空間小碎片抱捕用連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)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(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)(2 吉林大學(xué),長(zhǎng)春 130025)

伴隨近地空間中空間小碎片的增加,空間環(huán)境逐漸惡化的問題不容忽視[1],而基于空間機(jī)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(jù)關(guān)節(jié)和連桿在整體機(jī)構(gòu)中的尺寸比例,可將機(jī)器人分為離散型機(jī)器人、超冗余機(jī)器人和連續(xù)型機(jī)器人[3]。目前廣泛應(yīng)用于空間環(huán)境的機(jī)器人類型是離散型機(jī)器人,然而此類機(jī)器人在對(duì)碎片進(jìn)行抓捕時(shí)需要精確識(shí)別目標(biāo)并跟蹤抓捕點(diǎn),抓捕難度大,可靠性低[4]。連續(xù)型機(jī)器人具有收攏后分段常曲率和多點(diǎn)接觸的特點(diǎn),能夠利用機(jī)器人本體形成穩(wěn)定抱捕構(gòu)型來捕獲小碎片[5],無需精確識(shí)別目標(biāo)與跟蹤抓捕點(diǎn),可有效降低抓捕難度,提高可靠性。故使用連續(xù)型機(jī)器人的空間抱捕任務(wù)有重要的研究意義。

空間環(huán)境中的高真空、強(qiáng)輻射、極端溫度對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出要求。本文基于空間環(huán)境的特點(diǎn)并面向空間抱捕任務(wù)的連續(xù)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)需求,對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的主干特征、關(guān)節(jié)特征進(jìn)行分類,并比較其優(yōu)劣。

1 空間抱捕任務(wù)要求

空間抱捕任務(wù)的目標(biāo)是近地空間中的小碎片,根據(jù)位于德國(guó)的歐洲航天局空間碎片辦公室提供的數(shù)據(jù),目前由空中監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)追蹤并編目的碎片數(shù)目約為34810個(gè)。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(shù)量遠(yuǎn)大于此,根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型估計(jì),在地球軌道中存在超過36500個(gè)大于10cm的空間碎片[6]。對(duì)于這些直徑較大的空間碎片采用連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行空間抱捕是一種直接有效的清理辦法。在空間環(huán)境中使用連續(xù)型機(jī)器人進(jìn)行小碎片的抱捕任務(wù)要同時(shí)克服空間環(huán)境的應(yīng)用難點(diǎn)與抱捕任務(wù)的任務(wù)需求。

進(jìn)行抱捕的空間環(huán)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(dá)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(dá)到-100～+168℃;高溫與低溫的影響使得連續(xù)型機(jī)器人暴露于空間環(huán)境的執(zhí)行部分不能使用受溫度影響大的組件。同時(shí),高度為200km時(shí)空氣密度已降低至2.73×10-4kg/m3,此環(huán)境下真空度較高,需要進(jìn)行密封性處理的組件應(yīng)用較為困難。

空間抱捕任務(wù)的目標(biāo)是直徑大于10cm的空間碎片,由于這些碎片的產(chǎn)生方式不同,形狀不規(guī)則,無法準(zhǔn)確識(shí)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(yùn)動(dòng)速度快,存在自旋轉(zhuǎn)。空間碎片的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)需要連續(xù)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)能夠具有足夠的剛度來維持抱捕構(gòu)型,使機(jī)器人在沖擊下不會(huì)使目標(biāo)逃逸;同時(shí)具有一定的柔性來分散抱捕載荷,減輕結(jié)構(gòu)損傷。空間碎片的外形特點(diǎn)需要機(jī)器人具有多自由度來實(shí)現(xiàn)大容差的環(huán)繞抱捕;同時(shí)需要機(jī)器人的姿態(tài)準(zhǔn)確可控,可達(dá)到理想的抱捕姿態(tài)。

2 連續(xù)型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式

空間小碎片抱捕任務(wù)需要連續(xù)型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式能適應(yīng)空間環(huán)境,并提供足夠的驅(qū)動(dòng)力來穩(wěn)定抱捕構(gòu)型。目前連續(xù)型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可依據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置是否外置分為外置驅(qū)動(dòng)、內(nèi)置驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)。

1)外置驅(qū)動(dòng)

