劉 艷，沈曉鵬，胡雪平，耿海峰，魏 智

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

用于空間站組建的翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案設(shè)計

劉 艷，沈曉鵬，胡雪平，耿海峰，魏 智

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

針對我國空間站工程規(guī)劃，借鑒和平號空間站的組建經(jīng)驗，提出了一種適用于我國空間站建造的翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位技術(shù)方案，即先通過對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗艙與核心艙的軸向?qū)?，然后利用翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)將實(shí)驗艙轉(zhuǎn)位至側(cè)向?qū)涌诓⒅С謱訖C(jī)構(gòu)完成側(cè)向?qū)?。通過任務(wù)及功能分析、機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析、機(jī)構(gòu)自由度分析，確定了翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作原理、具體組成及布局、系統(tǒng)工作過程以及工作時序，同時對其優(yōu)點(diǎn)及局限性進(jìn)行了分析，可為空間站工程提供參考。

空間站；翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)；方案設(shè)計

1 引言

空間站技術(shù)代表著航天技術(shù)的綜合水平，建造大型空間站也是我國載人航天工程的目標(biāo)之一。由于受到運(yùn)載工具運(yùn)載能力的限制，大型空間站要在太空對接組裝［1-2］。依據(jù)和平號空間站和我國空間站構(gòu)型，大型空間站組裝方案為：在首先發(fā)射的核心艙的節(jié)點(diǎn)艙前端集中配置若干對接口，包括一個軸向?qū)涌诤腿舾蓚€側(cè)向?qū)涌?。其中軸向?qū)涌谳S線通過核心艙質(zhì)心，側(cè)向?qū)涌谳S線則不通過核心艙質(zhì)心。依次發(fā)射的其他艙體與節(jié)點(diǎn)艙對接口一一對應(yīng)對接組裝。軸向?qū)涌诘膶臃Q為軸向?qū)?，可通過直接軸向?qū)油瓿山M裝。側(cè)向?qū)涌诘膶臃Q為側(cè)向?qū)?，但由于在軌道控制、姿態(tài)控制等方面都存在困難，因此直接側(cè)向?qū)幽壳斑€未能在空間實(shí)現(xiàn)［3］。

為了實(shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)?，一種解決方法是先將航天器對接到軸向，然后利用翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)將航天器轉(zhuǎn)移到側(cè)向?qū)涌?，?shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)?。和平號空間站即采用此種方案。和平號空間站核心艙1986年2月發(fā)射升空，直到1996年4月核心艙與最后一個自然號實(shí)驗艙對接轉(zhuǎn)位組裝成功。在整個構(gòu)建過程中，翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了各個艙體從軸向到側(cè)向的轉(zhuǎn)位［4］。

另一種側(cè)向?qū)涌趯蛹夹g(shù)是利用機(jī)械臂直接捕獲、抓取航天器到側(cè)向?qū)涌冢缓筮M(jìn)行對接。進(jìn)行對接的航天器需要在空間站附近預(yù)定地點(diǎn)停泊，而且停泊時需要高精度保持相對位置和姿態(tài)穩(wěn)定，這是一個困難的控制問題。現(xiàn)國際空間站采用了這一對接方式［5］。

在翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲過程中，由軸向?qū)訖C(jī)構(gòu)的對接建立捕獲初始條件，而在機(jī)械臂的捕獲過程中，由兩航天器之間的懸停飛行建立捕獲初始條件，兩者相比，前者技術(shù)難度小，可靠性高。我國未來的大型空間站方案與和平號空間站和國際空間站類似，是由多個艙段和模塊組合而成的軌道復(fù)合體。在我國空間站項目建設(shè)計劃初期建造軌道復(fù)合體處于探索階段，應(yīng)用翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)側(cè)向?qū)颖容^經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)妥、可靠。本文基于我國空間站系統(tǒng)規(guī)劃，借鑒和平號空間站的組建經(jīng)驗，進(jìn)行空間站翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案設(shè)計。

