王 康，梁常春，林云成，王耀兵

（北京空間飛行器總體設計部 空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京100092）

·空間機械臂專題·

基于可伸縮機構的空間機械臂系統(tǒng)設計

王 康，梁常春，林云成，王耀兵

（北京空間飛行器總體設計部 空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京100092）

空間機械臂在發(fā)射階段往往要求較小的包絡，在空間應用階段又需要足夠大的操作范圍和很高的操作精度，單一構型的空間機械臂很難滿足以上需求。為此提出一種臂桿可伸縮的自重構空間機械臂：當機械臂處于收縮狀態(tài)時，發(fā)射包絡小、操作精度高；當機械臂處于伸長狀態(tài)時，可達范圍大。仿真驗證結果表明：設計的等截面可伸縮臂桿提高了機械臂的適應能力。

在軌服務技術；空間機械臂；自重構；可伸縮臂桿

1　引言

隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展和對太空探索的不斷深入，需要空間機器人參與的空間任務會越來越多，如空間站的建造維護、空間設備的維修、科學實驗載荷的照料、行星表面探測等。由于太空環(huán)境的限制，這些任務不能全靠航天員來完成，而空間機器人具有適應微重力、高溫差、高輻射的太空作業(yè)環(huán)境的能力［1］，因此采用空間機器人協(xié)助或代替航天員完成一些太空作業(yè)，在高效性和安全性方面都具有很重要的意義。

在過去十幾年中，對空間機器人的研究多數(shù)限于使用旋轉關節(jié)和固定長度連桿來模仿人類的手臂運動，根據不同的任務需求，設計不同長度的機械臂［2］。一旦機械臂設計研制完成，它所具有的工作空間與能力也已定型?！霸O計定型即任務定型”的瓶頸使得空間機械臂的在軌任務無法得到有效拓展，從而制約了其應用。此外，針對不同應用任務而重復研制空間機械臂無疑也增加了研發(fā)成本、時間成本與發(fā)射成本，不利于愈發(fā)激烈的航天市場競爭。目前國際空間站機械臂的臂桿也為固定長度，由加拿大MDA公司研制，該公司也正在研制新一代的可伸縮臂桿機械臂，該方案機械臂在發(fā)射之前存放在不超過5 m3的空間里，在軌展開后長度可達15 m，共6個自由度［3］。

本文提出一種新型的基于伸縮機構的空間機械臂方案，不但使用旋轉關節(jié)，也采用了可伸縮的臂桿。

2　需求分析

為同時具備大中型設備操作與小型精細化操作的雙重能力，進行基于伸縮機構的空間機械臂系統(tǒng)設計，主要從以下應用背景需求出發(fā)：

1）遠距離目標大范圍捕獲與轉移、近距離對象高剛度精細操作

空間機械臂是航天器在軌服務的重要工具，臂桿可伸縮自重構機械臂應同時滿足在軌服務對可達范圍大和操作精度高的要求。如圖1所示，伸長構型的機械臂應可對遠距離的服務對象（如小衛(wèi)星、望遠鏡、貨物等航天器）進行捕獲，捕獲完成后機械臂臂桿收縮變?yōu)榫容^高的收縮機械臂構型，以實現(xiàn)精細化操作（如在軌維修維護）。

圖1　自重構機械臂在軌服務Fig.1 On-orbit service of self-reconfigurable manipulator

2）半封閉式貨艙貨物搬運

隨著在軌服務技術的發(fā)展，對入口較小且內部空間較大的半封閉式航天器在軌服務操作的現(xiàn)象可能會增多，如圖2所示，具有臂桿可伸縮自由度的自重構空間機械臂應可進入狹小入口，同時伸展構型的機械臂可在航天器內部空間進行大范圍操作。

圖2　狹小入口半封閉式航天器在軌服務Fig.2 On-orbit service on semi-close cabin with narrow portal

3）航天員出艙活動的快速轉移

在輔助航天員出艙活動方面應具有更靈活的應用。例如，在較大的范圍內，航天員可以僅依靠操作伸縮臂桿的長度實現(xiàn)位置的移動，以避免了多旋轉關節(jié)聯(lián)動帶來的機械臂構型奇異風險，并降低不必要的工作功耗。

