王開(kāi)寶，劉曉飛，李建永，姜生元，鄧湘金，羅春陽(yáng)，王明旭

(1.北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100081)

在探月工程三期中，表取采樣裝置由主體和表取初級(jí)封裝裝置組成.表取采樣機(jī)械臂支持末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)月球表面樣品的采集、轉(zhuǎn)移、釋放，完成表取初級(jí)封裝容器的抓取、轉(zhuǎn)移、釋放等動(dòng)作.第一關(guān)節(jié)控制機(jī)械臂航向活動(dòng)，第二關(guān)節(jié)控制機(jī)械臂俯仰活動(dòng)，第三關(guān)節(jié)連接第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂，第四關(guān)節(jié)則與末端執(zhí)行器連接.一級(jí)機(jī)械臂和二級(jí)機(jī)械臂完全伸展時(shí)，總長(zhǎng)度約3.6 m，可實(shí)現(xiàn)在半徑不小于1 m、張角不小于120°的扇形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)選擇性采樣.機(jī)械臂關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)速度不小于1°/s[1-2].為模擬月球重力環(huán)境，為采樣封裝分系統(tǒng)表取采樣提供較真實(shí)的工作環(huán)境和工作對(duì)象，驗(yàn)證表取采樣裝置在月面重力環(huán)境下的工作性能，在采樣封裝專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要研制表取采樣裝置低重力補(bǔ)償裝置.本文基于“補(bǔ)償裝置與表采機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)一致”的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種懸吊式低重力補(bǔ)償裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)，可為采樣封裝專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供可靠支撐.

1 低重力補(bǔ)償裝置方案設(shè)計(jì)

1.1 功能及性能要求

表取采樣裝置低重力補(bǔ)償裝置功能要求：為表取采樣裝置提供模擬月表1/6g的工作環(huán)境，可適應(yīng)一定范圍的著陸姿態(tài)變化、負(fù)載變化；不能與其他設(shè)備干涉，不能影響其他設(shè)備的運(yùn)動(dòng)空間，不能干擾其他設(shè)備的正常工作；與表取采樣裝置間應(yīng)有良好的絕緣措施；具備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的能力，有抗塵設(shè)計(jì)；便于多次拆裝、運(yùn)輸和維護(hù)；有足夠的剛度和強(qiáng)度；具有過(guò)速等故障保護(hù)功能；主體質(zhì)量不大于21.5 kg，表取初級(jí)封裝容器質(zhì)量不大于0.4 kg.表取采樣機(jī)構(gòu)低重力補(bǔ)償裝置性能指標(biāo)要求見(jiàn)表1.

表1 表取采樣機(jī)構(gòu)低重力補(bǔ)償裝置性能指標(biāo)要求Tab.1 Performance requirements of low gravity compensation device for surface sampling mechanism

1.2 低重力模擬系統(tǒng)原理對(duì)比分析

在地面模擬太空微低重力環(huán)境的研究由來(lái)已久，成果也較多.比如美國(guó)、蘇聯(lián)等從20世紀(jì)60年代開(kāi)始設(shè)計(jì)了多種針對(duì)月球車、宇航員等應(yīng)用的微低重力模擬系統(tǒng).按照不同模擬原理可以分為落塔法、拋物飛行法、水浮法、氣浮法、懸吊法和探空火箭法，這些方法的橫向?qū)Ρ纫?jiàn)表2[3-5].

表2 現(xiàn)有低重力補(bǔ)償方法對(duì)比Tab.2 Comparison of existing low gravity compensation methods

表2(續(xù))

綜合分析可知，懸吊法綜合優(yōu)勢(shì)最大，研究成果豐富.隨著懸吊法控制策略研究的發(fā)展，懸吊式微低重力模擬精度越來(lái)越高，使得該方法被越來(lái)越多地應(yīng)用于微低重力模擬場(chǎng)合.

