能、移動(dòng)操作功能、多模式控制功能、多模式操作功能、末端抓捕和鎖緊功能、路徑規(guī)劃功能、視覺(jué)測(cè)量功能、固定航天員及貨物功能等。我國(guó)空間站機(jī)械臂產(chǎn)品與國(guó)際空間機(jī)械臂指標(biāo)對(duì)標(biāo)情況見(jiàn)表1，可以看出，我國(guó)空間站機(jī)械臂在末端精度、速度等關(guān)鍵指標(biāo)上與國(guó)際一流水平相近。

表1 中國(guó)空間站機(jī)械臂與國(guó)際大型空間機(jī)械臂指標(biāo)對(duì)比表Table 1 Specification comparison of the China Space Station manipulator and large scale manipulators abroad

2 我國(guó)空間站機(jī)械臂系統(tǒng)方案

目前在軌應(yīng)用的空間機(jī)械臂主要采用單臂少自由度設(shè)計(jì)方式，其自由度數(shù)量一般不超過(guò)6個(gè)。通常該類機(jī)械臂僅具有固定基座小范圍操作能力，自由度數(shù)量相對(duì)較少，而且其臂桿長(zhǎng)度受限于地面發(fā)射空間限制設(shè)計(jì)較短，導(dǎo)致機(jī)械臂基座固定操作時(shí)的工作空間受到很大約束，特定目標(biāo)部位受運(yùn)動(dòng)干涉約束姿態(tài)不可達(dá)。“國(guó)際空間站”的加拿大機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)空間移動(dòng)，但并不是采用相對(duì)靈活的首尾交替互換“爬行”方式，而是選擇將機(jī)械臂一端固定在滑動(dòng)導(dǎo)軌底座上“隨動(dòng)”進(jìn)行大范圍移動(dòng)操作。該方案需要在艙體表面安裝大型導(dǎo)軌及支架等附加設(shè)施，且僅能照顧空間站一側(cè)空間范圍，不能滿足我國(guó)空間站全空間覆蓋操作要求。另外加拿大機(jī)械臂采用隨航天飛機(jī)上行由航天員在軌手動(dòng)展開(kāi)并安裝到位方案，不具備自動(dòng)展開(kāi)能力，且未考慮承載航天員出艙活動(dòng)故障情況下的人員攀爬返回安全性設(shè)計(jì)。因此有必要設(shè)計(jì)一套具有中國(guó)特色的空間站機(jī)械臂方案。

2.1 總體方案

根據(jù)總體任務(wù)及功能需求，結(jié)合我國(guó)空間站艙外設(shè)備布局特點(diǎn)及資源占用情況，我國(guó)空間站機(jī)械臂系統(tǒng)方案從6自由度固定基座配合導(dǎo)軌移動(dòng)的機(jī)械臂方案，最終發(fā)展為7自由度核心艙大型機(jī)械臂(簡(jiǎn)稱大機(jī)械臂)和7自由度實(shí)驗(yàn)艙小型機(jī)械臂(簡(jiǎn)稱小機(jī)械臂)相結(jié)合的可爬行雙臂組合及協(xié)同系統(tǒng)方案。其中核心艙機(jī)械臂操作半徑大且負(fù)載能力強(qiáng)(全長(zhǎng)超過(guò)10.37 m、最大負(fù)載能力重達(dá)25 t)，主要完成大型艙段搬運(yùn)及轉(zhuǎn)移、艙段捕獲及轉(zhuǎn)位對(duì)接等任務(wù)；實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂相對(duì)靈活小巧(全長(zhǎng)5.5 m、最大負(fù)載能力僅3 t)，主要完成中小型載荷的精細(xì)操作等類型任務(wù)。兩套機(jī)械臂既具有分別獨(dú)立爬行功能，又能通過(guò)串聯(lián)方式形成組合臂，進(jìn)行更大范圍內(nèi)的在軌復(fù)雜操作任務(wù)。機(jī)械臂末端預(yù)留航天員腳限位器接口，可支持航天員出艙活動(dòng)并進(jìn)一步提高其操作能力。

