張文明,楊 旭,趙志軍,胡成威,曾 磊

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094)

1 引言

隨著航天技術(shù)快速發(fā)展,對(duì)空間機(jī)構(gòu)的功能需求日漸復(fù)雜:從簡(jiǎn)單的單自由運(yùn)動(dòng),到復(fù)雜的空間多自由度運(yùn)動(dòng);從簡(jiǎn)單的展開動(dòng)作,到能夠適應(yīng)多姿態(tài)對(duì)接、抓取動(dòng)作;從簡(jiǎn)單的重復(fù)性動(dòng)作,到具備多種功能的智能動(dòng)作?？臻g機(jī)構(gòu)的多樣化使得其地面驗(yàn)證技術(shù)更加復(fù)雜,簡(jiǎn)單的平面內(nèi)驗(yàn)證已不能滿足任務(wù)驗(yàn)證需求,如空間機(jī)械臂需進(jìn)行空間六自由度的運(yùn)動(dòng),其末端抓取過程更是與目標(biāo)之間相互作用的空間三維動(dòng)力學(xué)過程。地面模擬在軌狀態(tài)機(jī)械臂末端抓取目標(biāo)時(shí),需要對(duì)機(jī)械臂末端及其抓取目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)重力卸載?？臻g零重力卸載方案主要有氣浮平臺(tái)支撐、懸掛配重實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、水浮式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、拋物線飛行或自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等5 種常見的試驗(yàn)方法[1-3]?？臻g大型機(jī)械臂末端抓取目標(biāo)體積和質(zhì)量大,目標(biāo)質(zhì)量由幾噸到幾十噸不等,外型尺寸接近Φ4.5 m×20 m,地面模擬其在零重力狀態(tài)下的大范圍運(yùn)動(dòng)非常困難,因此難以對(duì)末端抓取目標(biāo)進(jìn)行全物理驗(yàn)證,宜采用半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

半物理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是將原型樣機(jī)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法,通過運(yùn)動(dòng)學(xué)等效和動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)現(xiàn)空間機(jī)構(gòu)與抓取目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)?？臻g機(jī)構(gòu)與抓取目標(biāo)在空間零重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)比較容易通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得,將計(jì)算結(jié)果通過地面試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)呈現(xiàn),是一種比較有效的任務(wù)驗(yàn)證方法。曲艷麗等[4]對(duì)對(duì)接機(jī)構(gòu)六自由度半物理仿真試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究;高峰等[5]對(duì)空間碰撞地面模擬系統(tǒng)進(jìn)行了研究,提出了空間碰撞動(dòng)力學(xué)與半實(shí)物模擬失真補(bǔ)償方法;于思淼等[6]、常同立等[7]對(duì)航天器對(duì)接機(jī)構(gòu)半物理驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究,以上研究均是針對(duì)2 個(gè)航天器對(duì)接時(shí)的半物理驗(yàn)證。李海泉等[8]對(duì)空間機(jī)械臂柔性捕獲機(jī)構(gòu)建模進(jìn)行研究,并完成試驗(yàn)驗(yàn)證。加拿大空間局基于硬件在環(huán)(Hardwarein-the-loop,HIL)技術(shù)研發(fā)了靈巧操作機(jī)械臂在軌任務(wù)驗(yàn)證系統(tǒng),對(duì)機(jī)械臂抓捕過程中的接觸碰撞動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了有效驗(yàn)證[9-11]。德國航空航天中心開發(fā)了操作模擬器和在軌任務(wù)驗(yàn)證平臺(tái),分別對(duì)衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接任務(wù)和空間機(jī)械臂操作進(jìn)行驗(yàn)證[12-14]。目前專門針對(duì)機(jī)械臂末端抓取過程的試驗(yàn)驗(yàn)證文獻(xiàn)較少。

本文針對(duì)中國空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器驗(yàn)證需求,提出并研制了一套基于Steward 平臺(tái)的六自由度半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng),對(duì)末端執(zhí)行器捕獲容差、抓取目標(biāo)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行地面試驗(yàn)驗(yàn)證,并開展在軌飛行驗(yàn)證。