1.3 低重力補(bǔ)償裝置懸吊式主、從臂配重方案

基于表取采樣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及1/6g重力試驗(yàn)環(huán)境補(bǔ)償要求，在低重力試驗(yàn)環(huán)境補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)遵循以下原則：

1)吊點(diǎn)為兩點(diǎn)，吊絲不對(duì)表采臂過(guò)補(bǔ)償；

2)低重力試驗(yàn)環(huán)境補(bǔ)償裝置運(yùn)動(dòng)采用“補(bǔ)償裝置與表采機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)一致”的設(shè)計(jì)思想，有利于滿足低重力試驗(yàn)環(huán)境補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)要求；

3)吊絲在表取采樣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻跟隨其運(yùn)動(dòng)，并且雙吊絲之間的運(yùn)動(dòng)不干涉.

本方案兩套表采臂系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，利用表采臂間的重力補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)1/6g重力補(bǔ)償.主要原理是在垂直空間內(nèi)布置兩套結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、性能完全相同的表取采樣機(jī)構(gòu)，重力補(bǔ)償系統(tǒng)利用配重砝碼來(lái)平衡表取臂的自身重力.通過(guò)兩個(gè)配重砝碼的重力抵消表取采樣機(jī)構(gòu)5/6g重力，從而模擬月球的重力環(huán)境.低重力補(bǔ)償裝置主、從臂配重方案系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1.

1.懸吊跟隨系統(tǒng)；2.重力補(bǔ)償系統(tǒng)；3.表取采樣機(jī)構(gòu)；4.懸吊跟隨控制系統(tǒng)；5.表取采樣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主控器.圖1 低重力補(bǔ)償裝置主、從臂配重方案系統(tǒng)組成Fig.1System of counterweight scheme for master and slave arms of low gravity compensation device

在實(shí)際操作時(shí)，兩套表取采樣機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)同時(shí)工作，完成同樣動(dòng)作，即兩個(gè)表取采樣機(jī)構(gòu)是相對(duì)靜止的，所以兩臂之間雖然連接著重力補(bǔ)償系統(tǒng)，但運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生相互影響，滿足平衡表取采樣機(jī)構(gòu)5/6g的試驗(yàn)要求.

在兩套表取采樣機(jī)構(gòu)工作的同時(shí)，兩套控制系統(tǒng)分別對(duì)兩套機(jī)構(gòu)“腰部”“肩部”“肘部”的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)時(shí)調(diào)整兩套表取采樣補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使其保持一致.

2 低重力補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)方案理論分析

2.1 表采機(jī)械小臂處補(bǔ)償力分析

圖2 表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械小臂(含末端采樣器)受力分析Fig.2Force analysis of mechanical forearm (including end sampler) of sampling mechanism

表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械小臂前端通過(guò)腕部關(guān)節(jié)與末端采樣器連接，其運(yùn)動(dòng)主要是由肘部關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械小臂繞肘部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng).由于表取采樣機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)速度很低，因此，可以將其受力問(wèn)題簡(jiǎn)化為靜力學(xué)平衡問(wèn)題.表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械小臂(含末端采樣器)受力分析見(jiàn)圖2.根據(jù)受力分析，可以列出表取采樣機(jī)構(gòu)在一般工作狀態(tài)下的平衡方程.為了求出表取采樣機(jī)械小臂處懸吊點(diǎn)重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力，需對(duì)表取采樣機(jī)械小臂進(jìn)行局部分析.在該原理樣機(jī)中，產(chǎn)生的摩擦阻力矩忽略不計(jì)[6-8].