天宮空間站核心艙機(jī)械臂采用7自由度對(duì)稱分布構(gòu)型，由7個(gè)關(guān)節(jié)、2個(gè)末端執(zhí)行器、2個(gè)臂桿、1個(gè)中央控制器以及1套視覺(jué)相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)框圖參見(jiàn)圖1。該機(jī)械臂具體關(guān)節(jié)的配置采用“肩3+肘1+腕3”布局方案，從機(jī)械臂肩部到腕部依次布置了肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩部偏航關(guān)節(jié)、肩部俯仰關(guān)節(jié)、肘部俯仰關(guān)節(jié)、腕部俯仰關(guān)節(jié)、腕部偏航關(guān)節(jié)和腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；為滿足運(yùn)動(dòng)范圍要求，關(guān)節(jié)采用大偏置結(jié)構(gòu)，且在回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及偏航關(guān)節(jié)之間增加關(guān)節(jié)延長(zhǎng)件；為滿足“爬行”功能要求，首尾分別設(shè)置兩套模塊化末端執(zhí)行器，分別安裝于肩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上，用于對(duì)目標(biāo)的抓取、機(jī)械鎖定以及電氣連接；系統(tǒng)配備一套視覺(jué)監(jiān)視與測(cè)量系統(tǒng)，包括以太網(wǎng)交換機(jī)1臺(tái)、腕部相機(jī)兩臺(tái)、肘部相機(jī)(含兩自由度云臺(tái))1臺(tái)，肘部相機(jī)具有視頻監(jiān)視功能，腕部相機(jī)除監(jiān)視功能外還具備目標(biāo)識(shí)別和位姿測(cè)量功能；中央控制器作為機(jī)械臂控制核心，安裝在肘部殼體內(nèi)部，上面布置肘部相機(jī)及以太網(wǎng)交換機(jī)。具體三維構(gòu)型模型參見(jiàn)圖2。

圖1 天宮空間站機(jī)械臂結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Function of the Tiangong space station manipulator

圖2 空間站機(jī)械臂模型Fig.2 Model of the China Space Station manipulator

此外為便于航天員借助機(jī)械臂沿艙壁活動(dòng)，機(jī)械臂從肩部到腕部設(shè)計(jì)了專用扶手，通過(guò)布局優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂任意構(gòu)型故障情況下航天員均能夠沿扶手安全攀爬返回艙內(nèi)。

機(jī)械臂在發(fā)射時(shí)處于收攏壓緊構(gòu)型，通過(guò)1套壓緊釋放機(jī)構(gòu)與空間站核心艙小柱段外壁連接；隨天和核心艙發(fā)射入軌后，壓緊釋放機(jī)構(gòu)通過(guò)火工品控制解鎖釋放，展開(kāi)實(shí)現(xiàn)在軌7自由度運(yùn)動(dòng)功能。

天宮空間站分布有多個(gè)目標(biāo)適配器供機(jī)械臂爬行操作，目標(biāo)適配器為機(jī)械臂提供機(jī)、電、熱、數(shù)據(jù)等標(biāo)準(zhǔn)接口，參見(jiàn)圖3。核心艙機(jī)械臂每次完成在軌任務(wù)后“爬行”到最終停泊位置，保持在軌常態(tài)構(gòu)型靜止?fàn)顟B(tài)。機(jī)械臂處于長(zhǎng)期在軌靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，肩部末端執(zhí)行器捕獲固定基座適配器通過(guò)艙體上電連接器供電，在需要爬行到艙體其他位置時(shí)，肩部末端執(zhí)行器與基座適配器解鎖同時(shí)腕部末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器捕獲鎖緊，切換到通過(guò)腕部捕獲的目標(biāo)適配器進(jìn)行艙體供電，通過(guò)智能供電切換控制策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂系統(tǒng)在空間站艙體表面首尾互換可靠“爬行”移動(dòng)操作。

