劉 淵，費(fèi)允鋒，宋銀灝，涂群章

(1.中國(guó)人民解放軍96657 部隊(duì)， 北京 100011; 2.解放軍理工大學(xué)， 南京 210007)

航天器機(jī)械系統(tǒng)的性能在很大程度上由裝配的精度決定。航天器各艙段的外形尺寸大、涉及部件多、結(jié)構(gòu)輕薄易變形，將這些分離的艙段裝配成一個(gè)整體，大部件和艙段的對(duì)接是其中的重要環(huán)節(jié)，是技術(shù)難度大、涉及領(lǐng)域多的復(fù)雜工程。

傳統(tǒng)的航天器艙段裝配采用剛性工裝定位、手工制孔連接，通過(guò)人眼對(duì)操作界面進(jìn)行視覺(jué)反饋，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，裝配周期較長(zhǎng)[1]。而且，這種方式的對(duì)接效果取決于人員的經(jīng)驗(yàn)和操作水平，精度低、安裝速度慢、操作穩(wěn)定性差。近年來(lái)，隨著機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)[2-4]、激光跟蹤測(cè)量技術(shù)[5-6]及機(jī)器人技術(shù)[7]等的發(fā)展，在多約束、大質(zhì)量、非規(guī)則的大型航天器艙段對(duì)接方面，自動(dòng)化對(duì)接成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[8]。

自動(dòng)對(duì)接技術(shù)在航天器艙段對(duì)接領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用尚處于起步階段，鮮有這方面的綜合介紹。因此，本文在介紹航天器艙段自動(dòng)對(duì)接領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上，著重對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，以期為相關(guān)研究人員提供方法和思路借鑒。

1 航天器艙段自動(dòng)對(duì)接研究現(xiàn)狀

在高科技的推動(dòng)下，自動(dòng)對(duì)接技術(shù)快速發(fā)展，其在飛機(jī)的裝配中體現(xiàn)得尤為明顯[9-11]。而在航天器艙段對(duì)接領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用尚處于起步階段，只有部分國(guó)外頂級(jí)航天器艙段裝配單位配備自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)對(duì)航天器艙段自動(dòng)對(duì)接技術(shù)的研究還停留在方案討論、理論研究以及部分關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，未有整套系統(tǒng)研制應(yīng)用的報(bào)道。

美國(guó)波音公司采用激光跟蹤儀作為對(duì)接測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航天器艙段對(duì)接偏差，利用數(shù)字化管理系統(tǒng)根據(jù)偏差信息驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌式數(shù)控對(duì)接平臺(tái)完成艙段對(duì)接[9]。雷神公司于2012年研制了全自動(dòng)化的導(dǎo)彈柔性裝配生產(chǎn)線(xiàn)[12]，采用激光制導(dǎo)的高精度機(jī)器人作為物流設(shè)備和柔性工裝設(shè)備，系統(tǒng)總體定位誤差很小。美國(guó)白沙導(dǎo)彈自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)[13]，其形式與雷神公司設(shè)備基本相同，對(duì)接平臺(tái)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)位姿調(diào)節(jié)完成導(dǎo)彈的對(duì)接。圖1為導(dǎo)彈自動(dòng)對(duì)接技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用案例。

國(guó)內(nèi)一些高校和企業(yè)積極開(kāi)展了航天器艙段自動(dòng)對(duì)接相關(guān)技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的成績(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)高超、馬劍鋒等針對(duì)導(dǎo)彈艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)中柔性對(duì)接、激光測(cè)距及質(zhì)心測(cè)量等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作，自動(dòng)對(duì)接技術(shù)不但能夠提高導(dǎo)彈裝配的精度和一致性，還能極大地提高裝配效率，解決大型導(dǎo)彈艙段對(duì)接裝配困難的問(wèn)題[14,15]。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所王丙戌等人提出利用導(dǎo)彈艙段調(diào)整機(jī)構(gòu)及基于激光測(cè)距傳感器測(cè)量的位姿測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)艙段的自動(dòng)對(duì)接，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性[16]。在導(dǎo)彈總裝幾何量數(shù)字化測(cè)量方面，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳寶中等人進(jìn)行了積極探索，采用測(cè)量步驟進(jìn)行導(dǎo)彈總裝測(cè)量流程的表達(dá)方法，給出了導(dǎo)彈測(cè)量流程創(chuàng)建的步驟，為導(dǎo)彈總裝測(cè)量流程建模及數(shù)據(jù)后續(xù)處理奠定了基礎(chǔ)[17]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所易旺民等人為滿(mǎn)足航天器艙段對(duì)接裝配的高精度、自動(dòng)化需求，提出一種基于自動(dòng)化手段的大型艙段對(duì)接裝配技術(shù)[18]，介紹了該技術(shù)的工作原理，闡述了其基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位姿控制和力隨動(dòng)控制兩大要點(diǎn)，并進(jìn)行了艙段水平對(duì)接裝配試驗(yàn)。