由受力分析可知：表采機(jī)械小臂處懸吊點(diǎn)重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力主要用于與地球重力加速度g產(chǎn)生的多余的5/6倍重力平衡，重力補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是使肘部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照原有設(shè)計(jì)(針對(duì)月面1/6重力環(huán)境)正常工作.因此，對(duì)肘部關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)B列力矩平衡方程：

考慮到末端采樣器采樣質(zhì)量及姿態(tài)角度具有不確定性(變量)，在工作過(guò)程中每次采集的月壤(巖)質(zhì)量差異較大.因此，在表采機(jī)械小臂處重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力分析過(guò)程中將末端采樣器視作固定質(zhì)量塊(重力為常數(shù)，且忽略末端采樣器與表采機(jī)械小臂的相對(duì)轉(zhuǎn)角)以簡(jiǎn)化計(jì)算.此時(shí)有γ=β.因此，力矩平衡方程變形為

.

2.2 表采機(jī)械大臂處補(bǔ)償力分析

表取采樣機(jī)構(gòu)機(jī)械大臂前端通過(guò)肘部關(guān)節(jié)與表采機(jī)械小臂(含末端采樣器)相連接，其運(yùn)動(dòng)主要是由肩部關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械大臂帶動(dòng)表采機(jī)構(gòu)整體繞肩部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng).為了求出表取采樣機(jī)械大臂處懸吊點(diǎn)重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力，需分析表取采樣機(jī)械大臂受力情況.在該原理樣機(jī)中，產(chǎn)生的摩擦阻力矩忽略不計(jì)[6-8].表取采樣機(jī)構(gòu)(除腰部關(guān)節(jié))受力分析見(jiàn)圖3.

圖3 表取采樣機(jī)構(gòu)(除腰部關(guān)節(jié))受力分析Fig.3Force analysis of sampling mechanism (except the waist joint)

由整體受力分析可知：表采機(jī)械大臂處懸吊點(diǎn)重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力需要與表采機(jī)械小臂處懸吊點(diǎn)重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力共同作用，以達(dá)到與地球重力加速度g所產(chǎn)生的多余的5/6倍重力平衡.重力補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是使肩部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照原有設(shè)計(jì)(針對(duì)月面1/6重力環(huán)境)正常工作.

因此，對(duì)肩部關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)A列力矩平衡方程：

當(dāng)肩部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)回轉(zhuǎn)帶動(dòng)表采機(jī)械大臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，表采機(jī)械小臂及末端采樣器處于姿態(tài)靜止?fàn)顟B(tài).因此，在表采機(jī)械大臂處重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力分析過(guò)程中，將末端采樣器及表采機(jī)械小臂視作固定質(zhì)量塊(重力為常數(shù)，且忽略末端采樣器與表采機(jī)械大臂的相對(duì)轉(zhuǎn)角)以簡(jiǎn)化計(jì)算.此時(shí)有α=β=γ.因此，力矩平衡方程變形為

簡(jiǎn)化為

綜上可知：表采機(jī)械大臂、小臂處懸吊點(diǎn)重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力與表取采樣機(jī)構(gòu)各部件的重力、幾何結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，與表取采樣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的姿態(tài)角無(wú)關(guān)，并且，表采機(jī)械小臂處重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力F2與表采機(jī)械大臂處重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力F1也存在相互影響.

3 主、從臂配重法重力補(bǔ)償裝置三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在表取采樣機(jī)構(gòu)1/6g重力補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證補(bǔ)償裝置的空間運(yùn)動(dòng)對(duì)表取機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)不造成影響，且補(bǔ)償過(guò)程應(yīng)具有實(shí)時(shí)跟隨的效果，吊繩與表取采樣機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂應(yīng)始終保持垂直狀態(tài).

1.補(bǔ)償從臂隨動(dòng)結(jié)構(gòu)；2.從機(jī)械臂懸吊點(diǎn)連接機(jī)構(gòu)；3.主機(jī)械臂吊點(diǎn)連接機(jī)構(gòu)；4.安裝機(jī)架；5.支撐立柱；6.支撐平臺(tái)；7.隨動(dòng)系統(tǒng)配重塊.圖4 表取機(jī)構(gòu)低重力補(bǔ)償裝置配重法整體結(jié)構(gòu)Fig.4Overall structure of counterweight method of low gravity compensation device