4）滿足小空間運載包絡需求

為節(jié)約發(fā)射成本，當機械臂隨其它航天器發(fā)射時，應盡量減小機械臂對運載空間的占用需求，但又不失其固有操作能力。此時，可伸縮的機械臂應可通過在發(fā)射階段處于臂桿最短收縮構型以便于航天器構型布局設計與滿足運載包絡要求。

根據以上需求并考慮未來空間任務的拓展，主要針對機械臂的伸縮功能提出以下指標：

機械臂可達范圍：2.5～10.5 m；

臂桿承載彎矩：3000 Nm；

臂桿承載扭矩：1500 Nm；

臂桿伸縮力：1500 N；

臂桿彎曲剛度：≥2×105Nm/rad；

臂桿扭轉剛度：≥1×105Nm/rad。

3　系統(tǒng)方案設計

基于可伸縮機構的空間機械臂本體包括9個自由度，主要由7個關節(jié)、2個可伸縮臂桿、2個末端執(zhí)行器組成。其中，7個關節(jié)可實現(xiàn)7個轉動自由度（肩3+肘1+腕3），2個臂桿可實現(xiàn)2個直線運動自由度，末端執(zhí)行器用于整臂基座固定及末端的抓取、操作等。由于對稱配置，可實現(xiàn)兩端雙向互為基座，具備覆蓋大范圍操作空間的爬行拓展能力。此空間機械臂系統(tǒng)組成方案如圖3。

圖3　基于可伸縮機構的空間機械臂組成方案Fig.3 Framework of space manipulator based on telescopic mechanism

設計的臂桿可伸縮空間機械臂系統(tǒng)主要包括如下配置：

1）模塊化關節(jié)

7個轉動關節(jié)均采用通用、輕質、模塊化、一體化設計。關節(jié)傳感器包括關節(jié)力矩傳感器、關節(jié)位置傳感器、電機位置傳感器等。

2）可伸縮臂桿

2個臂桿伸縮機構與通常的空間展開機構不同，具有定位準確，彎扭剛度高的特點，同時具有電纜自由收放的功能，保證各關節(jié)之間的電纜隨著臂桿伸縮的過程實現(xiàn)自由收放。

3）通用接口的末端執(zhí)行工具

根據不同的任務需求，設計不同的末端執(zhí)行操作工具，用于在軌服務對象的捕獲、抓取、精細化操作等，且機械臂與操作工具間的連接為通用、可快速拆卸接口，可實現(xiàn)多用途、易維修的功能。

4）系統(tǒng)控制單元

機械臂系統(tǒng)采用分布控制方式，包含用于系統(tǒng)控制和運動規(guī)劃的中央控制器、各個分布式關節(jié)控制器、臂桿伸縮機構控制器三部分。

以上四部分除可伸縮臂桿外都較為成熟，本文在第4章將針對可伸縮臂桿進行設計，為滿足整臂的可達范圍要求，伸縮機構應滿足1～4 m的伸縮范圍指標。

4　可伸縮臂桿機構方案設計

伸縮桿自重構空間機械臂伸縮桿機構要求可重復伸縮、定位準確、彎扭剛度高、伸縮比高，國內外研究的可重復伸縮的空間展開機構包括薄壁管狀伸展機構（德國宇航中心研制的CFRP）［4-5］、鉸接桿伸展機構（美國AEC-Able公司研制）［6-7］、伸縮套筒式展開機構（美國Northrob Grumman公司研制）［8］，其中只有套筒式展開機構可具備以上前3個特點，但由于該機構是由一組直徑依次減小的多個同軸薄壁圓筒相互嵌套而成（原理如圖4所示），為達到較高的伸縮比，需提高展開級數(shù)，而隨著展開級數(shù)的增多，套筒直徑逐漸減小，剛度降低。為此本文提出一種等截面伸縮的展開機構，可保證機械臂臂桿在伸展過程中截面剛度不變，同時獲得較高的機構伸縮比。