2 方法

2.1 末端執(zhí)行器方案

空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器(簡(jiǎn)稱末端)安裝在機(jī)械臂的首尾,作為機(jī)械臂的肩部和腕部;在機(jī)械臂爬行過程中,肩部與腕部可以互換,用于擴(kuò)展機(jī)械臂在空間站上的工作范圍[15];同時(shí)末端也具備抓取浮動(dòng)目標(biāo)的能力,這就需要其具備大容差、低沖擊捕獲、高精度對(duì)接(含電氣連接)和高剛度鎖緊功能(作為機(jī)械臂的肩部支撐整臂動(dòng)作)。綜上任務(wù)需求,本文設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器采用鋼絲繩纏繞方式進(jìn)行大容差、低沖擊捕獲,以粗、精兩級(jí)分步實(shí)施拖動(dòng)校正定位,采用4 套獨(dú)立的鎖緊機(jī)構(gòu)同步對(duì)目標(biāo)適配器實(shí)施大預(yù)緊力鎖緊,以實(shí)現(xiàn)高剛度鎖緊。該末端主要由捕獲組件、拖動(dòng)組件、鎖緊組件、殼體組件、六維力傳器和快速連接裝置等部分組成,如圖 1 所示。末端與機(jī)械臂關(guān)節(jié)通過快速連接裝置連接,可由航天員在軌進(jìn)行更換。末端抓取的目標(biāo)適配器示意圖如圖 2所示。

圖1 末端執(zhí)行器組成示意圖Fig.1 Diagram of the end effector model composition

圖2 目標(biāo)適配器示意圖Fig.2 Diagram of target adapter model composition

末端抓取目標(biāo)適配器時(shí),首先由捕獲組件工作抓住目標(biāo)適配器的捕獲桿;然后拖動(dòng)組件工作,將目標(biāo)適配器及其捕獲組件一起沿軸向拖動(dòng),使目標(biāo)適配器與末端執(zhí)行器對(duì)接,依靠其與末端殼體組件的配合,消除俯仰、偏航以及轉(zhuǎn)動(dòng)3 個(gè)方向上的誤差,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)適配器與末端的精確對(duì)接;最后,4 個(gè)鎖緊組件沿軸向同步運(yùn)動(dòng),在對(duì)接面上施加預(yù)載荷,并實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)適配器的電連接,完成末端抓取過程。

釋放時(shí),首先鎖緊組件反向轉(zhuǎn)動(dòng),使得末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器斷開電連接,并釋放二者界面的鎖緊力;然后拖動(dòng)組件和捕獲組件工作,回到初始位置,完成釋放動(dòng)作。

2.2 捕獲容差定義

在末端捕獲目標(biāo)適配器過程中,以可允許的機(jī)械臂腕部(肩部)末端坐標(biāo)系(FEE)相對(duì)目標(biāo)適配器捕獲坐標(biāo)系(FB)的相對(duì)位移、相對(duì)轉(zhuǎn)角定義捕獲容差,如圖3 所示。捕獲浮動(dòng)目標(biāo)時(shí)的初始條件也以兩坐標(biāo)系的相對(duì)位姿、相對(duì)速度及相對(duì)角速度進(jìn)行定義。末端與目標(biāo)適配器鎖緊后,末端坐標(biāo)系(FEE)與目標(biāo)適配器捕獲坐標(biāo)系(FB)完全重合。

圖3 末端與目標(biāo)適配器坐標(biāo)系Fig.3 The end effector and the target adapter coordinate system

2.3 末端地面驗(yàn)證要求

在空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器研制過程中,必須對(duì)其抓取功能與性能進(jìn)行全面驗(yàn)證,以保證其在軌工作的可行性與可靠性。針對(duì)末端執(zhí)行器主要驗(yàn)證的功能性能為捕獲容差和捕獲質(zhì)量。

進(jìn)行捕獲容差驗(yàn)證時(shí),需設(shè)置包含六自由度位姿偏差,并設(shè)置各個(gè)方向的阻力/力矩;進(jìn)行捕獲質(zhì)量驗(yàn)證時(shí),同樣需要設(shè)置六自由度位姿偏差,并模擬不同目標(biāo)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)特性。末端捕獲容差要求位置偏差不小于100 mm,姿態(tài)偏差不小于10°。捕獲質(zhì)量100～25 000 kg 之間可調(diào),質(zhì)心位置在Φ4500 mm×20 000 mm 體內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)。平移運(yùn)動(dòng)精度不大于0.2 mm;轉(zhuǎn)動(dòng)角度精度不大于0.05°;最大線速度優(yōu)于100 mm/s,角速度優(yōu)于8°/s。

在設(shè)置的邊界條件下,進(jìn)行末端抓取目標(biāo)試驗(yàn),測(cè)試末端抓取功能與性能。

2.4 半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)

末端抓取半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng),主要由六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、末端與目標(biāo)適配器產(chǎn)品、六維力傳感器、控制系統(tǒng)以及剛度模擬模塊等組成。設(shè)備系統(tǒng)框圖見圖 4,實(shí)物圖見圖 5。目標(biāo)適配器通過六維力傳感器安裝于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是基于Stewart 結(jié)構(gòu)形式的電驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),能夠模擬被抓取目標(biāo)體的初始位姿及其質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)特性,并能模擬末端與目標(biāo)適配器的空間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。剛度模擬模塊用來模擬機(jī)械臂剛度,防止在剛性邊界條件下,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)散,損傷產(chǎn)品。末端執(zhí)行器通過六維力傳感器固定在目標(biāo)適配器上方。