圖3 目標(biāo)適配器模型Fig.3 Power and data grapple fixturemodel

2.2 控制方案

我國(guó)機(jī)械臂采用三級(jí)分布式控制體系，包括命令與調(diào)度層、整臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃層、部件執(zhí)行控制層，整個(gè)控制系統(tǒng)主要由機(jī)械臂操作臺(tái)、中央控制器(含云臺(tái)控制)、關(guān)節(jié)控制器、末端控制器、視覺(jué)相機(jī)和以太網(wǎng)交換機(jī)等組成，各部分功能如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)功能框圖Fig.4 Function of control system

(1)關(guān)節(jié)控制器：接收中央控制器給出的運(yùn)行命令，通過(guò)伺服控制策略，在關(guān)節(jié)內(nèi)部形成電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)控制，保證關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精度。

(2)末端控制器：接收中央控制器運(yùn)動(dòng)控制命令，控制電機(jī)完成末端捕獲、拖動(dòng)、鎖緊等相關(guān)動(dòng)作控制。

(3)腕部相機(jī)：接收中央控制器轉(zhuǎn)發(fā)的視頻采集和位姿解算參數(shù)設(shè)置命令，獲取運(yùn)動(dòng)監(jiān)視圖像，傳至以太網(wǎng)交換機(jī)；計(jì)算出靶標(biāo)位姿數(shù)據(jù)，傳至中央控制器進(jìn)行視覺(jué)伺服控制。

(4)肘部相機(jī)及云臺(tái)：接收中央控制器運(yùn)動(dòng)控制命令，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)指向控制；獲取運(yùn)動(dòng)監(jiān)視圖像，發(fā)送至機(jī)械臂上以太網(wǎng)交換機(jī)。

(5)以太網(wǎng)交換機(jī)：腕部相機(jī)、肘部相機(jī)視頻圖像的匯集，并傳送至艙內(nèi)供監(jiān)視。

(6)機(jī)械臂操作臺(tái)：提供航天員操作的人機(jī)接口，將航天員操作轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制命令，發(fā)送至機(jī)械臂；同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)地面發(fā)送指令。

2.3 視覺(jué)監(jiān)視與測(cè)量方案

為適應(yīng)空間站機(jī)械臂在軌多任務(wù)支持、多場(chǎng)景適應(yīng)、多目標(biāo)操作對(duì)視覺(jué)監(jiān)視與測(cè)量的工程需求，視覺(jué)相機(jī)選用可見(jiàn)光譜段，兼具在軌監(jiān)視與在軌測(cè)量功能；視覺(jué)監(jiān)視與測(cè)量系統(tǒng)由分布在不同空間位置的多臺(tái)相機(jī)與交換機(jī)構(gòu)建而成，通過(guò)多相機(jī)協(xié)同工作擴(kuò)展并增強(qiáng)視覺(jué)系統(tǒng)的監(jiān)視和測(cè)量能力，提高視覺(jué)系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

相機(jī)系統(tǒng)由相機(jī)(含集成光源)、云臺(tái)(兩自由度)、視覺(jué)標(biāo)記等組成，共包括兩類可見(jiàn)光相機(jī)：腕部相機(jī)與肘部相機(jī)，分別安裝在機(jī)械臂末端執(zhí)行器、機(jī)械臂肘部上；視覺(jué)標(biāo)記用于腕部相機(jī)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別和位姿計(jì)算。根據(jù)功能需求，其中肘部相機(jī)采用單目相機(jī)組合云臺(tái)和光源的配置方式，腕部相機(jī)采用雙目相機(jī)組合光源的配置方式。光源用以增強(qiáng)相機(jī)對(duì)弱光照條件的適應(yīng)性。肘部相機(jī)云臺(tái)通過(guò)自身運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)肘部相機(jī)隨動(dòng)，擴(kuò)大肘部相機(jī)可視范圍，輔助肘部相機(jī)完成目標(biāo)監(jiān)視。