圖4　套筒式展開機構原理Fig.4 Principle of sleeve deployable mast

4.1 等截面臂桿成型原理

等截面伸展機構與套筒式伸展機構的不同之處在于：套筒式伸展機構是驅動已成型的多個薄壁套筒伸展逐級伸展，而等截面伸展機構是使豎直板帶和水平板帶在伸展的過程中逐漸成型為臂桿。臂桿成型原理如圖5所示，豎直板帶是一條邊緣附近均勻分布矩形孔的扁平金屬帶狀結構，

其結構形式類似于相機膠卷，豎直板帶的厚度遠小于其寬度，具有很好的柔韌性，可以卷成環(huán)狀進行存儲，占用空間小。水平板帶是一種等厚螺旋葉片狀，其特殊之處在于沿著水平板帶外緣螺旋線均勻分布齒狀結構。水平板帶的結構類似于矩形截面的等徑圓柱彈簧，自由放置時水平板帶的每一圈可以疊放在一起，而受到較小的軸向拉力時能夠使水平板帶的螺距等于螺旋管柱的螺距。豎直板帶按照設計的直徑螺旋纏繞，保證豎直板帶纏繞時具有一定量的重疊部分，在重疊區(qū)域，水平板帶外緣的齒與豎直板帶上的矩形孔嚙合鎖緊，并形成結構相對穩(wěn)定的螺旋管柱。

圖5　臂桿成型原理Fig.5 Principle of arm forming

通過對板帶嚙合過程的描述，可以看出板帶正確嚙合的條件有兩個：

1）嚙合處豎直板帶的孔距PZ與水平板帶的齒距pZ相等，如圖6所示，可描述為式（1）：

圖6　板帶正確嚙合條件一Fig.6 Condition 1 of the correct band joggle

2）豎直板帶纏繞一周后，豎直板帶上下排孔錯位距離Sc與水平板帶上下排齒錯位距離sc相等，如圖7所示，可描述為式（2）：

圖7　板帶正確嚙合條件二Fig.7 Condition 2 of the correct band joggle

4.2 伸縮機構方案

根據臂桿成型原理，采用螺旋式滾輪實現(xiàn)板帶的嚙合，伸縮機構的組成如圖8所示，內定字固定不動，外轉子上按照與豎直板帶相同的螺距P螺旋布置多個滾輪組，形成螺旋軌道，由電機通過1級齒輪驅動轉子轉動（如圖9所示），逆時針旋轉時滾輪組頂升水平板帶豎直向上移動，同時水平板帶的齒狀結構與豎直板帶孔嚙合，并帶動豎直板豎直向上運動，形成螺旋管柱（臂桿）。臂桿收縮狀態(tài)時，兩種板帶盤旋存儲在存儲槽中，占用較小的空間。

圖8　伸縮機構組成Fig.8 Composition of the telescopic mechanism

圖9　螺旋滾輪組伸展原理Fig.9 Principle of extention of the helical wheel set

轉子每旋轉一周，臂桿伸展一個螺距，即旋轉角度和伸展長度成線性關系。所以，轉子與支柱之間布置角度傳感器，運轉過程中可實時測量二者之間的絕對角度，同時可將旋轉圈數(shù)記錄在上位機的FLASH-ROM存儲器中，即使控制器斷電后，數(shù)據不會丟失。當系統(tǒng)通電后，可讀取旋轉圈數(shù)，再測得轉子的相對角度，這樣可準確計算出臂桿的任意伸展位置。

電纜用于機械臂關節(jié)、末端及其它單機的供電和通信，在臂桿伸縮過程中，電纜應該隨臂桿收縮。伸縮機構采用中空走線方式，將電纜布置在柔性螺旋板帶上，如圖10所示，由電纜壓固件分段緊固電纜。柔性螺旋板帶一端與支柱端固連，另外一段與移動端連接。在臂桿伸縮的過程中，電纜可隨螺旋板帶沿軸向收縮。