外置驅(qū)動(dòng)的典型代表是繩驅(qū)動(dòng)。該方式將驅(qū)動(dòng)裝置置于機(jī)器人外部,通過連接裝置(驅(qū)動(dòng)繩)來間接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。其中,驅(qū)動(dòng)繩本身并不具備支撐機(jī)器人主干結(jié)構(gòu)的功能。美國(guó)克萊姆森大學(xué)設(shè)計(jì)的繩驅(qū)動(dòng)象鼻(Elephant’s Trunk)機(jī)器人具有一定的承載能力[7]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人[8-9]質(zhì)量較輕。繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制、溫升較小等優(yōu)點(diǎn),相較其它驅(qū)動(dòng)方式對(duì)于使用環(huán)境的要求較低,且具有一定的承載能力,可作為太空中進(jìn)行抱捕任務(wù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置,如圖1所示[8]。

圖1 繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人

2)內(nèi)置驅(qū)動(dòng)

常見的內(nèi)置驅(qū)動(dòng)有3種,分別是氣體驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)和預(yù)彎曲同心管驅(qū)動(dòng)。

美國(guó)氣動(dòng)(OctArm)連續(xù)型機(jī)器人[10]具有多余自由度,見圖2(a)。針對(duì)氣動(dòng)機(jī)器人可操作性差的問題,西安交通大學(xué)的新型氣動(dòng)肌肉機(jī)器人改進(jìn)了控制方式[11]。氣動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人具有質(zhì)量較輕、響應(yīng)速度快、柔順性高的優(yōu)點(diǎn),但是氣體的可壓縮性會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的整體控制精度較低[12],并且降低了機(jī)器人的剛度。此外,由于空間環(huán)境屬于超真空,氣動(dòng)機(jī)器人需要進(jìn)行特殊的密封性設(shè)計(jì),空間應(yīng)用性價(jià)比較低。

圖2 內(nèi)置驅(qū)動(dòng)

采用新型智能材料作為驅(qū)動(dòng)裝置的連續(xù)型機(jī)器人統(tǒng)稱為智能材料驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。智能材料在光電熱刺激下可產(chǎn)生不同程度的形變,可驅(qū)動(dòng)具有柔性主干的連續(xù)型機(jī)器人在不同方向產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。日本川崎公司設(shè)計(jì)的使用離子交換聚合金屬材料(Ionic Polymer Metal Composite,IPMC)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人[13]在施加驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生形變后,結(jié)構(gòu)復(fù)原較慢。北京航空航天大學(xué)的形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,SMA)驅(qū)動(dòng)仿象鼻機(jī)械臂[14]體積小、質(zhì)量輕、具有較大的收縮比(可達(dá)到50%),見圖2(b)。在空間環(huán)境中,材料散熱困難,形變后復(fù)原時(shí)間長(zhǎng),無法在短時(shí)間內(nèi)改變形態(tài)。智能材料驅(qū)動(dòng)在空間應(yīng)用需要材料具有快速響應(yīng)特性。

預(yù)彎曲同心管機(jī)器人也是一種內(nèi)置驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,這種連續(xù)型機(jī)器人體積小、柔順性強(qiáng),適合用于狹小空間內(nèi)探測(cè)。但空間抱捕任務(wù)需要連續(xù)型機(jī)器人具有一定的結(jié)構(gòu)剛度來維持穩(wěn)定的抱捕構(gòu)型,故預(yù)彎曲同心管機(jī)器人不能滿足任務(wù)需求。

3)混合驅(qū)動(dòng)

混合驅(qū)動(dòng)是指在連續(xù)型機(jī)器人中同時(shí)使用內(nèi)置驅(qū)動(dòng)與外置驅(qū)動(dòng)。在這種驅(qū)動(dòng)方式中,氣體驅(qū)動(dòng)與繩驅(qū)動(dòng)的組合較為常見,氣體驅(qū)動(dòng)更多作為機(jī)器人的主干來維持機(jī)器人的整體柔順構(gòu)型并實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng),繩驅(qū)動(dòng)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位置微調(diào)。美國(guó)克萊姆森大學(xué)的混合驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人氣動(dòng)混合(Air-Octor)[15]質(zhì)量較輕,見圖3。意大利比薩圣安娜大學(xué)的老年人護(hù)理混合驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人[16]具備柔順外形,可減輕碰撞力。混合驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人兼具氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的柔順性和繩驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的高精度。但混合驅(qū)動(dòng)需要協(xié)調(diào)多種驅(qū)動(dòng)裝置同時(shí)工作,裝配精度要求高。與氣動(dòng)機(jī)器人相同,混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人有密封性要求,應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)還存在大量有待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