2 實(shí)驗艙翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案論證

2.1 任務(wù)分析

在空間實(shí)驗室任務(wù)成功的基礎(chǔ)上，我國將研制并發(fā)射空間站?？臻g站由核心艙、實(shí)驗艙Ⅰ和實(shí)驗艙Ⅱ三個模塊組成，同時配套載人飛船和貨運(yùn)飛船作為乘員和物品運(yùn)輸?shù)闹С窒到y(tǒng)［6-7］，圖1是空間站構(gòu)型示意圖。

圖1 我國空間站構(gòu)型示意圖Fig.1 Configuration diagram of China's space station

根據(jù)以上系統(tǒng)規(guī)劃，空間站核心艙的節(jié)點(diǎn)艙基體為一球形，如圖2，在球形基體上幾何對稱布置6個擴(kuò)展口，其中一個擴(kuò)展口延伸連接核心艙主艙體，四個側(cè)向?qū)涌诤颓岸溯S向?qū)涌谘b有被動對接機(jī)構(gòu)。來訪航天器軸端安裝有主動對接機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)和空間站節(jié)點(diǎn)艙的軸向?qū)印？臻g站翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)能夠用于將上述實(shí)驗艙Ⅰ和實(shí)驗艙Ⅱ從軸向?qū)涌谵D(zhuǎn)位至相應(yīng)的側(cè)向?qū)涌凇?/p>

圖2 核心艙的節(jié)點(diǎn)艙球形基體構(gòu)型Fig.2 Spherical basic configuration of the core module's transfer adapter

2.2 實(shí)驗艙轉(zhuǎn)位組裝過程分析

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，和平號空間站上配置有轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由主動端轉(zhuǎn)臂和被動端基座組成，其中主動端轉(zhuǎn)臂安裝在待轉(zhuǎn)艙上，被動端基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。節(jié)點(diǎn)艙同樣為球形基體結(jié)構(gòu)，四個側(cè)向?qū)涌诤颓岸溯S向?qū)涌谘b有被動對接機(jī)構(gòu)。來訪航天器軸端安裝有主動對接機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)和空間站節(jié)點(diǎn)艙的軸向?qū)印Ｕ麄€轉(zhuǎn)位過程由轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與對接機(jī)構(gòu)共同作用完成，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和對接機(jī)構(gòu)在艙體上的布局如圖3［3］。

圖3 待轉(zhuǎn)艙上的轉(zhuǎn)臂和節(jié)點(diǎn)艙上的基座Fig.3 The manipulator arm on the lab and the mating sockets on the core module

和平號空間站上的翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主動端轉(zhuǎn)臂具有2個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個捕獲連接機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)被動端基座與轉(zhuǎn)臂配合完成相應(yīng)動作。如圖4所示［3］。轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲連接和解鎖功能由主動端轉(zhuǎn)臂驅(qū)動實(shí)施。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的工作過程類似于登山運(yùn)動，首先對接機(jī)構(gòu)保持連接情況下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主被動端轉(zhuǎn)臂和基座的捕獲連接，然后在轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)連接的情況下，對接機(jī)構(gòu)解除連接，由轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)將艙體轉(zhuǎn)移到側(cè)向，再由對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)捕獲連接［3］。

圖4 轉(zhuǎn)臂和基座Fig.4 The manipulator arm and the mating socket

參考和平號空間站的組建過程，采用類似和平號轉(zhuǎn)位方案，利用翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間站實(shí)驗艙Ⅰ和實(shí)驗艙Ⅱ的組建過程如下：1）實(shí)驗艙Ⅰ與核心艙的節(jié)點(diǎn)艙建立軸向?qū)樱?）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在實(shí)驗艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙之間建立剛性連接；3）實(shí)驗艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙解除軸向?qū)樱?）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)將實(shí)驗艙Ⅰ轉(zhuǎn)位至節(jié)點(diǎn)艙側(cè)向?qū)涌冢?）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)狀態(tài)保持，實(shí)驗艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙建立側(cè)向?qū)樱?）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)解除實(shí)驗艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙之間的剛性連接。

實(shí)驗艙Ⅱ的組裝過程與實(shí)驗艙Ⅰ相同，轉(zhuǎn)位至另一側(cè)向?qū)涌凇＞唧w過程如圖5所示。

圖5 利用翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間站實(shí)驗艙Ⅰ和實(shí)驗艙Ⅱ組建過程示意圖Fig.5 Process diagram of labⅠand labⅡassembling by tilting transfer mechanism