2.4 在軌操作方案

天和核心艙艙內(nèi)布置一套機(jī)械臂操作臺(tái)，機(jī)械臂操作臺(tái)由操作面板、兩個(gè)平動(dòng)手柄和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄、電容觸摸屏及控制器等組成，通過(guò)總線及以太網(wǎng)傳輸遙測(cè)數(shù)據(jù)及圖像到儀表的三臺(tái)顯示器上，輔助航天員進(jìn)行艙外機(jī)械臂在軌操控，如圖5所示。

圖5 機(jī)械臂操作場(chǎng)景模型Fig.5 Operating system model

該機(jī)械臂操作臺(tái)兼容了大機(jī)械臂和小機(jī)械臂操作系統(tǒng)，可供航天員統(tǒng)一進(jìn)行在軌操作和在軌訓(xùn)練機(jī)械臂任務(wù)。目前該操作臺(tái)已成功應(yīng)用多次輔助航天員出艙操作任務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

天宮空間站機(jī)械臂需考慮工程任務(wù)實(shí)現(xiàn)與機(jī)械臂功能、性能之間協(xié)調(diào)匹配，系統(tǒng)指標(biāo)與單機(jī)匹配，外部與內(nèi)部接口匹配，設(shè)計(jì)與測(cè)試、試驗(yàn)匹配，以及擴(kuò)展方案與未來(lái)需求匹配等，涉及機(jī)械、電子、熱學(xué)、控制、光學(xué)、材料、動(dòng)力學(xué)、工效學(xué)等多學(xué)科專業(yè)融合，在研制過(guò)程中重點(diǎn)突破了以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 柔性機(jī)械臂系統(tǒng)高精高穩(wěn)控制技術(shù)

為了解決大慣量、變負(fù)載以及機(jī)械臂關(guān)節(jié)大柔性、非線性剛度等因素對(duì)空間機(jī)械臂控制穩(wěn)定性以及控制精度影響，在空間機(jī)械臂系統(tǒng)控制與關(guān)節(jié)控制層面分別采取措施，調(diào)整機(jī)械臂路徑規(guī)劃及整臂控制算法與關(guān)節(jié)控制參數(shù)的匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)變負(fù)載工況下的整臂運(yùn)動(dòng)高精度與平穩(wěn)性控制。例如采用“速度閉環(huán)控制+位置閉環(huán)控制”分段控制策略，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂從工程樣機(jī)階段的“晃晃悠悠”慢速運(yùn)動(dòng)和60 mm以上的運(yùn)動(dòng)精度，提高到初樣正樣階段的高速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)到位精度優(yōu)于15 mm，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

3.2 多約束任務(wù)規(guī)劃與路徑規(guī)劃技術(shù)

我國(guó)空間站艙外設(shè)備眾多，空間緊湊，操作范圍及資源受限。為解決空間機(jī)械臂工作空間、操作時(shí)間等多約束條件限制問(wèn)題，在空間機(jī)械臂在逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真規(guī)劃基礎(chǔ)上，考慮艙外布局設(shè)計(jì)、負(fù)載特性、避障避碰需求、機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)耦合奇異等約束條件，開(kāi)展了自主避障規(guī)劃、最短路徑規(guī)劃、容錯(cuò)規(guī)劃等路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化工作。例如針對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑高安全性需求，將艙體與機(jī)械臂通過(guò)遞歸算法進(jìn)行層次結(jié)構(gòu)遍歷和模型包絡(luò)點(diǎn)陣化處理，并采用“大范圍轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)”與“短距精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)”相結(jié)合的形式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂路徑規(guī)劃從工程樣機(jī)階段的“盲操作”離線規(guī)劃方式升級(jí)為具備實(shí)時(shí)狀態(tài)干涉檢查的在線規(guī)劃，解決了復(fù)雜空間環(huán)境機(jī)械臂大范圍、高可靠、高精度運(yùn)動(dòng)難題。

