一種空間機(jī)器人用復(fù)雜末端執(zhí)行裝置的可靠性驗(yàn)證方法

白 美，張文明，張 運(yùn)，李德倫

（中國空間技術(shù)研究院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）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間智能機(jī)器人成為進(jìn)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(zhí)行裝置成為必備的工具。末端執(zhí)行裝置的可靠性是空間機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。如產(chǎn)品不可靠，會(huì)導(dǎo)致空間機(jī)器人執(zhí)行在軌任務(wù)失敗。末端執(zhí)行裝置是復(fù)雜的機(jī)、電、熱一體的產(chǎn)品，造價(jià)昂貴，如何在研制階段利用極小的子樣開展產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證，成為研制工程中關(guān)注的重點(diǎn)之一。

針對產(chǎn)品的小子樣可靠性驗(yàn)證，榮吉利等［1］建立提高試驗(yàn)條件、降低樣本量的復(fù)雜火工裝置可靠性評估模型，適用于航天產(chǎn)品的火工裝置，大幅降低了試驗(yàn)驗(yàn)證的樣本量。劉志全［2］編寫了航天器機(jī)構(gòu)及其可靠性的專著，總結(jié)航天器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、發(fā)展、試驗(yàn)等的經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，提出機(jī)構(gòu)可靠性驗(yàn)證的思路和方法。洪東跑等［3-6］提出了利用研制試驗(yàn)數(shù)據(jù)和定型飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性綜合驗(yàn)證的方法，以上研究極大地推動(dòng)了我國航天產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證和評估，降低了試驗(yàn)費(fèi)用，促進(jìn)了飛行器和復(fù)雜航天武器系統(tǒng)可靠性評估的發(fā)展。由于技術(shù)的保密性等原因，目前尚未在國外文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)適用于航天產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證方法。

針對復(fù)雜的空間機(jī)器人末端執(zhí)行裝置，涉及到機(jī)、電、熱控等相關(guān)內(nèi)容［7-14］，本文基于上述研究，提出一種空間機(jī)器人用復(fù)雜驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置的可靠性驗(yàn)證方法。建立產(chǎn)品可靠性模型，確定產(chǎn)品可靠性特征量和分布規(guī)律，結(jié)合其任務(wù)剖面設(shè)計(jì)可靠性驗(yàn)證方案，解決復(fù)雜空間機(jī)器人末端執(zhí)行裝置的小子樣可靠性指標(biāo)驗(yàn)證的問題。以空間站天和機(jī)械臂末端執(zhí)行器可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)為例，對可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法的選取和試驗(yàn)的設(shè)計(jì)展開分析，為復(fù)雜空間機(jī)電產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)提供技術(shù)途徑。

1 可靠性驗(yàn)證方法設(shè)計(jì)

1.1 分析產(chǎn)品功能和任務(wù)剖面建立可靠性模型

空間機(jī)器人用復(fù)雜的末端執(zhí)行裝置有驅(qū)動(dòng)組件、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制器、殼體等部分。

1）分析從發(fā)射開始，到壽命終止階段末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所經(jīng)歷的空間環(huán)境、各任務(wù)階段的工作模式及工作時(shí)間，建立產(chǎn)品的任務(wù)剖面。

2）分析產(chǎn)品的組成和功能原理，建立產(chǎn)品的可靠性模型，空間機(jī)器人系統(tǒng)的末端執(zhí)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(gòu)型與精度保持功能可靠度Rb，運(yùn)動(dòng)功能的末端運(yùn)動(dòng)可靠度Rc和控制部分可靠度Rd，其表達(dá)式如下：

Ra、Rb根據(jù)產(chǎn)品的剛度和強(qiáng)度的裕度設(shè)計(jì)，并結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)保證，一般取值為1。控制部分為電子產(chǎn)品，可單獨(dú)利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)評估，目前已有成熟的評估方法。因此空間末端執(zhí)行裝置的可靠度驗(yàn)證關(guān)鍵在于運(yùn)動(dòng)功能的末端運(yùn)動(dòng)可靠度Rc。

