介黨陽(yáng)，劉敬明，梁曉峰，胡昭琳，武皓微

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076;2.海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 404100)

艦艇導(dǎo)彈發(fā)射裝置的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是雙筒結(jié)構(gòu)，即由內(nèi)筒、外筒及筒間密封裝置組成。通常外筒上、下殼體與耐壓殼體連接，內(nèi)筒為懸掛式或懸浮式結(jié)構(gòu)，內(nèi)外筒之間允許一定的橫向位移量，內(nèi)外筒由密封功能的密封環(huán)連接［1］。艦載導(dǎo)彈通常都具有非常復(fù)雜的電控系統(tǒng)，為了確保導(dǎo)彈在發(fā)射前的技術(shù)狀態(tài)，通常需要通過(guò)艦載測(cè)發(fā)控設(shè)備定期對(duì)彈體進(jìn)行加電測(cè)試［2］。為了有效利用艦艇空間，艦載發(fā)射裝置布置一般比較密集，筒間距離較為狹窄，且由于導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)布局限制，存在著發(fā)射裝置內(nèi)彈地電纜插頭等難以操作的可能，此外從安全角度考慮也應(yīng)盡可能避免人員操作。

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械臂技術(shù)已經(jīng)在航天領(lǐng)域得以成功應(yīng)用，成為空間在軌維護(hù)操作的有效工具［3］。空間在軌操作具有比艦載發(fā)射裝置更加惡劣的使用環(huán)境:高輻射、高真空、大溫差、微重力、操作空間有限、能源有限等。同樣為了代替人力操作，國(guó)際上已經(jīng)有機(jī)械臂技術(shù)成功應(yīng)用的例子。如德國(guó)宇航中心(DLR)研制的基于多傳感器的小型空間機(jī)器人系統(tǒng)(ROTEX)，該系統(tǒng)安裝六自由度機(jī)械臂，可達(dá)工作空間為1m3，在機(jī)械臂末端安裝有剛性和柔性六維力/力矩傳感器、觸覺(jué)傳感器、激光測(cè)距傳感器和微型立體攝像機(jī)，使機(jī)械臂具有多種感知功能，可完成復(fù)雜的在軌操作。日本的ETS－VII試驗(yàn)衛(wèi)星上安裝的長(zhǎng)約2 m的6自由度機(jī)械臂，末端定位精度達(dá)1.3 mm，移動(dòng)速度50 mm/s，負(fù)載能力超過(guò)40 N，通過(guò)機(jī)械臂末端安裝的一對(duì)立體攝像機(jī)來(lái)輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)母性與子星的交會(huì)對(duì)接。2003年，美國(guó)NASA發(fā)射的火星探測(cè)漫游者勇氣號(hào)(MARS)上安裝的五自由度機(jī)械臂，重約4 kg，負(fù)載能力2 kg，在機(jī)械臂末端安裝一個(gè)相當(dāng)于小錘子的工具，能在火星巖石上打出直徑45 mm、深5 mm的洞，從而為研究巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)成分提供條件［4］。隨著機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展，多自由度、大負(fù)載的機(jī)械臂控制手段日益成熟，已經(jīng)具備用以完成高精度、高可靠性操作任務(wù)的技術(shù)條件。

機(jī)械臂具有多方面的優(yōu)越性:較高的重復(fù)定位精度和大負(fù)載能力;能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，如高溫高濕等;可在狹小的工作空間工作;便于與整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)自動(dòng)控制等，本文對(duì)機(jī)械臂在發(fā)射裝置領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 通用垂直發(fā)射裝置

艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，目前已經(jīng)有較為成熟的垂直發(fā)射系統(tǒng)，例如美國(guó)的MK41、俄羅斯的“利夫”和法國(guó)的“席爾瓦”等導(dǎo)彈發(fā)射裝置。由于垂直發(fā)射具有發(fā)射率高、儲(chǔ)彈量大、全方位發(fā)射、通用性好和生存能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到越來(lái)越多國(guó)家海軍的認(rèn)可，圖1為可裝80枚導(dǎo)彈的艦艇武器垂直發(fā)射裝置模塊。

