周鵬舉　王生玉

摘 要：根據(jù)車站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們可以用來組裝7自由度機(jī)械手，在空間基礎(chǔ)上的浮選和靜態(tài)均衡，搭配地面微重力的知識(shí)，建議使用浮選法達(dá)到重力補(bǔ)償7自由度機(jī)械手的中間空間段和靜平衡機(jī)制設(shè)計(jì)。有了這個(gè)混合仿真的方法來構(gòu)建地面微重力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了7自由度空間三維臂運(yùn)動(dòng)可用于定位測(cè)試空間精度以及捕獲等實(shí)驗(yàn)研究的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：空間機(jī)械臂；微重力環(huán)境；靜態(tài)平衡機(jī)制：DAF

一、介紹

近些年來，科技發(fā)展日新月異，人們對(duì)于外太空的探索步伐也隨著航天技術(shù)的進(jìn)步開始了更加大踏步的向前發(fā)展。在外太空建立空間工作站，但是由于人類自身體能的限制，所以要求完成高難度任務(wù)的空間站機(jī)器人就變成了大眾所趨的研究方向。機(jī)器人的出現(xiàn)不僅可以合作或代替宇航員，還能夠發(fā)揮幫助執(zhí)行空間站的組裝、維護(hù)等功能。部分機(jī)器人更可以改變傳統(tǒng)的在軌運(yùn)行，并執(zhí)行燃料供應(yīng)、捕獲宇宙飛船和其他監(jiān)測(cè)器的運(yùn)行軌跡軌等功能。

空間機(jī)械臂是空間機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分。我們?cè)谶M(jìn)行發(fā)射行動(dòng)之前，一定要做到失重條件下環(huán)境的精確逼真模擬，這樣才能獲得嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果，從而確保空間機(jī)械臂準(zhǔn)確執(zhí)行任務(wù)軌道。發(fā)展到現(xiàn)在為止，我們國(guó)家的空間站機(jī)器人的主要模擬研究方法采用的是水浮法、吊絲法等等。

浮選法是利用氣體腳（也稱為空氣軸承），該空間平面的機(jī)械手臂支撐光滑浮選之時(shí)，利用氣體腳噴射反作用力以抵消手臂的重力。這種方法最大的好處就是精簡(jiǎn)化的操作方式、承受能力也很強(qiáng)、還有定位明確性精準(zhǔn)等等。尤其是在二維平面上，使用浮選能方法是為了達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 MDA公司開發(fā)的CanadannZ臂和歐洲航天局ESA開發(fā)的時(shí)代手臂，被用來進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，作為在地上浮選法實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象。但是，浮選法只適用于以下條件：空間機(jī)械臂在一個(gè)二維平面微重力試驗(yàn)，難以對(duì)移動(dòng)的微重力條件下的三維空間力進(jìn)行試驗(yàn)。水浮指模擬微重力中，加入在水中重臂浮力，從而使空間引力達(dá)到平衡。馬里蘭大學(xué)游俠機(jī)器人開發(fā)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用地下水浮動(dòng)模擬微重力環(huán)境。然而，在水上運(yùn)動(dòng)的空間機(jī)械臂，水浮用于密封空間機(jī)械臂的方法嚴(yán)苛，因此需要對(duì)系統(tǒng)EC進(jìn)行大整治。吊絲重量的方法是通過采用配重輪重心來補(bǔ)償空間機(jī)械臂重力，它使用一個(gè)垂直向上的懸拉力來平衡重力空間的機(jī)械臂。

卡內(nèi)基·梅隆SMZ開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)和北京控制系統(tǒng)工程研究所研制的艙外自由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，它們都采用了吊絲配重法。吊絲配重的方法雖然可以實(shí)現(xiàn)太空重力補(bǔ)償臂，但該系統(tǒng)十分復(fù)雜。通過添加輔助連桿機(jī)構(gòu)和彈簧靜來平衡機(jī)制，使重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的能量之和保持不變，為了實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償?shù)闹贫润w系，使用靜態(tài)平衡機(jī)制，以減少自己的聯(lián)合負(fù)荷移臂產(chǎn)生的引力，從而提高手臂的使用效率。

我們可以參考使用靜態(tài)平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的手臂和腿部康復(fù)醫(yī)療設(shè)備機(jī)械，它們就是采用了平行四邊形和彈簧助力，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)中只有2自由度機(jī)械手的研制實(shí)現(xiàn)了重力補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)設(shè)置。所以我們可以用7自由度機(jī)械手進(jìn)行空間站組裝（擁有約7自由度的空間機(jī)械臂DOF）。它提出了一種基于地面的微重力浮選方法，靜平衡混合仿真使用該方法來構(gòu)建地面微重力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在7自由度的空間下來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人臂的三維運(yùn)動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)在結(jié)束時(shí)使用高端定位精度測(cè)試的想法以及符合條件并接觸地面碰撞的動(dòng)力學(xué)分析實(shí)驗(yàn)等目的。

二、7-DOF機(jī)械手系統(tǒng)