1.2 確定可靠性特征量和分布規(guī)律

1）分析運(yùn)動(dòng)功能可靠性特征量。末端執(zhí)行裝置的運(yùn)動(dòng)功能與運(yùn)動(dòng)次數(shù)密切相關(guān)，選取“運(yùn)動(dòng)次數(shù)”為末端執(zhí)行裝置的可靠性特征量，運(yùn)動(dòng)可靠性為“在規(guī)定的環(huán)境條件下，以及規(guī)定的任務(wù)時(shí)間內(nèi)，運(yùn)動(dòng)次數(shù)X大于要求試驗(yàn)次數(shù)Xu的概率”，表達(dá)式如下：

2）確定可靠性特征量的分布規(guī)律?？臻g機(jī)器人用末端執(zhí)行裝置是由電機(jī)組件、減速器、傳感器和機(jī)構(gòu)部分組成的產(chǎn)品，其失效模式主要為使用時(shí)間增加而導(dǎo)致潤滑耗損引起機(jī)構(gòu)失效，疲勞耗損失效一般認(rèn)為服從威布爾分布。表達(dá)式如下：

式中：X0為末端執(zhí)行裝置工作次數(shù)要求值；m為形狀參數(shù)；η為特征壽命。

1.3 確定試驗(yàn)條件和樣本量

1）結(jié)合任務(wù)剖面，確定產(chǎn)品的敏感應(yīng)力和工作工況。對空間機(jī)器人用末端執(zhí)行裝置，其環(huán)境條件有真空、溫度環(huán)境、空間粒子輻射等。根據(jù)末端執(zhí)行裝置潤滑形式的差異，其敏感的應(yīng)力也不盡相同，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)所處工作環(huán)境，分析并確定敏感應(yīng)力作為試驗(yàn)的試驗(yàn)環(huán)境條件。試驗(yàn)時(shí)，分析極端工況，保證工況設(shè)計(jì)涵蓋任務(wù)期間各種工況。

2）根據(jù)分布類型和在軌工作次數(shù)要求值的和，計(jì)算特征量試驗(yàn)值。表達(dá)式如下：

式中：XR為每個(gè)末端執(zhí)行裝置樣本的工作次數(shù)試驗(yàn)值；X0為末端執(zhí)行裝置工作次數(shù)要求值；γ為置信度；R為可靠度要求值。

根據(jù)式（4）計(jì)算時(shí)注意：末端工作次數(shù)特征量試驗(yàn)值不能超過產(chǎn)品的極限壽命要求（一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)確定）；失效數(shù)不能大于0。

1.4 確定故障判據(jù)，制定試驗(yàn)方案

根據(jù)產(chǎn)品的任務(wù)和技術(shù)要求，確定產(chǎn)品失效判據(jù)，需量化故障判據(jù)，確保其不存在歧義。

2 應(yīng)用示例

2.1 空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器簡介

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

圖1 末端執(zhí)行器組成Fig.1 Composition of the end effector

捕獲組件與拖動(dòng)組件位于殼體組件內(nèi)，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(biāo)適配器，工作原理：首先，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)適配器上方，到達(dá)捕獲初始條件時(shí)，捕獲組件啟動(dòng)，抓住目標(biāo)適配器的捕獲桿，并給出捕獲到位信號(hào)；然后，拖動(dòng)組件啟動(dòng)，拖動(dòng)捕獲模塊與目標(biāo)適配器沿軸線運(yùn)動(dòng)至末端端面對接，在此過程中，消除兩者俯仰、偏航及轉(zhuǎn)動(dòng)方向上的偏差，實(shí)現(xiàn)其精確對接，并在拖動(dòng)力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)；最后，啟動(dòng)4 個(gè)鎖緊組件，其沿軸向運(yùn)動(dòng)，在目標(biāo)適配器與末端對接面上施加預(yù)載荷，并實(shí)現(xiàn)兩者的電連接，至此完成末端執(zhí)行器抓取全部過程。釋放時(shí)，首先，鎖緊組件解鎖，將末端與目標(biāo)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(yùn)動(dòng)，釋放捕獲桿；最后，拖動(dòng)組件啟動(dòng)，將捕獲組件恢復(fù)至初始位置，如圖2 所示。