圖10　電纜固定方式Fig.10 Cable fixation

4.3 臂桿伸縮參數(shù)變化分析

當水平板帶處于存儲狀態(tài)時，相鄰兩圈緊密的疊放在一起，螺距為p0，而水平板帶與豎直板帶相互嚙合形成臂桿時水平板帶的螺距與臂桿的螺距相同為P。在水平板帶拉伸過程中，隨著螺距的變化，水平板帶內徑、圈數(shù)等尺寸會發(fā)生變化，這些尺寸的變化會導致水平板帶外緣的齒在軸線方向上不再對齊，且相鄰兩圈對應的齒中心法線也會錯開一定的距離。下面對水平板帶拉伸前后幾何參數(shù)變化進行分析。

如圖11所示，加工完成后的水平板帶圈數(shù)為n，螺距為p0，內徑為D1，外徑為D2。板帶嚙合形成臂桿后水平板帶的圈數(shù)為n′，螺距為P，內徑為D1′，外徑為D2′。

圖11　水平板帶拉伸前后尺寸編號Fig.11 Dimension ID of the horizontal band before and after extention

水平板帶存儲時內圈螺旋線長度為式（3）：

水平板帶存儲時外圈螺旋線長度為式（4）：

臂桿伸展后內圈螺旋線長度為式（5）：

臂桿伸展后外圈螺旋線長度為式（6）：

水平板帶拉伸前后寬度不變，均為B，且水平板帶內緣螺旋線長度和外緣螺旋線長度也不發(fā)生變化，因此可得式（7）：

由公式（3）～（7）可以得到式（8）：

從公式（8）可以看出，拉伸過程中水平板帶內徑和圈數(shù)均是關于節(jié)距的函數(shù)，運用Matlab軟件對拉伸過程中水平板帶內徑和圈數(shù)進行分析，可得曲線如圖12和圖13。

圖12　水平板帶內徑變化分析Fig.12 Changes of inner diameter of the horizontal band

圖13　水平板帶圈數(shù)變化分析Fig.13 Changes of number of turns of the horizontal band

從上圖可以看出，水平板帶拉伸過程中內徑不斷變小，圈數(shù)不斷增加，所以水平板帶拉伸過程中會發(fā)生少量的扭轉運動。板帶嚙合時的嚙合線仍然是螺旋線，但是直徑和圈數(shù)會發(fā)生變化，變化量與水平板帶內圓的變化量相同。本文設計機構參數(shù)D1′=262 mm，P=100 mm，P0=2.2 mm，n′=35，B=17 mm，計算可得D1=265.66 mm，n=34.78，臂桿伸縮機構的范圍700～4200 mm。

4.4 臂桿承載性能分析

可伸縮臂桿的水平板帶和豎直板帶均以殼單元進行模擬，由于水平板帶的齒寬由齒頂?shù)烬X根逐步變大，可保證嚙合間隙較小，分析時忽略嚙合間隙，建模時使板帶嚙合處固連。

考慮到整個模型都是以相同的螺旋單元進行旋轉組成的，因此在進行力學分析時，只針對一小段螺旋單元進行分析，然后再線性折算來評估整體的力學特性。截取500 mm長度的嚙合板帶作為分析對象，材料為彈簧鋼。在模型一端面施加固定約束，另一端面分別施加扭轉1500 Nm、彎曲3000 Nm和拉壓1500 N。分析模型如圖14所示。

圖14　臂桿分析模型Fig.14 Analysis model of the rod

對分析數(shù)據進行處理，可獲得最大應力為217 Mpa，彎曲剛度為2.84×105Nm/rad，扭轉剛度為3.2×105Nm/rad，可滿足機械臂使用要求。