外置驅(qū)動(dòng)、內(nèi)置驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)3種驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比見表1。

表1 連續(xù)型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的特性比較

空間中的高真空與極端溫度對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)性能提出了要求,為了提高機(jī)構(gòu)的可靠性,應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方式。繩驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制、空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且具有一定的承載能力,適合應(yīng)用于空間小碎片抱捕任務(wù)。本文以繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人為對(duì)象開展進(jìn)一步分析。

3 繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的主干

空間小碎片抱捕任務(wù)需要連續(xù)型機(jī)器人的主干具有一定剛度來維持抱捕構(gòu)型防止目標(biāo)逃逸,也需要一定柔順性來分散碰撞力,同時(shí)需保證機(jī)器人操作精度,主干的彎曲形式需要可控。本節(jié)針對(duì)第1節(jié)所分析的適用于空間任務(wù)的繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的主干形式進(jìn)行討論,基于文獻(xiàn)[9,17]對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的分類,提出了一種新的分類方式:依據(jù)繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人中是否含有剛性主干與柔性支撐可分為剛性連續(xù)型機(jī)器人、剛?cè)峄旌线B續(xù)型機(jī)器人、柔性連續(xù)型機(jī)器人;其中,剛性連續(xù)型機(jī)器人依據(jù)是否含有聯(lián)動(dòng)關(guān)節(jié)可細(xì)分為剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人和剛性全主動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人。

繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人的主干由多個(gè)臂段串聯(lián)而成,每個(gè)臂段包括多個(gè)剛性臂桿與關(guān)節(jié),一段中的關(guān)節(jié)之間通過使用繩聯(lián)動(dòng)來傳遞運(yùn)動(dòng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人[18]每個(gè)臂段的8個(gè)自由度聯(lián)動(dòng)為2個(gè)獨(dú)立的自由度,臂段內(nèi)任一關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)將通過導(dǎo)向盤輔助聯(lián)動(dòng)繩聯(lián)動(dòng)至其余關(guān)節(jié),臂段所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)較少,結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的另一種連續(xù)型機(jī)器人[19]通過“大、小8字型聯(lián)動(dòng)”將單關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)傳遞至其它關(guān)節(jié),這種聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)使機(jī)器人的整體控制精度較高,如圖4所示。繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是工作空間大,同時(shí)減少了驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量。且每個(gè)臂段內(nèi)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)具有一致性,控制精度高,應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)具有優(yōu)勢(shì)。

圖4 繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人

繩驅(qū)動(dòng)剛性全主動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人通過驅(qū)動(dòng)繩對(duì)分段主干中的每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行單獨(dú)控制,以實(shí)現(xiàn)連續(xù)型機(jī)器人的多自由度運(yùn)動(dòng)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的全主動(dòng)機(jī)器人[8]由10個(gè)模塊化的2自由度關(guān)節(jié)串聯(lián),使用30個(gè)電機(jī)對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),質(zhì)量較大。湖南大學(xué)的變截面連續(xù)型機(jī)器人具備10個(gè)自由度[20],同時(shí)保證較高的控制精度。繩驅(qū)動(dòng)剛性全主動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人難以兼顧電機(jī)數(shù)目與工作空間,在空間抱捕任務(wù)中應(yīng)用具有一定局限性。

繩驅(qū)動(dòng)剛?cè)峄旌线B續(xù)型機(jī)器人通過在剛性主干之間的關(guān)節(jié)中添加柔性材料來傳遞運(yùn)動(dòng)并維持構(gòu)型。北京航空航天大學(xué)的球鉸繩驅(qū)動(dòng)剛?cè)峄旌线B續(xù)型機(jī)器人[21]依靠橡膠墊片來傳遞運(yùn)動(dòng)/力,存在控制精度低的問題。北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部的連續(xù)型機(jī)器人[22]通過在關(guān)節(jié)之間增加彈簧組成剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)柔順性。繩驅(qū)動(dòng)剛?cè)峄旌线B續(xù)型機(jī)器人具有較高的柔順性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。但是依靠柔性支撐進(jìn)行傳力會(huì)降低機(jī)器人的剛度并增加控制難度,在空間抱捕任務(wù)中應(yīng)用,需要采用具有快速響應(yīng)能力的控制算法以及精確的力反饋系統(tǒng),并實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人姿態(tài),協(xié)調(diào)難度較高。