2 自動(dòng)對(duì)接關(guān)鍵技術(shù)

由前述自動(dòng)對(duì)接技術(shù)的研究及應(yīng)用案例可知，航天器艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)主要包含位姿檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，其中位姿檢測(cè)系統(tǒng)用于裝配中航天器艙段的實(shí)時(shí)定位測(cè)量；運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是對(duì)活動(dòng)部件施加一定的運(yùn)動(dòng)推力，完成對(duì)接過(guò)程；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)及位置調(diào)整[16]，圖2所示為航天器艙段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)原理。

2.1 位姿檢測(cè)技術(shù)

高精度數(shù)字化空間位姿檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接的基礎(chǔ)，能夠應(yīng)用于空間位置測(cè)量的設(shè)備主要包括激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS測(cè)量系統(tǒng)、視覺(jué)測(cè)量設(shè)備、電子經(jīng)緯儀和關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，其中電子經(jīng)緯儀和關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)因?yàn)榫容^低或需要人工進(jìn)行瞄準(zhǔn)操作等原因，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不適用于自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的應(yīng)用[19]。

2.1.1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀的測(cè)量原理為測(cè)量頭發(fā)出激光束，經(jīng)過(guò)放置在待測(cè)關(guān)鍵特征(KC)點(diǎn)上的目標(biāo)靶球中的反射鏡后，反射光沿原路返回，經(jīng)分光鏡一束與參考光形成干涉測(cè)量出高精度的距離信息，另一束被光電位置接受器件接收，當(dāng)靶球移動(dòng)，激光束偏離靶球反射鏡的中心時(shí)，就會(huì)在光電位置接受器中產(chǎn)生偏差電壓，控制電機(jī)帶動(dòng)測(cè)量頭旋轉(zhuǎn)，使發(fā)出的激光束始終追蹤靶球中心，由高精度角度編碼器測(cè)得測(cè)量頭球坐標(biāo)系中靶球的水平角α和垂直角β，結(jié)合距離信息得到靶球空間坐標(biāo)的高精度測(cè)量值[19]，如圖3所示。

激光跟蹤儀是增量式測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量前需將靶球放置于某一距離和位置固定的原點(diǎn)上進(jìn)行初始化，再移動(dòng)靶球完成空間坐標(biāo)的測(cè)量。激光跟蹤儀具有高精度大尺度測(cè)量能力，能夠自動(dòng)追蹤靶球，實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)于非運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量精度能夠達(dá)到5 μm/m，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)量精度能夠達(dá)到10 μm/m。激光跟蹤儀的缺點(diǎn)是被測(cè)物體被遮擋后無(wú)法測(cè)量，轉(zhuǎn)站后的精度會(huì)受影響，單臺(tái)激光跟蹤儀只能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)靜態(tài)間斷式測(cè)量，多點(diǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量只能采用多臺(tái)激光跟蹤儀來(lái)完成。

2.1.2 室內(nèi)GPS

室內(nèi)GPS 的測(cè)量原理為由發(fā)射器產(chǎn)生2個(gè)與垂直平面呈正負(fù)30°的扇形激光面，在測(cè)量區(qū)域高速旋轉(zhuǎn)[20]，如圖4所示。接收器通過(guò)測(cè)量激光平面掃過(guò)的時(shí)間以及兩個(gè)激光平面掃過(guò)的時(shí)間間隔，能夠得到接收器相對(duì)于發(fā)射器的水平角α和垂直角β，采用兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射器，由三角交匯原理得到接收器的空間坐標(biāo)。發(fā)射器越多，同一接收器接受的測(cè)量結(jié)果越多(一般至少要接收到4個(gè)發(fā)射器信號(hào))，可以得到的測(cè)量精度就越高[21]。

室內(nèi)GPS 測(cè)量系統(tǒng)比較適合大型車(chē)間等固定場(chǎng)所的定位測(cè)量，只需將接收器放在待測(cè)關(guān)鍵特征點(diǎn)上，并能被發(fā)射器發(fā)出的扇形激光面掃到即可。室內(nèi)GPS支持多點(diǎn)測(cè)量和多用戶(hù)，不必像激光跟蹤儀增加儀器個(gè)數(shù)，一旦經(jīng)過(guò)標(biāo)定后無(wú)需再次標(biāo)定，無(wú)溫度影響，斷光后無(wú)需重新標(biāo)定，只需要不斷安裝發(fā)射器，就能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量范圍的擴(kuò)大。其缺點(diǎn)主要是只能應(yīng)用于固定車(chē)間，不能便攜，布站沒(méi)有激光跟蹤儀靈活，不便于隱蔽點(diǎn)的測(cè)量，近距離精度低于激光跟蹤儀。