2.3 功能分析

在將實(shí)驗艙從軸向轉(zhuǎn)位到側(cè)向的動作之前，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主被動端之間需要進(jìn)行捕獲和連接；在建立了可靠的剛性連接之后，將實(shí)驗艙從軸向?qū)涌谵D(zhuǎn)位到側(cè)向?qū)涌冢辉趥?cè)向?qū)涌?，為了克服對接機(jī)構(gòu)側(cè)向捕獲過程中的作用力，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需要具有位置保持功能，以支持對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)側(cè)向捕獲；在對接機(jī)構(gòu)側(cè)向?qū)硬东@完成后，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主被動端之間進(jìn)行解鎖、分離，解除實(shí)驗艙與節(jié)點(diǎn)艙之間的約束后對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)側(cè)向剛性連接。功能可以歸納如下：

1）捕獲：在規(guī)定的初始條件下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲；

2）連接：在實(shí)驗艙和節(jié)點(diǎn)艙之間提供所需連接力并達(dá)到一定連接剛度，連接過程中能夠校正轉(zhuǎn)臂與基座的位姿誤差，轉(zhuǎn)位過程中能夠保持連接狀態(tài)；

3）轉(zhuǎn)位：能夠?qū)?shí)驗艙I和實(shí)驗艙II從節(jié)點(diǎn)艙軸向轉(zhuǎn)至側(cè)向預(yù)定停泊口，完成啟動、轉(zhuǎn)動、緩沖、制動過程；

4）位置保持功能：肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)相對位置的保持并在一定負(fù)載下不產(chǎn)生角位移；

5）解鎖：解除轉(zhuǎn)臂和基座之間剛性的連接，轉(zhuǎn)臂故障模式下，基座具備備份解鎖功能；

6）分離：解除轉(zhuǎn)臂與基座的接觸，克服分離過程中的負(fù)載，為側(cè)向?qū)犹峁┛臻g。

3 實(shí)驗艙翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位路徑設(shè)計

翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在實(shí)驗艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙之間建立剛性連接后將實(shí)驗艙從軸向到側(cè)向的轉(zhuǎn)位功能時，根據(jù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)運(yùn)動自由度的不同，會有多種轉(zhuǎn)位路徑。在確定翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案時，以簡單可靠機(jī)構(gòu)自由度最少為原則進(jìn)行轉(zhuǎn)位功能實(shí)現(xiàn)過程的路徑設(shè)計。下面對實(shí)驗艙從軸向轉(zhuǎn)位到側(cè)向所需的最少運(yùn)動自由度進(jìn)行分析。

3.1 擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動自由度

在空間站艙段組裝時，每個實(shí)驗艙需要配置一套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)。如果在節(jié)點(diǎn)艙上相應(yīng)地只配置一套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，又要求能轉(zhuǎn)位到四個側(cè)向?qū)涌谥械娜我庖粋€側(cè)向?qū)涌冢瑒t翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需要設(shè)計為多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)。相反地，如果在節(jié)點(diǎn)艙上相應(yīng)地分別配置四套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，分別將實(shí)驗艙轉(zhuǎn)位到四個側(cè)向?qū)涌?，?shí)現(xiàn)功能的同時也增加了轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的重量。因此從自由度最少和系統(tǒng)質(zhì)量最輕的角度出發(fā)，節(jié)點(diǎn)艙上轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的配置方案如下：

在節(jié)點(diǎn)艙上布置兩套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，分別在節(jié)點(diǎn)艙軸向?qū)涌诤拖噜弮蓚?cè)向?qū)涌谥行呐c節(jié)點(diǎn)艙球形基體的球心所組成的正立方體的對角線處，即圖6所示球心與o點(diǎn)所連直線，并將此直線作為艙體從軸向?qū)涌跀[動到側(cè)向?qū)涌诘臄[動旋轉(zhuǎn)軸線，從而使得軸向、相鄰的側(cè)向共3個對接口相對該對角線的空間轉(zhuǎn)角均相同，即120°，實(shí)驗艙從軸向?qū)涌诘竭_(dá)相鄰的兩個側(cè)向?qū)涌跒閷ΨQ動作。