繩驅(qū)動(dòng)柔性連續(xù)型機(jī)器人采用柔性材料作為主干,構(gòu)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(xué)的繩驅(qū)動(dòng)柔性連續(xù)型機(jī)器人[23]由于具備彈性材料主干,結(jié)構(gòu)較為柔順,見圖5。香港中文大學(xué)的繩驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)構(gòu)(Constrained Wire-driven Flexible Mechanism,CWFM)[24]采用主動(dòng)約束來控制柔性主干的長(zhǎng)度,擴(kuò)展了工作空間并增強(qiáng)了靈活性。使用柔性主干的連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較低,在空間抱捕任務(wù)中難以維持抱捕構(gòu)型,因而應(yīng)用受到限制?？勺儎偠仍O(shè)計(jì)能擴(kuò)展其操作能力,是目前研究的熱點(diǎn)之一。

圖5 繩驅(qū)動(dòng)柔性連續(xù)型機(jī)器人

表2比較了具有不同主干特性的繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人。

表2 繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的不同主干特性比較

空間抱捕任務(wù)要求連續(xù)型機(jī)器人具有靈活性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度大、工作空間大、精確性高的特點(diǎn)。繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人不具有柔性結(jié)構(gòu),整體結(jié)構(gòu)剛度較大,同時(shí)由于關(guān)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)繩聯(lián)動(dòng),無需對(duì)各關(guān)節(jié)單獨(dú)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),在擴(kuò)大機(jī)器人工作空間的同時(shí)減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量,減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)較為符合空間抱捕任務(wù)對(duì)連續(xù)型機(jī)器人提出的結(jié)構(gòu)要求,具有良好的應(yīng)用前景。

4 繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的關(guān)節(jié)

空間抱捕任務(wù)所需的連續(xù)型機(jī)器人為了完成在復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)動(dòng)與小碎片抱捕,同時(shí)簡(jiǎn)化控制難度,機(jī)器人每個(gè)臂段只需要在驅(qū)動(dòng)繩的牽引下實(shí)現(xiàn)2自由度的彎曲。本節(jié)基于第1、2節(jié)的分析,研究不同主干類型的繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人所使用的關(guān)節(jié),并討論不同類型的關(guān)節(jié)進(jìn)行繩聯(lián)動(dòng)的可行性與復(fù)雜程度。繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人可應(yīng)用的常見關(guān)節(jié)為萬向節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)副、球鉸、2自由度并聯(lián)腕(3-UU)關(guān)節(jié)。

萬向節(jié)是繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人常見的關(guān)節(jié)連接方式,如圖6所示[18]。清華大學(xué)的連續(xù)型機(jī)器人中,每個(gè)臂段中的6根臂桿都通過萬向節(jié)進(jìn)行連接[25],通過聯(lián)動(dòng)繩來保證單個(gè)臂段中萬向節(jié)運(yùn)動(dòng)的同步性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的連續(xù)型機(jī)器人采用具有中空結(jié)構(gòu)的萬向節(jié)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng),中空結(jié)構(gòu)用于布置傳感器的電源線和信號(hào)線[17]。萬向節(jié)具備2個(gè)方向的自由度,使用萬向節(jié)的連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。同時(shí)萬向節(jié)能夠通過繩聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)同步運(yùn)動(dòng),同步運(yùn)動(dòng)的萬向節(jié)使得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有分段等曲率的幾何特征,從而增強(qiáng)操控性能。適合作為繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人的關(guān)節(jié)。

圖6 萬向節(jié)關(guān)節(jié)

轉(zhuǎn)動(dòng)副具有1個(gè)自由度,在早期連續(xù)型機(jī)器人中應(yīng)用較多。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的繩驅(qū)動(dòng)內(nèi)窺鏡機(jī)器人使用轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)[26],各臂段中環(huán)形臂桿兩側(cè)的鉚接耳呈90°交叉布置形成萬向環(huán),結(jié)構(gòu)可拓展。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的另一種轉(zhuǎn)動(dòng)副連續(xù)型機(jī)器人每一臂桿兩側(cè)的鉚接耳相差15°布置[27],由12個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)而成的機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)末端6自由度的運(yùn)動(dòng)。使用轉(zhuǎn)動(dòng)副的機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng),常將轉(zhuǎn)動(dòng)副90°交替排布形成萬向環(huán)。驅(qū)動(dòng)力的傳遞往往靠關(guān)節(jié)碰撞實(shí)現(xiàn),控制精度低,如圖7所示[28]。