3.3 目標(biāo)快速識(shí)別和位姿測(cè)量技術(shù)

空間站機(jī)械臂在軌執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，相機(jī)會(huì)隨之發(fā)生位置和角度的變化，導(dǎo)致相機(jī)光軸與太陽(yáng)光成任意角度，從而引起相機(jī)視場(chǎng)范圍光照明暗時(shí)變、照度差異大等難題。針對(duì)上述難題依次開(kāi)展設(shè)計(jì)分析、地面試驗(yàn)及在軌評(píng)估，從相機(jī)鏡頭光路優(yōu)選、雜散光分析與抑制、曝光算法、目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別算法、位姿測(cè)量?jī)?yōu)化算法、相機(jī)熱設(shè)計(jì)、視覺(jué)標(biāo)記圖案設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)與分析環(huán)節(jié)進(jìn)行方案優(yōu)化迭代；從相機(jī)標(biāo)定、三維位姿精度測(cè)試、動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)量、光照環(huán)境模擬等地面試驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行功能性能驗(yàn)證；最終面向在軌任務(wù)的相機(jī)成像質(zhì)量、溫升、工作時(shí)長(zhǎng)等在軌應(yīng)用環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂視覺(jué)測(cè)量從工程樣機(jī)階段的單目靜態(tài)測(cè)量升級(jí)為具備雙目立體動(dòng)態(tài)視覺(jué)測(cè)量及伺服跟蹤監(jiān)視能力，大幅消除了環(huán)境雜光及微振動(dòng)影響。

3.4 柔性多體動(dòng)力學(xué)建模與仿真技術(shù)

核心艙機(jī)械臂全長(zhǎng)達(dá)10米多，最大負(fù)載重達(dá)25 t，造成整機(jī)系統(tǒng)剛度極低，一階頻率介于0.02 ～0.38 Hz之間，具有高度非線性、大柔性、強(qiáng)耦合、時(shí)變特征明顯等特點(diǎn)[9]。針對(duì)核心艙機(jī)械臂柔性特點(diǎn)，根據(jù)關(guān)節(jié)中電機(jī)、行星減速器等部件的工作原理和力學(xué)傳遞原理建立了高精度關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，考慮了摩擦、間隙、剛度、負(fù)載變化影響等非線性因素；采用有限元方法建立了臂桿的模態(tài)模型；建立帶柔性鋼絲繩的末端執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)模型，用于機(jī)械臂捕獲過(guò)程的碰撞仿真驗(yàn)證，重點(diǎn)考慮了末端復(fù)雜面相對(duì)關(guān)系模擬、碰撞力建模、鋼絲繩軟捕獲建模及邊界條件設(shè)置。在最初機(jī)械臂剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真基礎(chǔ)上，在正樣階段實(shí)現(xiàn)了含接觸碰撞全任務(wù)過(guò)程的全柔性高保真動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證。

3.5 核心部件研制與應(yīng)用技術(shù)

空間機(jī)械臂需要完成各項(xiàng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及操作任務(wù)，其中運(yùn)動(dòng)涉及的核心部件主要是關(guān)節(jié)，而操作涉及的核心部件就是末端執(zhí)行器。上述核心部件均突破國(guó)外技術(shù)封鎖，產(chǎn)品全部實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

關(guān)節(jié)內(nèi)部高度集成了電機(jī)組件、電機(jī)電源組件、減速器、關(guān)節(jié)控制器、旋轉(zhuǎn)變壓器、熱管、快速連接公/母組件等多種部組件，具體組成如圖6所示。