圖4 末端抓取半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of the semi-physical simulation experiment system composition

圖5 末端抓取半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Photo of the semi-physical simulation experiment system

抓取試驗(yàn)時(shí),六維力傳感器采集到當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際的力信息,將力的信息輸入至機(jī)械臂和被抓取目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)模型,經(jīng)地面試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算得出下一時(shí)刻末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器之間的相對(duì)位姿,由六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)復(fù)現(xiàn)期望運(yùn)動(dòng)以得到下一時(shí)刻真實(shí)的力信息。為準(zhǔn)確及時(shí)復(fù)現(xiàn)末端與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),達(dá)到機(jī)械臂末端抓取驗(yàn)證目的,需六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具備適合的運(yùn)動(dòng)范圍、運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)速度以及跟蹤精度。

末端抓取半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)經(jīng)裝配、調(diào)試完成后,需對(duì)其靜態(tài)精度,最大運(yùn)動(dòng)速度,運(yùn)動(dòng)空間以及跟蹤精度等指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定、測(cè)試。

3 結(jié)果

3.1 標(biāo)定結(jié)果

經(jīng)標(biāo)定測(cè)試,該半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)平移運(yùn)動(dòng)精度:±0.2 mm;轉(zhuǎn)動(dòng)角度精度:±0.01°;最大線速度120 mm/s,角速度10°/s;運(yùn)動(dòng)空間,徑向(y,z向)位移:優(yōu)于±150 mm,軸向(x向)位移:優(yōu)于400 mm;轉(zhuǎn)動(dòng)(Rx)角度:±15°;俯仰/偏航(Ry,Rz)角度:±25°,滿足末端地面試驗(yàn)驗(yàn)證要求。跟蹤精度結(jié)果見表1～表3,剛度模擬模塊測(cè)試結(jié)果見表4。

表1 末端半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)跟蹤精度測(cè)試結(jié)果(x,Rx)Table 1 Tracking accuracy test results of the semi-physical simulation experimental system(x,Rx)

表2 末端半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)跟蹤精度測(cè)試結(jié)果(y,Ry)Table 2 Tracking accuracy test results of the semi-physical simulation experimental system(y,Ry)

表3 末端半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)跟蹤精度測(cè)試結(jié)果(z,Rz)Table 3 Tracking accuracy test results of the semi-physical simulation experimental system(z,Rz)

表4 剛度模擬模塊實(shí)測(cè)值Table 4 Measured value of stiffness simulation module

3.2 末端測(cè)試工況及測(cè)試結(jié)果

3.2.1 捕獲容差測(cè)試

末端捕獲容差包括單向容差和組合容差,單向位置偏差100 mm,俯仰/偏航(Ry,Rz)角度偏差15°,轉(zhuǎn)動(dòng)(Rx)角度偏差10°;組合容差的位置偏差50 mm,角度偏差2°,測(cè)試工況見表5。

表5 末端捕獲容差測(cè)試工況Table 5 Conditions of end effector capture tolerance test

模擬抓取邊界條件,徑向力240 N,軸向力400 N,阻力矩100 Nm,即目標(biāo)適配器受徑向力大于240 N 或軸向力大于400 N 或阻力矩大于100 Nm 時(shí),測(cè)試平臺(tái)則沿力/力矩減小的方向運(yùn)動(dòng)。

按照測(cè)試工況位姿要求,利用末端測(cè)試平臺(tái),設(shè)置末端與目標(biāo)適配器之間的位姿關(guān)系,再將平臺(tái)設(shè)置為動(dòng)力學(xué)控制模式,發(fā)送末端執(zhí)行器抓取指令,觀察抓取動(dòng)作執(zhí)行情況。抓取過程中末端與目標(biāo)適配器的初始相對(duì)位置關(guān)系見圖6。

經(jīng)抓取試驗(yàn)驗(yàn)證,在12 種測(cè)試工況下,末端均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)適配器的可靠捕獲、拖動(dòng),完成末端與目標(biāo)適配器之間的精準(zhǔn)對(duì)接。抓取過程中末端各組件運(yùn)動(dòng)行程、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流、速度以及力傳感器數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明末端的捕獲單向容差滿足:徑向偏差100 mm,軸向偏差100 mm,俯仰/偏航偏差15°,轉(zhuǎn)動(dòng)偏差10°;組合容差:位置偏差50 mm,姿態(tài)偏差2°。即在上述容差范圍內(nèi),末端能夠克服徑向240 N、軸向400 N 以及100 Nm 的阻力/力矩,對(duì)目標(biāo)適配器進(jìn)行抓取。