激光跟蹤儀和室內(nèi)GPS 測(cè)量系統(tǒng)需要在待測(cè)位置放置靶球或接收器，屬于接觸式測(cè)量，應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)測(cè)量部件的三維模型信息和測(cè)量點(diǎn)在模型上的位置推算被測(cè)部件的位姿，自帶軟件一般僅能完成靶標(biāo)空間位置的測(cè)量，應(yīng)用中需根據(jù)API 應(yīng)用程序接口函數(shù)開(kāi)發(fā)適用于對(duì)接過(guò)程的應(yīng)用軟件，根據(jù)測(cè)得的地面及對(duì)接部件上的靶球坐標(biāo)建立地面坐標(biāo)系與對(duì)接部件坐標(biāo)系的關(guān)系，開(kāi)發(fā)工作量較大[22]。

2.1.3 計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量

計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理技術(shù)在機(jī)械部件自動(dòng)對(duì)接中的應(yīng)用，往往采用不直接獲取深度信息的測(cè)量方法，方法簡(jiǎn)單[23]。視覺(jué)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是不需要放置靶球或接收器，屬于非接觸測(cè)量方法，可以直接根據(jù)對(duì)接面的圖像信息控制完成對(duì)接(在某些應(yīng)用中，對(duì)接面可能會(huì)受到遮擋，這時(shí)需要通過(guò)標(biāo)識(shí)工具或模板，事先將對(duì)接面的測(cè)量信息轉(zhuǎn)換到對(duì)接部件的外側(cè)表面)，標(biāo)定過(guò)程簡(jiǎn)單并無(wú)需經(jīng)常標(biāo)定，無(wú)需其他輔助測(cè)量設(shè)備，價(jià)格相對(duì)低廉，對(duì)溫度濕度等不同的環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)。缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境光線(xiàn)要求較高、圖像轉(zhuǎn)換算法復(fù)雜、測(cè)量頻率低。

激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS和計(jì)算機(jī)視覺(jué)三種測(cè)量方法的性能特征見(jiàn)表1所示。

表1 三種位姿檢測(cè)方法的性能特征

2.2 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

在自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)中，作為末端執(zhí)行單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一些數(shù)字化自動(dòng)控制的高精度定位裝置，主要有分布式自動(dòng)對(duì)接工裝和托架式自動(dòng)對(duì)接工裝兩類(lèi)[24]。分布式自動(dòng)對(duì)接工裝由若干個(gè)機(jī)械隨動(dòng)定位裝置(稱(chēng)為定位器，也稱(chēng)POGO柱)組合而成，如圖5(a)所示，每個(gè)定位器都可以沿XYZ三個(gè)方向做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，聯(lián)調(diào)多個(gè)定位器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接部件的定位和調(diào)姿。此外，一旦定位器接觸到機(jī)械部件，其自身攜帶的載荷檢測(cè)元件便連續(xù)測(cè)量定位器的觸壓并反饋給控制系統(tǒng)，防止過(guò)觸壓現(xiàn)象。分布式自動(dòng)對(duì)接工裝的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、配置靈活。

托架式自動(dòng)對(duì)接工裝是將兩臺(tái)定位器與保型架相連，對(duì)接部件放置在保型架上，如圖5(b)所示。保型架增加了對(duì)接部件與定位器的接觸面積，可以有效減小部件的形變。

在由多個(gè)定位器組成的柔性裝配系統(tǒng)中，不同的機(jī)械部件通常具有各自不同的結(jié)構(gòu)形式和對(duì)接方式，要合理設(shè)置執(zhí)行機(jī)構(gòu)中定位器的數(shù)量、空間位置和每個(gè)定位器主動(dòng)、隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)的維數(shù)和方向。太多的自由度冗余使得該技術(shù)難以應(yīng)用在有手動(dòng)和自動(dòng)結(jié)合要求且活動(dòng)空間較小的對(duì)接系統(tǒng)中。為解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[25]提供了一種用于火箭部件對(duì)接的調(diào)姿裝配系統(tǒng)，如圖6所示。該調(diào)姿系統(tǒng)由兩個(gè)具有4自由度的調(diào)姿裝置組成，四自由度的調(diào)姿裝置通過(guò)導(dǎo)軌、平移絲杠、升降機(jī)完成XYZ三方向移動(dòng)，通過(guò)回轉(zhuǎn)滾輪和回轉(zhuǎn)絲杠完成繞X軸的旋轉(zhuǎn)，每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)均安裝有手輪實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)。兩個(gè)4自由度的調(diào)姿裝置配合使用實(shí)現(xiàn)6自由度調(diào)姿，相比于基于定位器的6自由度調(diào)姿系統(tǒng)，降低了調(diào)姿平臺(tái)的高度，易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)姿。