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

2.2 末端執(zhí)行器可靠性指標(biāo)要求

在軌5 年壽命期內(nèi)，末端本體可靠度要求不小于0.998。

2.3 任務(wù)剖面

根據(jù)末端執(zhí)行器任務(wù)和壽命要求，分析其任務(wù)剖面，繪制任務(wù)剖面如圖3 所示。

圖3 末端執(zhí)行器任務(wù)剖面Fig.3 Mission profile of the end effector

2.4 可靠性特征量及其分布規(guī)律

末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)功能要求為：完成1 次末端抓取的捕獲、拖動(dòng)、鎖緊動(dòng)作和1 次釋放動(dòng)作，規(guī)定完成1 次抓取和釋放過程為1 次任務(wù)，空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器可靠度取決于抓取與釋放功能的可靠度。因此，末端執(zhí)行器的可靠性，可用“在規(guī)定的任務(wù)剖面下，末端執(zhí)行器完成任務(wù)次數(shù)X大于任務(wù)要求指標(biāo)Xu的概率”為依據(jù)，末端裝置的可靠性特征量確定為末端的抓?。ㄡ尫牛┐螖?shù)X。

末端裝置3 個(gè)功能模塊均由驅(qū)動(dòng)組件、傳動(dòng)組件和機(jī)構(gòu)組成，其主要失效模式是由工作次數(shù)變化導(dǎo)致的潤滑磨損失效，而不能完成對目標(biāo)的抓取與釋放動(dòng)作。一般認(rèn)為，這種耗損失效產(chǎn)品的壽命特征服從威布爾分布。

2.5 試驗(yàn)件數(shù)量和抽樣方案

在計(jì)算產(chǎn)品樣本量時(shí)，根據(jù)末端執(zhí)行器在全壽命期捕獲次數(shù)的要求，計(jì)算不同壽命要求下的捕獲次數(shù)X0；結(jié)合技術(shù)要求中需驗(yàn)證的可靠度R和置信度γ，綜合確定可靠性試驗(yàn)樣本數(shù)量n和各樣本的試驗(yàn)次數(shù)。

設(shè)置試驗(yàn)時(shí)，綜合考慮各樣本的試驗(yàn)次數(shù)，根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)確定試驗(yàn)次數(shù)，確保末端裝置的失效原理一致。綜上所述，確定試驗(yàn)次數(shù)最大值Xmax，將Xmax代入式（4），求出試驗(yàn)樣本數(shù)量。確定試驗(yàn)數(shù)量時(shí)，考慮研制經(jīng)費(fèi)，樣本數(shù)量一般不少于2 個(gè)。選取形狀參數(shù)m時(shí)，參考同類產(chǎn)品的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定程度，一般在2.0～2.5 之間選取。

計(jì)算末端本體組件可靠性達(dá)到0.998（0.7）時(shí)，抓捕次數(shù)XR與試驗(yàn)件數(shù)量為n的關(guān)系見表1。

表1 不同試驗(yàn)件數(shù)量n 對應(yīng)的末端執(zhí)行器試驗(yàn)次數(shù)XR與Tab.1 Test times of the end effector at different numbers of samples

分析末端執(zhí)行器特性及末端潤滑專項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果可知，末端執(zhí)行器本體薄弱環(huán)節(jié)為滾珠絲杠潤滑，在末端拖動(dòng)滾絲杠工作次數(shù)達(dá)到4 200 次時(shí)，潤滑膜表面已有磨損，但潤滑膜還能保持連續(xù)，無明顯露出基材；當(dāng)末端拖動(dòng)滾絲杠工作次數(shù)達(dá)到6 200次時(shí)，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(dá)到4 200 次。因此，開展末端本體可靠性試驗(yàn)時(shí)，其工作次數(shù)不應(yīng)超過4 200 次，否則末端失效模式發(fā)生變化，無法驗(yàn)證其可靠性。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，為驗(yàn)證末端在軌工作5 年，工作次數(shù)318 次的可靠度，需采用2 臺(tái)末端樣本完成試驗(yàn)，每臺(tái)樣本試驗(yàn)次數(shù)不少于3 116 次。

綜上所述，確定末端執(zhí)行器本體可靠性試驗(yàn)抽樣方案為：試驗(yàn)件2 臺(tái)，每臺(tái)產(chǎn)品抓取試驗(yàn)次數(shù)不少于3 116，可試驗(yàn)4 200 次。