末端執(zhí)行器在軌已成功抓取目標(biāo)適配器30余次,隨空間站機(jī)械臂完成了艙外爬行、艙外巡檢,輔助航天員出艙以及轉(zhuǎn)位貨用飛船等任務(wù)。

3.2.2 抓取25 t 浮動(dòng)目標(biāo)測(cè)試

在末端抓取半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)上,設(shè)置目標(biāo)物的質(zhì)量為25 t,外形尺寸為Ф4.5 m×18 m,質(zhì)量均勻分布,目標(biāo)適配器位于Ф4.5 m 端面中心位置,對(duì)應(yīng)的目標(biāo)質(zhì)量特性:Ix=63 300 kgm2,Iy=Iz=706 000 kgm2。然后利用半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)置末端與目標(biāo)的初始位姿偏差為(50 mm,50 mm,50 mm; 2°,2°,2°),設(shè)置平臺(tái)為動(dòng)力學(xué)控制模式,啟動(dòng)末端執(zhí)行器進(jìn)行抓取,測(cè)試平臺(tái)模擬目標(biāo)在空間零重力下的動(dòng)力學(xué)過程。測(cè)試過程中,末端執(zhí)行器將目標(biāo)適配器可靠抓取,抓取過程末端受力見圖 7 和表 6。由表中數(shù)據(jù)可以看出,末端在捕獲25 t 目標(biāo)過程中,末端最大力為304.2 N,最大力矩為732 Nm,發(fā)生在拖動(dòng)過程中,末端與目標(biāo)適配器接觸碰撞時(shí)刻。目標(biāo)適配器運(yùn)動(dòng)軌跡見圖 8,初始位置x=128 mm 對(duì)應(yīng)末端與目標(biāo)適配器x向偏差為50 mm。末端抓取過程中,目標(biāo)適配器沿x向移動(dòng)128 mm,y,z向移動(dòng)約為15 mm,說明末端與目標(biāo)適配器對(duì)接過程中,二者同時(shí)沿y,z向位移。

圖7 末端抓取25 t 目標(biāo)時(shí)末端尾部的力/力矩曲線Fig.7 Force/torque on the end effector when grabbing a 25 t target

表6 末端抓取25 t 目標(biāo)時(shí)末端尾部的力/力矩極值Table 6 The extreme value of the force/torque on the end effector when grabbing a 25 t target

圖8 抓取25 t 目標(biāo)時(shí)目標(biāo)適配器的位移和轉(zhuǎn)角Fig.8 Displacement and rotation angle of the target adapter when grabbing a 25 t target

通過末端半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)驗(yàn)證末端能夠抓取25 t 目標(biāo)。此過程的測(cè)試數(shù)據(jù)可用于機(jī)械臂末端抓取任務(wù)仿真模型驗(yàn)證,通過對(duì)機(jī)械臂末端仿真模型修正,從而提高機(jī)械臂末端抓取任務(wù)仿真驗(yàn)證的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

1)針對(duì)空間機(jī)械臂末端抓取地面驗(yàn)證需求,提出并研制了一套半物理驗(yàn)證系統(tǒng),結(jié)果表明:①平移運(yùn)動(dòng)精度為±0.2 mm,轉(zhuǎn)動(dòng)角度精度為±0.01°,最大線速度為120 mm/s,角速度為10°/s;②運(yùn)動(dòng)空間徑向位移優(yōu)于±150 mm,軸向位移優(yōu)于400 mm,轉(zhuǎn)動(dòng)角度為±15°,俯仰/偏航角度為±25°。實(shí)現(xiàn)了多工況、復(fù)雜邊界、大負(fù)載、大容差等條件下的空間機(jī)械臂末端抓取地面試驗(yàn)驗(yàn)證。

2)利用半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)中國空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器捕獲容差進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明:①末端執(zhí)行器捕獲單向容差為徑向偏差100 mm,軸向偏差100 mm,俯仰/偏航偏差15°,轉(zhuǎn)動(dòng)偏差10°,滿足捕獲位置容差不小于100 mm,姿態(tài)容差不小于10°的指標(biāo)要求;②組合容差為位置偏差50 mm,姿態(tài)偏差2°。

3)利用半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)末端執(zhí)行器抓取目標(biāo)質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,末端執(zhí)行器具備抓取25 t 目標(biāo)的能力。結(jié)合半物理試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的物理特性和測(cè)試結(jié)果,可對(duì)空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器抓取仿真模型進(jìn)行修正,進(jìn)一步仿真驗(yàn)證機(jī)械臂末端在軌抓取方案。