表取機(jī)構(gòu)低重力補(bǔ)償裝置配重法整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.機(jī)械臂主、從臂配重重力補(bǔ)償系統(tǒng)由補(bǔ)償從臂隨動(dòng)結(jié)構(gòu)、從機(jī)械臂懸吊點(diǎn)連接機(jī)構(gòu)、主機(jī)械臂吊點(diǎn)連接機(jī)構(gòu)、安裝機(jī)架、支撐立柱、支撐平臺(tái)、隨動(dòng)系統(tǒng)配重塊等組成.考慮到試驗(yàn)時(shí)主、從臂配重重力補(bǔ)償系統(tǒng)要保持平穩(wěn)可靠且傾斜姿態(tài)與著陸器姿態(tài)時(shí)刻保持一致，因此，從臂補(bǔ)償系統(tǒng)由安裝機(jī)架承載，并與著陸器姿態(tài)角度調(diào)整平臺(tái)相連接，同時(shí)進(jìn)行姿態(tài)角度調(diào)節(jié).為保證機(jī)架及支撐平臺(tái)的可靠性，增強(qiáng)剛度，在支撐立柱上另外設(shè)計(jì)了支撐桿；為保證支撐立柱的可靠性，在支撐平臺(tái)上設(shè)計(jì)了配重機(jī)構(gòu)；為了減小肩部關(guān)節(jié)電機(jī)的額定載荷，在隨動(dòng)系統(tǒng)末端設(shè)計(jì)了配重機(jī)構(gòu).

4 低重力補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從臂控制系統(tǒng)主要以高性能的微計(jì)算機(jī)控制為核心，由小臂、大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，大臂與上升器間轉(zhuǎn)動(dòng)的肩關(guān)節(jié)以及在平面范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，各關(guān)節(jié)位置檢測(cè)傳感器，主、從臂間的拉力傳感器，主、從系統(tǒng)的同步信號(hào)電路，主、從系統(tǒng)的控制信號(hào)及報(bào)警信號(hào)電路等組成，其原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5[9-10].

圖5 從臂控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)Fig.5Schematic structure of slave arm control system

根據(jù)主控制系統(tǒng)的動(dòng)作要求，通過(guò)主、從臂配重重力補(bǔ)償控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制系統(tǒng)的同步動(dòng)作.兩個(gè)控制系統(tǒng)采用同步時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步接收控制信號(hào)，完成對(duì)各部執(zhí)行電機(jī)的控制、運(yùn)行速度檢測(cè)以及系統(tǒng)運(yùn)行異常報(bào)警指令傳輸.主臂控制系統(tǒng)控制主臂各部電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，并對(duì)采集的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度與控制指標(biāo)進(jìn)行比較，通過(guò)控制器的控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出，保證動(dòng)作可靠與系統(tǒng)穩(wěn)定；從臂控制系統(tǒng)依據(jù)同步控制指令控制其各部電機(jī)的工作，接受主臂控制系統(tǒng)的各檢測(cè)信號(hào)，并與從臂控制系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)反饋量進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)判斷拉繩的力，當(dāng)與實(shí)際不一致以及拉力超限時(shí)，向主控制系統(tǒng)發(fā)出命令，同時(shí)停車，以保證系統(tǒng)安全.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在滿足表取采樣機(jī)構(gòu)低重力補(bǔ)償裝置功能和性能要求的基礎(chǔ)上，分析了表取采樣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用“補(bǔ)償裝置與表采機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)一致”的設(shè)計(jì)思想，擬定了主、從臂配重方案.在滿足力矩平衡的條件下，確定了表采機(jī)械大臂和小臂處懸吊點(diǎn)重力補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償力；完成了表取采樣裝置重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)主控制系統(tǒng)的動(dòng)作要求，構(gòu)建了主、從臂配重重力補(bǔ)償控制系統(tǒng)方案.下一步，將研究協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題模擬，以及機(jī)械-控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)聯(lián)合測(cè)試.