圖7 轉(zhuǎn)動(dòng)副

球鉸類似人體關(guān)節(jié),具有兩個(gè)彎曲自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的連續(xù)型機(jī)器人采用球鉸連接[28],結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。東南大學(xué)的變剛度球鉸仿生連續(xù)型機(jī)器人[29],同時(shí)安裝氣囊和彈簧裝置來調(diào)節(jié)球鉸的關(guān)節(jié)剛度,結(jié)構(gòu)可拓展。球鉸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便利的優(yōu)點(diǎn)。但安裝在連續(xù)型機(jī)器人中的球鉸需要限制扭轉(zhuǎn)自由度,增加控制難度,難以滿足空間抱捕任務(wù)對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的控制精度要求,如圖8所示[28]。

圖8 球鉸

3-UU關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,由三根連桿和兩個(gè)剛性盤組成,連桿和剛性盤連接處可進(jìn)行2自由度運(yùn)動(dòng)。由韓國(guó)理工大學(xué)所設(shè)計(jì)的線驅(qū)動(dòng)雙臂(LIMS2-AMBIDEX)機(jī)器人將3-UU關(guān)節(jié)應(yīng)用于機(jī)器人的手腕中[30],結(jié)構(gòu)剛度較低,需要安裝緊固裝置。哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了基于該關(guān)節(jié)的繩驅(qū)動(dòng)剛性聯(lián)動(dòng)式連續(xù)型機(jī)器人[31],由于3-UU關(guān)節(jié)存在的同一自由度兩側(cè)長(zhǎng)度變化一致的特點(diǎn),通過約束相鄰關(guān)節(jié)的兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)繩聯(lián)動(dòng)。3-UU關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定、剛度較差,應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)需提升結(jié)構(gòu)剛度,如圖9所示[31]。

圖9 3-UU關(guān)節(jié)

針對(duì)各關(guān)節(jié)特性的對(duì)比見表3。

表3 繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)特性比較

結(jié)合應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)的機(jī)器人特征需求發(fā)現(xiàn),需要關(guān)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),完成運(yùn)動(dòng)/力的傳遞。由于萬向節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)繩聯(lián)動(dòng),并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,制造與安裝的難度較小,更加適合應(yīng)用于空間環(huán)境。此外,在萬向節(jié)的繩聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、傳動(dòng)效率、繩索受力等多重約束,以提高關(guān)節(jié)的綜合性能。

5 需關(guān)注的關(guān)鍵問題

結(jié)合前文的分析,連續(xù)型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式、主干結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)的形式選擇直接影響機(jī)器人的性能。

針對(duì)空間抱捕任務(wù)的特殊應(yīng)用需求,開展面向此類任務(wù)的連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮如下3方面的問題:

(1)連續(xù)型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式需要滿足空間環(huán)境適應(yīng)性。繩驅(qū)動(dòng)對(duì)環(huán)境要求低,同時(shí)使用繩驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人往往具有較高的結(jié)構(gòu)剛度,適合作為空間抱捕連續(xù)型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置。3種內(nèi)置驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)柔順、連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但是氣體驅(qū)動(dòng)對(duì)密封性要求較高,智能材料驅(qū)動(dòng)在空間環(huán)境中散熱困難,無法短時(shí)間內(nèi)多次改變構(gòu)型,預(yù)彎曲同心管機(jī)器人結(jié)構(gòu)剛度較差,無法滿足維持抱捕構(gòu)型的剛度需求。故應(yīng)用于空間抱捕任務(wù)的連續(xù)型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式面臨的關(guān)鍵問題在于:如何在滿足空間環(huán)境要求的前提下,不斷提升驅(qū)動(dòng)力、速度等關(guān)鍵性能。

(2)連續(xù)型機(jī)器人的主干需要滿足抱捕任務(wù)的剛度要求。連續(xù)型機(jī)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(xù)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?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)在一定程度上提升了機(jī)器人的柔順性,但控制難度隨之增加。對(duì)于空間小碎片抱捕任務(wù),既需要連續(xù)型機(jī)器人具有較好的剛度以維持預(yù)期的抱捕構(gòu)型從而防止目標(biāo)逃逸,又需要具有一定的柔順性以避免抱捕過程產(chǎn)生較大的接觸碰撞力,剛度設(shè)計(jì)需要結(jié)合目標(biāo)特性和任務(wù)要求綜合權(quán)衡。