5　機械臂運動規(guī)劃仿真驗證

上述設計的機械臂本身含有7個旋轉副自由度和2個移動副自由度，屬超冗余自由度機械臂。一般情況下，機械臂本體可鎖定兩個移動副自由度，其余七個旋轉關節(jié)進行帶一個冗余自由度的避障路徑規(guī)劃。此時，根據臂桿伸縮的長度變化情況，機械臂用于運動規(guī)劃的D-H參數(shù)會相應變化，系統(tǒng)根據不同的參數(shù)實時調整控制器，進行路徑的優(yōu)化計算。這種參數(shù)可變的冗余機械臂屬于可重構機械臂，具有結構可變性、環(huán)境適應性和容錯性等特性［9］。

采用主動伸縮方案時，此種可伸縮自重構機械臂不需要經過外界（人為）幫助就可以獨立完成重構過程，而視為自重構機械臂。對于自重構機械臂來說，自重構運動規(guī)劃就是尋找任意兩個不同構型A、B之間的變形方法，對機械臂的運動規(guī)劃控制是通過對其關節(jié)角速度向量和桿的伸縮向量的控制來實現(xiàn)的。

建立如圖15所示運動模型。

圖15　機械臂運動模型Fig.15 Motion model of the manipulator

下面針對典型的應用工況進行運動規(guī)劃仿真，對設計結果進行驗證，如圖16所示，運動過程中各關節(jié)角度變化曲線如圖17所示，臂桿伸縮運動過程長度曲線如圖18所示。

圖16　典型工況仿真Fig.16 Simulation of a typical work condition

初始時刻機械臂處于收縮狀態(tài)，由于機械臂所在位置與艙體出入口之間空間狹小，收縮較短的機械臂可完成姿態(tài)調整，準備進入艙體。完成構型調整后，由于目標操作物體較遠，需要機械臂操作空間擴大，此時機械臂利用伸縮機構將臂桿拉長，實現(xiàn)操作空間的拓展，完成目標物體抓取。在目標物體取出后，需要機械臂在附近對其進行精細操作，此時伸縮機構收縮，完成近距離操作。

圖17　關節(jié)角度變化曲線Fig.17 Curve of joint angle changes

圖18　臂桿長度變化曲線Fig.18 Curve of rod length changes

6　結論

1）提出了一種基于伸縮機構的空間機械臂系統(tǒng)方案，可同時具備發(fā)射包絡小、捕獲轉移范圍大、近距離精細化操作的特點，與傳統(tǒng)的固定桿長的機械臂相比，更好地滿足在軌服務的不同需求。

2）設計了一種等截面的臂桿伸縮機構，機構通過水平板帶和豎直板帶相互嚙合鎖緊實現(xiàn)臂桿伸縮，具有高剛度、大伸縮比的特點，對伸縮參數(shù)變化和剛度進行了分析和仿真，伸縮臂桿外徑290 mm，可實現(xiàn)700～4200 mm的伸縮范圍，滿足機械臂系統(tǒng)需求。

3）針對狹小空間內的目標操作工況，對既定方案的臂桿可伸縮機械臂進行運動規(guī)劃仿真分析，獲取了關節(jié)角度轉動曲線和臂桿長度伸縮曲線。

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Design of Reconfigurable Space Manipulator System Based on Telescopic Mechanism

WANG Kang，LIANG Changchun，LIN Yuncheng，WANG Yaobing
（Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100092，China）

Space manipulator is an important tool for on-orbit service of the spacecraft.During the launch phase the smaller envelope is often required，while the bigger range for operation is needed in the stage of space applications.At the same，time on-orbit service also imposes high requirement on accuracy of the manipulator operation，so a single configuration of space manipulator is difficult to meet the above requirements.In this paper a reconfigurable space manipulator model based on telescopic rod was proposed.When the manipulator was in the state of contraction，its launch envelope is small and precision of operation is high.When the manipulator was changed to the extended state，its opration range could be expanded very large.The function of the manipulator such as variable structure could greatly improve the adaptability for on-orbit service.

on-orbit service；space manipulator；reconfiguration；telescopic rod

V423.4

A

1674-5825（2016）05-0537-07

2015-08-17；

2016-08-10

國家自然科學基金（61573058）

王康（1985-），男，碩士，工程師，研究方向為空間機構技術。E-mail：68wangkang@163.com