空間站組建過程中，應(yīng)預(yù)先設(shè)定實(shí)驗艙上轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)艙上轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的對應(yīng)位置，從而確定由軸向?qū)涌谙蝾A(yù)定的側(cè)向?qū)涌谵D(zhuǎn)位。

基于節(jié)點(diǎn)艙上轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)最優(yōu)的配置方案，即節(jié)點(diǎn)艙上兩兩相鄰側(cè)向?qū)涌陂g布置一套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)艙上共配置兩套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的布局方案，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需要設(shè)計一個繞正立方體對角線（如圖6所示）旋轉(zhuǎn)的擺動旋轉(zhuǎn)自由度以驅(qū)動實(shí)驗艙從軸向?qū)涌跀[動到預(yù)定的側(cè)向?qū)涌凇?/p>

圖6 艙體擺動旋轉(zhuǎn)軸線Fig.6 The axis of lab swing rotation

3.2 軸向運(yùn)動自由度

我國空間站規(guī)劃使用周邊式對接機(jī)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)［8］，我國應(yīng)用于神舟飛船和天宮目標(biāo)飛行器實(shí)現(xiàn)交會對接的周邊式對接機(jī)構(gòu)采用導(dǎo)向瓣內(nèi)翻的異體同構(gòu)周邊式構(gòu)型。對接過程主要包括對接環(huán)推出準(zhǔn)備、接觸與緩沖、捕獲、緩沖與校正、拉近、剛性連接等步驟，其過程如圖7所示。

圖7 對接機(jī)構(gòu)工作過程Fig.7 Docking process

對接機(jī)構(gòu)對接框上裝有導(dǎo)向板、導(dǎo)向銷、導(dǎo)向套、分離推桿和鎖系，導(dǎo)向板為空間交錯分布，導(dǎo)向銷與分離推桿在圓周上非均勻分布，如圖8所示［9］。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)如果在主被動對接機(jī)構(gòu)拉緊時實(shí)現(xiàn)捕獲連接，并在此狀態(tài)下將艙體直接擺動到側(cè)向?qū)⒈厝粫霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)的干涉，需要使實(shí)驗艙與節(jié)點(diǎn)艙兩對接機(jī)構(gòu)端面分開一定的距離。該推出運(yùn)動自由度可由主動對接機(jī)構(gòu)將對接環(huán)推出實(shí)現(xiàn)，因此不需要轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)設(shè)計相應(yīng)的運(yùn)動自由度。

3.3 上下翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動自由度

根據(jù)周邊式對接機(jī)構(gòu)推出能力，在對接機(jī)構(gòu)達(dá)到其最大推出距離時進(jìn)行繞前述擺動旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動并考察干涉情況，分析知主動對接框I、IV象限導(dǎo)向套與被動框I、II象限導(dǎo)向套會接觸干涉，因此轉(zhuǎn)位擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動前需要增加一個艙體上翻旋轉(zhuǎn)動作，對應(yīng)的轉(zhuǎn)位擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動后有一個艙體下翻旋轉(zhuǎn)動作，上翻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動如圖9所示。同時，上翻旋轉(zhuǎn)后實(shí)驗艙質(zhì)心距離擺動旋轉(zhuǎn)軸距離減小，降低了擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的轉(zhuǎn)動慣量。

圖8 導(dǎo)向板及銷（套）干涉檢查Fig.8 Guide pin and sleeve interference checking

圖9 艙體上下翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸線Fig.9 The axis of lab up and down tilting rotation

4 翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)配置設(shè)計

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)系統(tǒng)需要由主動端和被動端配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位功能，主動端是指主動驅(qū)動實(shí)施轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)間捕獲、連接和解鎖功能的部分，稱為轉(zhuǎn)臂；被動端是指配合主動端完成轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)間捕獲、連接和解鎖功能的部分，稱為基座。由于主動端與被動端分別配置于節(jié)點(diǎn)艙和實(shí)驗艙上，將導(dǎo)致不同的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計方案。因此論述如下：