圖1 可裝80枚導(dǎo)彈的艦艇武器模塊

模塊化通用垂直發(fā)射裝置的裝填密度進(jìn)一步提高，技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程中尾部操作空間極其緊湊，人力操作存在難度，且由于模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)及脫插均相同，存在著誤操作風(fēng)險(xiǎn)。隨著發(fā)射裝置技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一筒多彈或一筒一彈多脫插技術(shù)等新技術(shù)，而發(fā)射筒筒底空間有限，這種應(yīng)用情況下筒底脫插操作無(wú)法由操作員完成。利用機(jī)械臂技術(shù)，可以在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多姿態(tài)、多方位操作，準(zhǔn)確標(biāo)定后不存在誤操作風(fēng)險(xiǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化，提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。

艦載導(dǎo)彈的彈尾脫插是含導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的多針電連接器，機(jī)械臂控制不當(dāng)或設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致電連接器插針損壞或插拔不到位，因此這種應(yīng)用場(chǎng)合不僅要求機(jī)械臂本體具有較高的可靠性和重復(fù)定位精度，也要求機(jī)械臂采用有效的控制方法來(lái)避免末端的硬性碰撞和提高插拔效率。

2 典型的機(jī)械臂控制技術(shù)

2.1 基于視覺(jué)伺服的機(jī)械臂控制

視覺(jué)伺服是利用機(jī)器視覺(jué)的原理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂控制為目的而進(jìn)行圖像的自動(dòng)獲取與分析，從直接得到的圖像反饋信息中，快速進(jìn)行圖像處理，在盡量短的時(shí)間內(nèi)給出反饋信息，構(gòu)成機(jī)器人的閉環(huán)控制，基于位置的視覺(jué)伺服系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 基于位置的視覺(jué)伺服系統(tǒng)框圖

在視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)中最為常見(jiàn)的是手－眼視覺(jué)伺服，即攝像機(jī)固定與機(jī)械臂末端執(zhí)行器上，并隨著機(jī)械臂末端一起運(yùn)動(dòng)，獲取圖像信息。通常對(duì)于固定目標(biāo)的視覺(jué)伺服操作，預(yù)先通常已經(jīng)標(biāo)定過(guò)的目標(biāo)位置設(shè)置一個(gè)“視覺(jué)靶標(biāo)”，根據(jù)操作對(duì)象不同，視覺(jué)靶標(biāo)也不盡相同，其中最為簡(jiǎn)單的是黑白相間的方格，通過(guò)像素對(duì)比較為強(qiáng)烈的若干點(diǎn)來(lái)獲得目標(biāo)位姿信息［5］。國(guó)際空間站服役的加拿大臂II代，其視覺(jué)靶標(biāo)是一個(gè)具有中間立柱的立體靶標(biāo)，可以獲得更為準(zhǔn)確和全面的位姿信息。在這種結(jié)構(gòu)中，獲得的圖像中只有目標(biāo)物體及周?chē)h(huán)境的信息，機(jī)械臂實(shí)體不在圖像中，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比實(shí)際獲得的圖像中目標(biāo)物體的特征信息值與期望值來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，最終依靠機(jī)械臂的末端執(zhí)行器來(lái)完成操作任務(wù)。

與傳統(tǒng)的基于運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃固定基座機(jī)械臂控制相比，基于視覺(jué)伺服的機(jī)械臂控制能夠允許目標(biāo)物體與基座之間存在相對(duì)位移或一定的動(dòng)態(tài)移動(dòng)，且由于攝像機(jī)位于機(jī)械手末端，反饋的控制信息直接是對(duì)機(jī)械臂末端，因此機(jī)械臂末端定位精度相對(duì)較高。

對(duì)于發(fā)射裝置的彈地電纜插拔任務(wù)而言，目標(biāo)與機(jī)械臂的基座的相對(duì)位姿是固定的，因此視覺(jué)伺服可以優(yōu)選計(jì)算量較小的圖像信息方法，在完成電纜插拔的同時(shí)也能夠?qū)⑤^為清晰的局部影像通過(guò)機(jī)械臂控制總線反饋至測(cè)發(fā)控控制臺(tái)。

2.2 機(jī)械臂阻抗控制

利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置的彈地脫插連接，為了保證插接的準(zhǔn)確度，一方面需要在電纜插頭與插座之間設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)具有一定容差包容能力，即保證插頭在一定位姿誤差的情況下仍然能夠插入插座的對(duì)接孔內(nèi);另一方面，還應(yīng)通過(guò)控制避免插頭與插座實(shí)現(xiàn)的硬性碰撞，造成插座插針損壞。阻抗控制是靠調(diào)節(jié)機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置和接觸力之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)順應(yīng)控制的，這種控制的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)擾動(dòng)和不確定性有很強(qiáng)的魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)由無(wú)約束到有約束的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，更適合完成裝配性質(zhì)的工作。下面簡(jiǎn)單介紹下Hogan阻抗控制算法模型［6］。