圖6 關(guān)節(jié)模型Fig.6 Joint model

通過(guò)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)、四級(jí)齒輪傳動(dòng)、軸系內(nèi)外嵌套集成、大承載固體潤(rùn)滑設(shè)計(jì)以及低反驅(qū)力矩控制技術(shù)，解決了關(guān)節(jié)高剛度、高精度和長(zhǎng)壽命難題。正樣關(guān)節(jié)剛度質(zhì)量比超國(guó)際同類產(chǎn)品近一倍。

末端執(zhí)行器采用繩索纏繞方式實(shí)施柔性低沖擊捕獲，以粗、精兩級(jí)分步實(shí)施校正定位，以四點(diǎn)同步實(shí)施大預(yù)緊力鎖緊的抓取方式，實(shí)現(xiàn)了大容差低沖擊捕獲，高精度對(duì)接和高剛度鎖緊。末端執(zhí)行器主要由捕獲組件、拖動(dòng)組件、鎖緊組件、殼體組件、末端控制器、六維力傳感器和關(guān)節(jié)快速連接母組件等部分組成，具體如圖7所示。正樣末端執(zhí)行器質(zhì)量83 kg，實(shí)現(xiàn)捕獲各向位置容差優(yōu)于105 mm，橫向姿態(tài)容差優(yōu)于15°，滾動(dòng)姿態(tài)容差優(yōu)于10°，解決了大容差低沖擊捕獲以及高剛度鎖緊難題。相似容差情況下，實(shí)現(xiàn)容差質(zhì)量比超過(guò)國(guó)際同類產(chǎn)品一倍以上(加拿大臂末端質(zhì)量180 kg，位置容差100 mm，橫向姿態(tài)容差優(yōu)于15°，滾動(dòng)姿態(tài)容差優(yōu)于10°)。

圖7 末端執(zhí)行器模型Fig.7 End-effector model

3.6 地面試驗(yàn)與驗(yàn)證技術(shù)

核心艙機(jī)械臂最大負(fù)載重達(dá)25 t，受限地面重力及工裝影響，該機(jī)械臂難以實(shí)現(xiàn)地面全物理試驗(yàn)驗(yàn)證?；谖覈?guó)空間站機(jī)械臂特點(diǎn)，提出了“物理驗(yàn)證+半物理驗(yàn)證+數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證”相結(jié)合的系統(tǒng)驗(yàn)證方案，最終采用參數(shù)化機(jī)械臂全柔性動(dòng)力學(xué)建模與仿真分析方法，通過(guò)地面試驗(yàn)和在軌辨識(shí)驗(yàn)證與修正，建立了空間機(jī)械臂在軌真實(shí)模型驗(yàn)證評(píng)估系統(tǒng)。

在單機(jī)研制層面：通過(guò)元器件級(jí)和原材料、單機(jī)級(jí)等不同物理驗(yàn)證層面，以及環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目和專項(xiàng)驗(yàn)證項(xiàng)目等多種驗(yàn)證方式，確保單機(jī)產(chǎn)品物理驗(yàn)證充分性和全面性。

在系統(tǒng)驗(yàn)證層面：首先將系統(tǒng)指標(biāo)分解至單機(jī)或部件驗(yàn)證，對(duì)仿真驗(yàn)證不能完全驗(yàn)證單機(jī)及部件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的不足進(jìn)行補(bǔ)充；將控制器真實(shí)物理產(chǎn)品與機(jī)械臂實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)組成半物理驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)控制器軟、硬件開(kāi)展全面的測(cè)試與驗(yàn)證；以單機(jī)產(chǎn)品的測(cè)試與驗(yàn)證數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合整臂系統(tǒng)二維特定構(gòu)型運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)械臂三維仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證及修正，最終將修正后的機(jī)械臂真實(shí)仿真模型用于在軌任務(wù)驗(yàn)證。