主動端轉(zhuǎn)臂和被動端基座在節(jié)點(diǎn)艙和實(shí)驗艙上的安裝方式分為兩種：一是轉(zhuǎn)臂裝在實(shí)驗艙上，基座裝在節(jié)點(diǎn)艙上；二是基座裝在實(shí)驗艙上，轉(zhuǎn)臂裝在節(jié)點(diǎn)艙上。主被動端這兩種不同的構(gòu)型方式導(dǎo)致機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)方案以及可靠性水平高低的不同。下面分三種不同方案進(jìn)行分析比較（由于連接、解鎖、位置保持功能的實(shí)現(xiàn)不受機(jī)構(gòu)構(gòu)型的影響，因此不針對此三項功能進(jìn)行對比分析）。

1）如圖10（a）所示，主動端轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗艙上，被動端基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和實(shí)驗艙翻轉(zhuǎn)運(yùn)動由主動端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗艙擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由主動端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)軸為基座的旋轉(zhuǎn)中心。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為2自由度機(jī)構(gòu)。

2）如圖10（b）所示，主動端轉(zhuǎn)臂安裝在節(jié)點(diǎn)艙上，被動端基座安裝在實(shí)驗艙上。捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和實(shí)驗艙翻轉(zhuǎn)運(yùn)動由主動端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗艙擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由主動端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為2自由度機(jī)構(gòu)。

3）如圖10（c）所示，主動端轉(zhuǎn)臂安裝在節(jié)點(diǎn)艙上，被動端基座安裝在實(shí)驗艙上。捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由主動端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗艙翻轉(zhuǎn)運(yùn)動由被動端基座實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗艙擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由主動端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為3自由度機(jī)構(gòu)。

圖10 機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析Fig.10 Analysis of the mechanism configuration

不同構(gòu)型對比分析見表1，主要從三方面進(jìn)行對比分析：一是轉(zhuǎn)臂和基座結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度；二是機(jī)構(gòu)在軌運(yùn)動時間及可靠性要求；三是完成空間站系統(tǒng)組建各個艙體上所需的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)配套。

綜合分析，在系統(tǒng)配套質(zhì)量可以接受的情況下，方案A為最優(yōu)的構(gòu)型方案，轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗艙上，基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。

5 翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)布局及原理設(shè)計

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)具體組成及機(jī)械原理圖如圖11。其機(jī)械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臂、固定座和基座三個部分組成。基于上述分析確定轉(zhuǎn)臂和固定座安裝在實(shí)驗艙上，基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。轉(zhuǎn)臂由兩個旋轉(zhuǎn)副和一個移動副組成，分別是肩關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)和捕獲連接機(jī)構(gòu)。其中捕獲連接機(jī)構(gòu)的萬向擺動組件頭部的捕獲錐頭與基座鎖鉤配合實(shí)現(xiàn)捕獲連接功能。肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動實(shí)驗艙兩自由度旋轉(zhuǎn)，固定座用于發(fā)射時將轉(zhuǎn)臂固定于艙體上。基座與轉(zhuǎn)臂配合完成動作。

表1 構(gòu)型分析表Table 1 Analysis of the mechanism configuration

圖11 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)布局及原理圖Fig.11 Layout and principle of the tilting transfer mechanism

6 實(shí)驗艙翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位工作過程設(shè)計

實(shí)驗艙轉(zhuǎn)位組裝過程需要轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與對接機(jī)構(gòu)交互工作配合實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗艙與節(jié)點(diǎn)艙軸向?qū)涌谕ㄟ^周邊式對接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊、密封并完成貨物轉(zhuǎn)運(yùn)后，實(shí)驗艙準(zhǔn)備進(jìn)行轉(zhuǎn)位任務(wù)。

在轉(zhuǎn)臂與基座捕獲前，使對接機(jī)構(gòu)捕獲鎖鎖緊、對接鎖解鎖。對接環(huán)推出至準(zhǔn)備轉(zhuǎn)位位置（即推出至避免干涉的位置），進(jìn)行轉(zhuǎn)臂和基座的捕獲。此時節(jié)點(diǎn)艙與實(shí)驗艙之間通過對接機(jī)構(gòu)捕獲鎖鎖緊來保持連接狀態(tài)，轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲初始條件主要由對接機(jī)構(gòu)對接環(huán)推出偏差決定，而不依賴于兩航天器之間的位置姿態(tài)控制精度，因此在轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲能力覆蓋捕獲偏差范圍的條件下能夠保證轉(zhuǎn)臂和基座的可靠捕獲。