當(dāng)機(jī)械手末端與環(huán)節(jié)接觸時(shí)機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程可以表示為式(1)中:q為關(guān)節(jié)角矢量;M(q)為慣性矩陣;C(q，˙q)和g(q)分別為機(jī)械臂系統(tǒng)的哥氏力/離心力項(xiàng)和重力項(xiàng);J為雅克比矩陣;Fext為作用于機(jī)械臂末端的外力。機(jī)械臂的目標(biāo)阻抗可由式(2):

式(2)中:Λ、B、K分別為機(jī)械臂的目標(biāo)慣性矩陣、阻尼和剛度矩陣;Xd和X分別表示機(jī)械臂末端的期望位置和目標(biāo)位置。根據(jù)Hogan阻抗控制算法，得到控制律

機(jī)械臂的阻抗控制研究還包括笛卡爾空間的基于力的阻抗控制、笛卡爾空間基于位置的阻抗控制以及關(guān)機(jī)空間基于位置或力的阻抗控制［7］，從采用的方法包括基于模糊控制、自適應(yīng)控制的阻抗控制［8］，用于優(yōu)化阻抗控制效果，提高對(duì)干擾、環(huán)境不確定性的魯棒性。

2.3 機(jī)械臂遙操作技術(shù)

機(jī)械臂遙操作技術(shù)是通過(guò)適當(dāng)?shù)娜藱C(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作者對(duì)機(jī)械臂的遠(yuǎn)程控制。常用的人機(jī)接口技術(shù)包括預(yù)測(cè)顯示技術(shù)和力反饋技術(shù)等，以幫助操作者了解機(jī)械臂所處的環(huán)境和工作情況，其中最常見(jiàn)的是手控器［9］。在手控器遙操作系統(tǒng)中，手控器肩負(fù)著將操作員的操作、控制意圖準(zhǔn)確傳遞給遙點(diǎn)機(jī)械臂，同時(shí)把機(jī)械臂的受力狀態(tài)逼真地反饋給操作員的雙重任務(wù)，具有非常高的動(dòng)作靈巧性和處理復(fù)雜操作的能力，尤其在緊急情況處理中，手控操作更具重要性。手控器包括滑桿、空間鼠標(biāo)、空間球等多種形式。典型的機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)布局圖見(jiàn)圖3［10］。

典型的遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)由一個(gè)操作員進(jìn)行操作，操作和顯示界面有若干個(gè)顯示器實(shí)現(xiàn)。預(yù)測(cè)仿真界面可顯示機(jī)械臂系統(tǒng)的三維圖形預(yù)測(cè)等，一般刷新率不低于20幀/s;信息處理顯示界面顯示遙操作命令數(shù)據(jù)、遙測(cè)數(shù)據(jù)和遙操作系統(tǒng)的狀態(tài)和信息;任務(wù)規(guī)劃界面規(guī)劃生成自主命令和遙編程命令，并選擇合適的遙操作模式;主從控制界面設(shè)置手控器和雙邊控制的控制參數(shù)。地面驗(yàn)證子系統(tǒng)用以對(duì)遙操作系統(tǒng)進(jìn)行地面驗(yàn)證，以保證遙操作系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖3 機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)布局示意圖

遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)應(yīng)用中需要解決的一個(gè)重要的問(wèn)題是較大的時(shí)間延時(shí)下的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題，通常通過(guò)仿真預(yù)測(cè)技術(shù)和參數(shù)辨識(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于艦載發(fā)射裝置，測(cè)發(fā)控控制臺(tái)距離機(jī)械臂較近，可以通過(guò)以太網(wǎng)或高速總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，與天地通訊的數(shù)秒級(jí)別時(shí)延相比，該操作時(shí)延較小，因此技術(shù)難度大為降低。

機(jī)械臂是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，執(zhí)行任務(wù)時(shí)僅依靠一種控制技術(shù)是不夠的，通常需要根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)和負(fù)載情況將若干個(gè)控制策略進(jìn)行整合，才能較好的完成操作。

3 艇載機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用于發(fā)射裝置領(lǐng)域的機(jī)械臂系統(tǒng)有較高的安全性和可靠性要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮機(jī)械臂的負(fù)載能力、合理選擇自由度、工作空間的可達(dá)性、環(huán)境適應(yīng)能力、高可靠性的電控硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗缘龋?］。