為了充分驗(yàn)證空間機(jī)械臂7自由度運(yùn)動(dòng)能力，在地面階段采取了兩種全物理驗(yàn)證方案。針對(duì)大范圍運(yùn)動(dòng)任務(wù)，采用“多孔質(zhì)氣足整體懸浮+局部懸吊” 相結(jié)合的整臂零重力模擬方式，通過(guò)末端軌跡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)激光跟蹤系統(tǒng)完成了二維大范圍運(yùn)動(dòng)任務(wù)地面試驗(yàn)驗(yàn)證，具體如圖8所示；針對(duì)首次關(guān)鍵展開(kāi)任務(wù)，采用懸吊式三維運(yùn)動(dòng)零重力模擬試驗(yàn)裝置為機(jī)械臂提供全方位零重力模擬環(huán)境，通過(guò)多點(diǎn)吊掛隨動(dòng)跟蹤重力補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng)完成了在軌三維展開(kāi)任務(wù)地面試驗(yàn)驗(yàn)證，具體如圖9所示。

圖8 機(jī)械臂地面二維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)Fig.8 2D ground test of manipulator

圖9 機(jī)械臂地面三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)Fig.9 3D ground test of manipulator

2020年底空間站核心艙機(jī)械臂完成了包括上述大型二維、三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)在內(nèi)的160多項(xiàng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目，順利交付總體并轉(zhuǎn)入發(fā)射場(chǎng)測(cè)試階段。

4 在軌性能評(píng)估

隨著中國(guó)空間站天和核心艙成功發(fā)射后，空間站核心艙機(jī)械臂完成了在軌解鎖展開(kāi)、關(guān)鍵部件測(cè)試、爬行測(cè)試、在軌辨識(shí)、在軌停泊、主備份測(cè)試等16項(xiàng)在軌測(cè)試項(xiàng)目，完成30余次爬行及核心艙、載人飛船、貨運(yùn)飛船艙外設(shè)備在軌巡檢任務(wù)，完成四次支持航天員出艙活動(dòng)任務(wù)，完成轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船及輔助二次對(duì)接任務(wù)。整個(gè)任務(wù)測(cè)試期間，核心艙機(jī)械臂各項(xiàng)功能和性能得到了充分驗(yàn)證，均滿足總體任務(wù)要求。具體情況如下。

4.1 關(guān)鍵任務(wù)執(zhí)行滿足情況

我國(guó)空間站核心艙機(jī)械臂的主要飛行任務(wù)完成情況如下。

1)機(jī)械臂及適配器壓緊解鎖及小角度展開(kāi)

機(jī)械臂壓緊釋放機(jī)構(gòu)41個(gè)壓緊點(diǎn)及折疊目標(biāo)適配器均成功完成了解鎖釋放，完成機(jī)械臂關(guān)節(jié)小角度展開(kāi)。

2)機(jī)械臂性能測(cè)試及在軌辨識(shí)

完成機(jī)械臂遍歷核心艙3個(gè)目標(biāo)適配器的爬行測(cè)試，完成機(jī)械臂在軌標(biāo)定及參數(shù)辨識(shí)測(cè)試、主備份切換測(cè)試，功能性能指標(biāo)滿足總體要求。測(cè)試過(guò)程如圖10所示。

圖10 機(jī)械臂在軌測(cè)試任務(wù)Fig.10 On orbit task of manipulator

3)機(jī)械臂在軌巡檢任務(wù)

完成機(jī)械臂核心艙、載人飛船及貨運(yùn)飛船在軌巡檢任務(wù)，機(jī)械臂到位準(zhǔn)確且圖像清晰。

4)機(jī)械臂輔助航天員出艙任務(wù)