圖12 實(shí)驗艙翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位工作過程Fig.12 Process of lab tilting transferring

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)捕獲基座并剛性連接后，對接機(jī)構(gòu)捕獲鎖解鎖，對接環(huán)拉回，以解除實(shí)驗艙與節(jié)點(diǎn)艙之間對接機(jī)構(gòu)的約束。

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)驅(qū)動實(shí)驗艙完成規(guī)劃的上翻、擺動和下翻的轉(zhuǎn)位路徑后，實(shí)驗艙到達(dá)側(cè)向?qū)涌凇?/p>

在側(cè)向?qū)涌?，通過轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座之間的剛性連接來保證節(jié)點(diǎn)艙與實(shí)驗艙之間的相對位置，使對接機(jī)構(gòu)可靠捕獲。在此過程中轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需提供對接機(jī)構(gòu)對接環(huán)推出捕獲鎖捕獲過程的支反力，對接機(jī)構(gòu)側(cè)向捕獲完成后，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座間解鎖復(fù)位，對接機(jī)構(gòu)對接環(huán)拉回，對接鎖鎖緊完成剛性連接密封。

上述轉(zhuǎn)位過程如圖12所示，轉(zhuǎn)位過程對接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的協(xié)同交互配合關(guān)系如圖13所示［9］。

圖13 對接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)協(xié)同配合關(guān)系Fig.13 Docking and transferring's cooperate relationship

7 結(jié)論

與機(jī)械臂相比，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)臂體長度小，自由度少，結(jié)構(gòu)簡單，能夠安全可靠地完成艙體從軸向到側(cè)向?qū)涌诘霓D(zhuǎn)位任務(wù)。但是轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在完成轉(zhuǎn)位任務(wù)的同時，也具有一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

1）功能單一，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)僅用于艙體從軸向到側(cè)向的轉(zhuǎn)位，而不具有操作各種試驗載荷的功能；

2）艙體象限的90°翻轉(zhuǎn)，如前所述，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座為軸向?qū)涌诤拖噜弮蓚?cè)向?qū)涌陂g的對稱放置，擺動旋轉(zhuǎn)角度為120°，擺動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動后，艙體象限會發(fā)生90°翻轉(zhuǎn)，在實(shí)驗艙內(nèi)設(shè)備不允許進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的情況下將無法使用此轉(zhuǎn)位方案；

3）轉(zhuǎn)位方案基于對接機(jī)構(gòu)具有主動推出能力的情況下進(jìn)行機(jī)構(gòu)自由度設(shè)計，因此如果與之匹配的對接機(jī)構(gòu)不具有軸向推出運(yùn)動的自由度，則轉(zhuǎn)位方案將需要增加這一直線運(yùn)動自由度。

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Scheme Design of Tilting Transfer Mechanism for Space Station Assembling

LIU Yan，SHEN Xiaopeng，HU Xueping，GENG Haifeng，WEI Zhi
（Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201109，China）

For the space station project of China，referring the experience of the Mir space station construction，this paper proposed a tilting transfer technology solution suitable for China's space station construction.First，the lab and the core module was docked along the axial through the docking mechanism.Then tilting transfer mechanism was used to transport the lab to the lateral interface and support the docking mechanism to complete the transposition of lateral docking assembly.Through the task and function analysis，the mechanism configuration analysis，and the degree of freedom analysis，the principle of tilting transfer mechanism，the specific composition and layout，the working process of the system as well as the working sequence were determined.Its advantages and limitations were analyzed which may provide valuable references for the space station project.

space station；tilting transfer mechanism；scheme design

V423.7

A

1674-5825（2015）06-0575-07

2015-03-23；

2015-08-14

上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目（15XD1524000）

劉 艷（1981-），女，碩士，高級工程師，研究方向為空間機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計及可靠性設(shè)計。E-mail：87144831@qq.com