1)負(fù)載特性。機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要考慮負(fù)載特性，主要包括負(fù)載質(zhì)量、末端操作速度和角速度、負(fù)載要求的定位精度、負(fù)載與機(jī)械臂的機(jī)械接口等因素。負(fù)載質(zhì)量和操作速度從控制角度影響到機(jī)械臂的慣性矩陣的大小，從硬件設(shè)計(jì)影響到機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)電機(jī)類型的選擇和電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率器件的選擇;根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，負(fù)載具有不同的定位精度，根據(jù)負(fù)載的定位精度要求折合到機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)精度和末端執(zhí)行器的操作精度，進(jìn)而為機(jī)械臂關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)提供依據(jù);負(fù)載與機(jī)械臂機(jī)械接口決定機(jī)械末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與負(fù)載連接，來(lái)完成安裝和拆卸操作。

2)機(jī)械臂構(gòu)型設(shè)計(jì)。機(jī)械臂的構(gòu)型由關(guān)節(jié)自由度配置和關(guān)節(jié)間的連桿尺寸2個(gè)方面決定，機(jī)械臂構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下2個(gè)方面:一是運(yùn)動(dòng)學(xué);二是安裝和可折疊性要求。

根據(jù)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，由機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出特定構(gòu)型機(jī)械臂的工作空間，首先使其滿足發(fā)射裝置內(nèi)安裝空間要求。同時(shí)，根據(jù)關(guān)節(jié)的位置誤差和連桿長(zhǎng)度誤差，基于D－H參數(shù)法計(jì)算特定構(gòu)型機(jī)械臂末端的位姿誤差，使其滿足位置精度的要求。應(yīng)滿足機(jī)械臂在發(fā)射裝置上的安裝要求，同時(shí)基于導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)火時(shí)的沖擊載荷動(dòng)力學(xué)特性考慮，機(jī)械臂應(yīng)具有可折疊性。

通常機(jī)械臂的構(gòu)型應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，在滿足末端操作要求前提下，應(yīng)盡可能減少機(jī)械臂自由度，機(jī)械臂自由度減少能大大減小運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及機(jī)械臂控制的工作量，便于系統(tǒng)優(yōu)化。

3)環(huán)境適應(yīng)性。發(fā)射裝置領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)械臂應(yīng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，含發(fā)射筒內(nèi)的溫濕環(huán)境、艦艇振動(dòng)環(huán)境，用于彈尾脫插插拔的機(jī)械臂還應(yīng)承受動(dòng)力裝置點(diǎn)火時(shí)刻的力沖擊和高溫高壓燃?xì)猸h(huán)境。此外，機(jī)械臂還應(yīng)具有良好的電磁兼容性，機(jī)械臂工作不能對(duì)周邊設(shè)備造成電磁干擾，同時(shí)也應(yīng)采用合理的電磁屏蔽設(shè)計(jì)。因此，機(jī)械臂在定型設(shè)計(jì)之前，需要進(jìn)行各種試驗(yàn)，包括EMC試驗(yàn)(含RE、CE試驗(yàn))、正弦和隨即振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、外壓氣密試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)，基于可靠性考慮還應(yīng)進(jìn)行老練試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)等。

4)電控硬件系統(tǒng)。機(jī)械臂的電控硬件系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂性能和可靠性具有至關(guān)重要的影響。電控硬件系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、關(guān)節(jié)控制器、機(jī)械臂中央控制器、機(jī)械臂總線系統(tǒng)等子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與艦載測(cè)發(fā)控的能力和接口協(xié)調(diào)，全局進(jìn)行優(yōu)化。

5)控制策略。控制策略已在前文進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，針對(duì)發(fā)射裝置領(lǐng)域，應(yīng)根據(jù)負(fù)載特性要求合理選擇機(jī)械臂控制策略，以便較好地完成操作任務(wù)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)通用垂直發(fā)射裝置在應(yīng)用領(lǐng)域的具體需求，論述了機(jī)械臂技術(shù)執(zhí)行技術(shù)準(zhǔn)備工作的可行性，并介紹了幾種典型的機(jī)械臂控制方法，最后提出了發(fā)射裝置領(lǐng)域機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求。根據(jù)目前發(fā)射裝置需求，2～3自由度的機(jī)械臂可實(shí)現(xiàn)電纜脫插的插拔操作，同時(shí)機(jī)械臂也具備完成更復(fù)雜操作的能力，為未來(lái)新型發(fā)射裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。

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(責(zé)任編輯周江川)