2.6 試驗(yàn)件狀態(tài)及試驗(yàn)條件的確定

2.6.1 試驗(yàn)件狀態(tài)

參加可靠性驗(yàn)證的試驗(yàn)件狀態(tài)與正式上天產(chǎn)品的狀態(tài)一致，且須經(jīng)過驗(yàn)收試驗(yàn)合格。

2.6.2 試驗(yàn)環(huán)境條件的選取

開展產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，首先分析產(chǎn)品工作過程的環(huán)境應(yīng)力、工作時(shí)間和工作模式，確定產(chǎn)品的任務(wù)剖面。結(jié)合任務(wù)剖面，分析產(chǎn)品在任務(wù)階段的工作應(yīng)力，確定對產(chǎn)品有影響的環(huán)境應(yīng)力，并將其作為產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)施加的環(huán)境應(yīng)力。

分析任務(wù)剖面圖中末端執(zhí)行器壽命周期的環(huán)境，在運(yùn)載發(fā)射和入軌解鎖段，本文介紹的末端執(zhí)行裝置不工作，因此無需考慮該階段的環(huán)境應(yīng)力。分析工作段的環(huán)境應(yīng)力，綜合分析產(chǎn)品的密封型式、潤滑型式等設(shè)計(jì)和工藝方式，確定產(chǎn)品敏感的應(yīng)力，作為試驗(yàn)施加的應(yīng)力。經(jīng)分析，本文所提末端裝置的敏感應(yīng)力為溫度，結(jié)合在軌工作溫度范圍，確定可靠性試驗(yàn)的溫度范圍。根據(jù)末端在軌工作溫度條件，確定可靠性試驗(yàn)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(chǎn)品的工作載荷和工作模式，確定產(chǎn)品的試驗(yàn)工況，確保試驗(yàn)工況與在軌工況一致，按壽命周期內(nèi)任務(wù)剖面，設(shè)置試驗(yàn)產(chǎn)品并完成試驗(yàn)。

開展可靠性試驗(yàn)時(shí)，末端裝置需在高低溫箱內(nèi)，因此結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品試驗(yàn)工裝，將試驗(yàn)工裝和產(chǎn)品一同放入高低溫箱。

2.7 故障判據(jù)

在可靠性試驗(yàn)過程中，捕獲、拖動(dòng)和鎖緊組件任何一個(gè)出現(xiàn)異常不能正常工作，視為發(fā)生故障。具體描述如下。

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

2）拖動(dòng)組件故障：不能將目標(biāo)適配器拖動(dòng)到位；在同樣條件下（邊界條件、環(huán)境條件），拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)組件電流變化超過50%，上述2 種情況出現(xiàn)一種，即為故障。

3）鎖緊組件故障：不能對目標(biāo)適配器鎖定，即鎖緊終止到位開關(guān)未觸發(fā)；在同樣條件下（邊界條件、環(huán)境條件），鎖緊驅(qū)動(dòng)組件電流變化超過50%，上述2 種情況出現(xiàn)一種，即為故障。

3 結(jié)束語

本文給出一種適合空間機(jī)器人用復(fù)雜末端裝置的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法，結(jié)合中國空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行裝置展開驗(yàn)證。根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，建立可靠性模型，確定產(chǎn)品的可靠性特征量和分布規(guī)律，提出適用的可靠性驗(yàn)證方案，實(shí)現(xiàn)以較小的樣本量定量驗(yàn)證末端執(zhí)行裝置的可靠度。該方法對空間用復(fù)雜機(jī)電熱一體化產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證，具有較高的理論和應(yīng)用價(jià)值，具有較強(qiáng)的普適性。需特別注意以下2 點(diǎn)：

1）該試驗(yàn)方案的要點(diǎn)在于根據(jù)產(chǎn)品功能，建立產(chǎn)品的可靠性模型，確定產(chǎn)品的可靠性特征量，其特點(diǎn)決定產(chǎn)品的分布類型；

2）該試驗(yàn)方案適用于產(chǎn)品無失效情況下的可靠性驗(yàn)證，如產(chǎn)品試驗(yàn)過程中發(fā)生關(guān)聯(lián)故障，表明產(chǎn)品可靠性指標(biāo)不滿足要求，需進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行。