完成機(jī)械臂輔助神舟十二號(hào)航天員出艙活動(dòng)的全景相機(jī)A抬升任務(wù)和全景相機(jī)D抬升及擴(kuò)展泵組安裝等任務(wù)，以及輔助神舟十三號(hào)航天員完成雙臂組合轉(zhuǎn)接件及其懸掛裝置安裝、全景相機(jī)C抬升等任務(wù)，機(jī)械臂轉(zhuǎn)移人員、貨物及操作助力等功能正常，機(jī)械臂路徑規(guī)劃安全合理，功能性能滿足要求，艙內(nèi)、外航天員和機(jī)械臂協(xié)同關(guān)系匹配。

5)機(jī)械臂轉(zhuǎn)位貨運(yùn)飛船任務(wù)

完成機(jī)械臂捕獲天舟二號(hào)貨船機(jī)械式目標(biāo)適配器，大范圍轉(zhuǎn)位移動(dòng)天舟二號(hào)貨船，并輔助完成與核心艙二次對(duì)接任務(wù)，機(jī)械臂路徑規(guī)劃安全合理，運(yùn)動(dòng)精度、負(fù)載能力及動(dòng)力學(xué)特性等功能性能滿足任務(wù)要求。

4.2 關(guān)鍵功能性能評(píng)估滿足情況

空間站核心艙機(jī)械臂關(guān)鍵功能性能評(píng)估情況見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)空間站大型機(jī)械臂主要性能驗(yàn)證情況Table 2 Performance of the Chinese Space Station manipulator

5 展望

“國(guó)際空間站”在完成大型空間機(jī)械臂在軌應(yīng)用后，陸續(xù)開(kāi)展了(SPDM)靈巧雙臂機(jī)器人在軌加注試驗(yàn)以及類人型雙臂智能機(jī)器人艙內(nèi)操作試驗(yàn)等任務(wù)，并取得了大量研究成果。目前在我國(guó)空間站核心艙大型機(jī)械臂及實(shí)驗(yàn)艙小型機(jī)械臂在軌成功應(yīng)用基礎(chǔ)上，已完成雙臂串聯(lián)組合形成了14自由度超冗余空間組合機(jī)械臂系統(tǒng)，擴(kuò)展了機(jī)械臂操作范圍，提升末端了靈巧操作能力，后續(xù)將基于組合臂完成一系列大中小空間載荷安裝、搬運(yùn)及維護(hù)任務(wù)。

根據(jù)任務(wù)需要，后續(xù)可借助空間站機(jī)械臂系統(tǒng)，在我國(guó)空間站上搭建通用空間試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，開(kāi)展面向空間基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)研究；針對(duì)在軌組裝、建造及在軌服務(wù)等復(fù)雜操控任務(wù)，開(kāi)展類人型機(jī)器人、軟體機(jī)器人、飛行機(jī)器人等新型空間機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證與工程應(yīng)用[13-14]；同時(shí)深入開(kāi)展基于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等控制理論與算法研究，強(qiáng)化自主決策與智能控制能力，進(jìn)一步提高空間機(jī)械臂智能化操控水平，實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天器空間智能操控技術(shù)更新?lián)Q代。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了我國(guó)天宮空間站機(jī)械臂系統(tǒng)總體方案、關(guān)鍵技術(shù)及在軌性能評(píng)估情況，并與國(guó)外同類產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)標(biāo)。我國(guó)天宮空間站機(jī)械臂是空間機(jī)器人技術(shù)的典型代表和標(biāo)志性產(chǎn)品，該機(jī)械臂在我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了重大工程任務(wù)的在軌應(yīng)用，并在爬行操作、運(yùn)動(dòng)精度等功能性能指標(biāo)方面達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)初步突破并掌握了空間機(jī)器人核心關(guān)鍵技術(shù)，具備了研制大型空間智能機(jī)器人系統(tǒng)的能力，為后續(xù)我國(guó)航天器智能化操控技術(shù)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。未來(lái)隨著新的空間任務(wù)需求的不斷提出和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)有功能更多、適應(yīng)能力更強(qiáng)、智能化程度更高的空間機(jī)器人進(jìn)入空間技術(shù)領(lǐng)域。

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