7-DOF在軌道上的自由度機(jī)械手的太空任務(wù)包括：空間站組裝和維修、飛船盤旋捕獲和輔助對(duì)接。其次是要幫助航天員出艙執(zhí)行任務(wù)以及護(hù)理艙外科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷等等。為了順利完成上述任務(wù)，就必須進(jìn)行一個(gè)可行的地面微重力環(huán)境下的定位精度測(cè)試。

三、混合模擬為基礎(chǔ)的浮選和靜平衡

3.1混合模擬微重力地計(jì)劃

綜合分析現(xiàn)有浮選法、水浮子和吊絲配重法，它們各具優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。結(jié)合空間7自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文建議在浮選和靜力平衡的基礎(chǔ)上的進(jìn)行混合仿真方法試驗(yàn)以及7自由度機(jī)械手在地面微重力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的空間設(shè)計(jì)。

3.2機(jī)械臂的組成部分

一般情況下，我們可以看到自由機(jī)械臂的相關(guān)組成部分：腕（接頭5至7和端接頭致動(dòng)器）和肩部（關(guān)第1節(jié)、 2和重力補(bǔ)償?shù)亩瞬繄?zhí)行器關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)）。

4仿真研究

4.1仿真模型

我們?cè)谠囼?yàn)中成功實(shí)現(xiàn)了空間自由度機(jī)械手重量仿真模型力補(bǔ)償。7-DOF其中的空間自由度房間手臂、靜平衡機(jī)制由桿尼泊爾臨時(shí)創(chuàng)設(shè)的ngineer模具才得以導(dǎo)入ADAMS軟件，它的質(zhì)量屬性和動(dòng)態(tài)在ADAMS軟件中得以設(shè)置機(jī)械參數(shù)；再加入兩個(gè)彈簧，每個(gè)彈簧的一端連接到主體的點(diǎn)，而另一端連接到相應(yīng)系統(tǒng)的中心點(diǎn)。

與此同時(shí)，在ADAMS軟件中，我們還建立了7自由度空間機(jī)械重量損失模型臂。在研究的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)為了分析實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，這個(gè)模型也將是我們進(jìn)行其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4.2結(jié)論分析

從我們的試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果來看：重力環(huán)境，通過重力補(bǔ)償，使各關(guān)節(jié)空間所需的驅(qū)動(dòng)力矩線幾乎重合，從而模擬出一個(gè)逼真的失重環(huán)境。因此，從關(guān)節(jié)力輸出瞬間的角度來看，這種方法可以被認(rèn)為是整個(gè)7自由度空間手臂在失重環(huán)境下的最好體現(xiàn)。

5、結(jié)束語

（1）在本文中，我們主要總結(jié)了有7自由度機(jī)械手的空間結(jié)構(gòu)特征，以及基于浮選和地面微重力混合方法下靜平衡方法的引入建議。這種方法在 7-DOF自由度機(jī)械手自由度空間復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，起到了運(yùn)輸固定的作用，在分解成五個(gè)自由度和兩個(gè)度的自由度運(yùn)動(dòng)0.7組合的同時(shí)，自由度的空間機(jī)械臂也采用浮選法實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償?shù)闹虚g部分，和跨越肩和腕機(jī)構(gòu)一起實(shí)現(xiàn)靜平衡重力的填充補(bǔ)償。

（2）對(duì)于沿著合理對(duì)稱軸的有關(guān)鏈路質(zhì)量分布研究，我們應(yīng)該根據(jù)該手腕（肩）的設(shè)計(jì)，只需要一個(gè)靜態(tài)平衡假設(shè)彈簧的添加，這樣一來就能大大降低了整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)的復(fù)雜性。另外，由于該組儀表彈簧機(jī)構(gòu)的質(zhì)量更輕，以及更小的附加慣性，也極大的體現(xiàn)了這種機(jī)械臂設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

（3）在實(shí)際的操作系統(tǒng)中，出現(xiàn)從重心離軸鏈路或從系統(tǒng)中心距的彈簧連接點(diǎn)偏差小于1cm的情況時(shí)，經(jīng)過試驗(yàn)我們得知，該方法能夠達(dá)到更好的重力補(bǔ)償重力填充補(bǔ)償效果。一旦出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：整個(gè)誤差值大于1厘米小于10厘米的時(shí)候，地面微重力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然無法獲得所需的重力補(bǔ)償效果，但仍然能夠?qū)崿F(xiàn)7自由度空間機(jī)械三維運(yùn)動(dòng)臂的定位精度測(cè)試，以及相關(guān)問題的研究。

（4）如本文中所使用的，研究的結(jié)果將是7的空間機(jī)自由度內(nèi)置機(jī)械臂放在地面微重力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下，并且在提供了理論依據(jù)步驟的基礎(chǔ)上將進(jìn)一步細(xì)化靜態(tài)平衡機(jī)構(gòu)和特種軸承的設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)和修剪重心的測(cè)量方法采取進(jìn)一步的研究。