除定位器外，在自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)中，6自由度調(diào)姿平臺(tái)技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。6自由度調(diào)姿平臺(tái)根據(jù)結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)式、并聯(lián)式及串并混合式，如圖7所示。其中并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)為支路較多，單個(gè)支路的載荷低，提高了機(jī)構(gòu)的整體承載能力，剛度大；各支路誤差相互影響沒(méi)有積累，精度高；可以采用質(zhì)量較輕的部件，總體質(zhì)量小，降低了機(jī)構(gòu)慣性，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越；但并聯(lián)機(jī)構(gòu)各支路相互影響，限制了機(jī)構(gòu)的工作空間。相反，串聯(lián)機(jī)構(gòu)各驅(qū)動(dòng)支路，單個(gè)支路的載荷高；運(yùn)動(dòng)鏈較長(zhǎng)，有誤差積累；總質(zhì)量大，增加了機(jī)構(gòu)慣性，動(dòng)態(tài)性能欠佳；但工作空間大。為彌補(bǔ)并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)各自的不足，串并混合機(jī)構(gòu)引起了人們的興趣，其中，文獻(xiàn)[26]設(shè)計(jì)了新型6自由度串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，文獻(xiàn)[27]構(gòu)造了由2個(gè)3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成的串并混合機(jī)構(gòu)等等。但串并混合機(jī)構(gòu)尺寸較大、質(zhì)量重、制造安裝成本高。

另外，從調(diào)姿平臺(tái)兩種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)考慮，并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解容易，正解困難，適合于計(jì)算機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，在要求有手自結(jié)合或手自聯(lián)調(diào)的系統(tǒng)難以應(yīng)用，而串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，更適合于在有手自結(jié)合或手自聯(lián)調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用。不同調(diào)姿平臺(tái)的性能比較見(jiàn)表2。

精度工作空間快速性技術(shù)復(fù)雜程度/市場(chǎng)資源特點(diǎn)并聯(lián)調(diào)姿平臺(tái)高小好一般/好逆解容易,正解難串聯(lián)調(diào)姿平臺(tái)中等大差中等/一般正解容易,逆解難串并聯(lián)調(diào)姿平臺(tái)較高中等中等大/差設(shè)計(jì)難度大,技術(shù)復(fù)雜

2.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)的核心部件，相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)，起樞紐作用。一方面，控制系統(tǒng)需要接受來(lái)自于位姿檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)軟件將其與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)、分析和處理；另一方面，根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件的比對(duì)結(jié)果，輸出相應(yīng)的控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生需要的位置變化量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件空間位姿的調(diào)整；同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，即將測(cè)量的數(shù)據(jù)、控制指令的執(zhí)行情況以數(shù)據(jù)和圖像的形式實(shí)時(shí)生動(dòng)地在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示，便于操作者及時(shí)發(fā)出控制指令，如圖8所示。圖9為其對(duì)接系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

在接觸式測(cè)量的對(duì)接系統(tǒng)中，每當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)完成一次測(cè)量任務(wù)，計(jì)算機(jī)的定位分析軟件都會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)與設(shè)計(jì)模型的比對(duì)和配準(zhǔn)，計(jì)算出各部件之間的相對(duì)位姿偏差，將這種偏差轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的位姿調(diào)整指令，驅(qū)動(dòng)定位器完成對(duì)接部件的位姿調(diào)整。

在非接觸式測(cè)量的對(duì)接系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)應(yīng)用圖像處理軟件對(duì)視覺(jué)設(shè)備攝取的對(duì)接面圖像信息進(jìn)行處理，計(jì)算出機(jī)械部件間的相對(duì)位姿偏差，將這些偏差轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的位置調(diào)整指令，完成對(duì)接部件的位姿調(diào)整。

3 結(jié)論

1) 隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化、智能化成為航天器艙段對(duì)接必然的發(fā)展趨勢(shì)。

2) 位姿檢測(cè)系統(tǒng)用于裝配作業(yè)中航天器艙段的實(shí)時(shí)定位測(cè)量，其核心功能是建立地面坐標(biāo)系與對(duì)接部件坐標(biāo)系的關(guān)系，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接的基礎(chǔ)。非接觸式位姿測(cè)量可以在較大范圍內(nèi)對(duì)被跟蹤物體進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，計(jì)算機(jī)視覺(jué)成本較低，無(wú)需靶球裝置，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3) 串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，更適合于在有手自結(jié)合或手自聯(lián)調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

4) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)及位置調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)航天器艙段的高精度對(duì)接。

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