(3)面向空間抱捕任務(wù)的剛性主干連續(xù)型機(jī)器人關(guān)節(jié)需要綜合考慮自由運(yùn)動(dòng)和力傳遞的矛盾。連續(xù)型機(jī)器人的關(guān)節(jié)需要具備足夠的自由度來滿足超冗余自由度特性,同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn)主干運(yùn)動(dòng)和力的傳遞。多自由度運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)/力傳遞之間的矛盾是關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)需要解決的核心問題,此外還需要關(guān)注的設(shè)計(jì)約束包括關(guān)節(jié)等效剛度、運(yùn)動(dòng)干涉、局部強(qiáng)度等。

6 空間抱捕連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)研究展望

針對(duì)空間小碎片抱捕任務(wù)特點(diǎn),連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)的后續(xù)重點(diǎn)研究方向以下3方面。

(1)針對(duì)具體任務(wù)開展結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化:空間小碎片抱捕任務(wù)對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的剛度與靈活性等指標(biāo)提出要求,需要結(jié)合抱捕對(duì)象的外部幾何特性確定連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)特征參數(shù),使其在工作空間內(nèi)保證一定的靈活性并具備維持抱捕構(gòu)型的剛度。對(duì)此,需要從連續(xù)型機(jī)器人的桿件長(zhǎng)度和直徑、關(guān)節(jié)自由度和最大轉(zhuǎn)角、繩孔位置和繩聯(lián)動(dòng)摩擦特性等多維度統(tǒng)籌考慮,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以滿足抱捕任務(wù)的需求。

(2)提高機(jī)器人結(jié)構(gòu)的感知能力:連續(xù)型機(jī)器人在抱捕任務(wù)中需要基于和目標(biāo)碎片的接觸位置、接觸力等信息來調(diào)整自身構(gòu)型和抱捕力。因此,需要在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)繩、主干、關(guān)節(jié)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(xù)型機(jī)器人的精確控制提供基礎(chǔ)。這些傳感器的布置需要與機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),確保信息獲取的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠。

(3)適應(yīng)空間運(yùn)動(dòng)碎片抱捕策略的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì):空間小碎片存在速度快、自旋轉(zhuǎn)、形狀不規(guī)則等特點(diǎn),直接抱捕操作可能超出連續(xù)型機(jī)器人的承載能力導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此設(shè)計(jì)抱捕控制策略為:在抱捕開始前控制連續(xù)型機(jī)器人順應(yīng)目標(biāo)碎片運(yùn)動(dòng);在接觸目標(biāo)時(shí)依據(jù)自身結(jié)構(gòu)特性快速響應(yīng)目標(biāo)外形特點(diǎn),減慢目標(biāo)速度并消除旋轉(zhuǎn);當(dāng)目標(biāo)可被安全抱捕時(shí)控制機(jī)器人進(jìn)行抱捕操作。依據(jù)上述控制策略,從抱捕碎片的動(dòng)力學(xué)特性出發(fā),建立“碎片-機(jī)器人”動(dòng)力學(xué)模型和控制模型,通過抓捕過程的動(dòng)力學(xué)-控制聯(lián)合仿真獲取所需的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能力與響應(yīng)特性,在此基礎(chǔ)上建立連續(xù)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),通過反復(fù)迭代得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

7 結(jié)束語

本文分析了國(guó)內(nèi)外連續(xù)型機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀;結(jié)合在空間中完成小碎片抱捕任務(wù)的應(yīng)用需求,對(duì)連續(xù)型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)性機(jī)器人主干特征、關(guān)節(jié)特征進(jìn)行分析比較,得到如下結(jié)論。

(1)繩驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制、空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)方式的選擇需結(jié)合抱捕小碎片任務(wù)需求和空間環(huán)境限制綜合考慮。

(2)連續(xù)型機(jī)器人的主干剛度設(shè)計(jì)需兼顧構(gòu)型保持和接觸沖擊要求,關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)需要合理解決多自由度運(yùn)動(dòng)和力傳遞之間的矛盾。

(3)從空間抱捕任務(wù)特點(diǎn)出發(fā)開展機(jī)器人驅(qū)動(dòng)能力、響應(yīng)能力和感知能力設(shè)計(jì)是繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)器人未來重點(diǎn)發(fā)展方向。