朱超,張文明,胡成威,唐自新,梁常春,孔旭,李德倫,王友漁,曾磊,張昕蕊

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

隨著中國空間站建造階段的開展,航天員出艙活動將成為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間操作的重要手段?？臻g站機(jī)械臂主要用于保障空間站在軌組裝建造及運(yùn)營的安全可靠,執(zhí)行多個重要任務(wù)包括艙外巡檢、艙段轉(zhuǎn)位、維護(hù)維修、輔助航天員艙外活動等,是保障空間站建設(shè)與維護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。為滿足在復(fù)雜空間環(huán)境下重復(fù)作業(yè)的可靠和壽命需求,必須考慮空間站機(jī)械臂在軌維修。

末端執(zhí)行器是空間站機(jī)械臂的核心部件之一,承擔(dān)著機(jī)械臂末端抓取與釋放,實(shí)現(xiàn)與操作目標(biāo)電、氣連接的重要功能。一旦末端執(zhí)行器出現(xiàn)故障,整個空間站機(jī)械臂難以發(fā)揮其作用。調(diào)研顯示國際空間站于2015-2017年對加大拿臂Canadarm2的腕末端執(zhí)行器進(jìn)行了潤滑維護(hù)和維修更換,保障了整個國際空間站的組裝建造[1-2]。

調(diào)研顯示目前國內(nèi)還沒有針對機(jī)械臂維修的系統(tǒng)性研究,本文針對空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器的維修系統(tǒng)方案與驗(yàn)證方法進(jìn)行了研究,首次提出了末端執(zhí)行器維修及驗(yàn)證方案,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,可作為空間站機(jī)械臂在軌維修設(shè)計(jì)工作的參考。

2 末端執(zhí)行器簡介

末端執(zhí)行器是空間站機(jī)械臂的核心部件之一,能夠?qū)崿F(xiàn)對合作目標(biāo)捕獲鎖定以及釋放等動作,最終實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的重復(fù)抓取。它是空間站機(jī)械臂開展空間艙段轉(zhuǎn)位與二次對接、儀器設(shè)備轉(zhuǎn)移與安裝、輔助航天員作業(yè)、爬行、大小臂組合等任務(wù)的關(guān)鍵部件。末端執(zhí)行器主要由捕獲組件、拖動組件、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,參見圖1。其與機(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。

圖1 末端執(zhí)行器組成示意Fig.1 The end-effector model composition diagram

末端執(zhí)行器工作時,首先由捕獲組件工作實(shí)現(xiàn)對被抓取目標(biāo)的初始捕獲;然后拖動組件工作,將被抓取目標(biāo)及捕獲組件一起沿軸向拖動,使目標(biāo)與末端執(zhí)行器對接,依靠其與末端執(zhí)行器的配合,消除俯仰、偏航以及轉(zhuǎn)動3個方向上的誤差,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與末端的精確對接;接著,4個鎖緊組件沿軸向同步運(yùn)動,在對接面上施加預(yù)載荷,并實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)的電連接,完成末端抓取過程。釋放時,首先鎖緊組件反向轉(zhuǎn)動,使得末端執(zhí)行器與目標(biāo)斷開電連接,并釋放二者界面的鎖緊力;然后拖動組件和捕獲組件工作,回到初始位置,完成釋放動作。

如果機(jī)械臂末端執(zhí)行器在軌發(fā)生故障,經(jīng)故障處置仍無法繼續(xù)工作時,需要視情況擇機(jī)開展在軌維修工作。

3 末端執(zhí)行器維修系統(tǒng)方案

3.1 維修總體方案

維修任務(wù)啟動后,需要四方進(jìn)行協(xié)同作業(yè),其中2名航天員出艙、1名航天員艙內(nèi)協(xié)同配合,地面人員監(jiān)視并指導(dǎo)。維修準(zhǔn)備階段,需要將故障機(jī)械臂轉(zhuǎn)換成指定的維修構(gòu)型,在指定區(qū)域采用小機(jī)械臂輔助開展故障維修任務(wù)[3-8],如圖2所示。整個維修任務(wù)分3次出艙依次完成對應(yīng)工作,具體的維修任務(wù)規(guī)劃如圖3所示。

圖2 機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修構(gòu)型Fig.2 Maintenance configuration of space manipulator end-effector

圖3 機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修任務(wù)規(guī)劃Fig.3 Maintenance planning of space manipulator end-effector

第1次出艙任務(wù),空間站機(jī)械臂分別攜帶航天員和維修工具、維修備件到達(dá)指定維修作業(yè)點(diǎn),通過艙壁上安裝的腳限位器和艙外操作臺進(jìn)行臨時固定,完成維修前的工作場景搭建。第2次出艙任務(wù),采用小機(jī)械臂輔助將2名航天員轉(zhuǎn)移至機(jī)械臂末端執(zhí)行器故障件兩側(cè),利用第一次出艙的維修工具和維修備件拆卸末端執(zhí)行器故障件,完成后安裝備件。第3次出艙任務(wù),由航天員拆除維修場景,將末端執(zhí)行器故障件、維修工具、維修設(shè)備等帶回艙內(nèi)進(jìn)行存儲,最終完成一次完整末端執(zhí)行器的維修任務(wù),見表1。

表1 機(jī)械臂末端執(zhí)行器的維修出艙任務(wù)清單Table 1 Mission planning for maintenance of space manipulator end-effector

3.2 故障處置

空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器故障主要包括通信異常、機(jī)構(gòu)卡滯、供電異常、熱控異常、軟件異常等多種類型。對于不同故障,需要根據(jù)當(dāng)前任務(wù)情況采用統(tǒng)一的處置策略。

機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)時,若末端執(zhí)行器出現(xiàn)故障,首先暫停任務(wù),再根據(jù)產(chǎn)品故障類別采取處置對策,進(jìn)行故障定位、分析等工作。若發(fā)現(xiàn)處置后無法恢復(fù)正常,則需決策開展機(jī)械臂末端執(zhí)行器在軌維修,快速切換至備份控制器或降額使用,控制機(jī)械臂運(yùn)動至維修構(gòu)型,然后按照預(yù)先規(guī)劃的出艙流程開展航天員艙外的維修工作。

3.3 維修策略

機(jī)械臂末端執(zhí)行器產(chǎn)品均為模塊化設(shè)計(jì),末端執(zhí)行器在整臂上的布局如圖4所示,肩部布置一個,腕部布置一個,這樣的布局有利于機(jī)械臂在艙表上的爬行。當(dāng)空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器出現(xiàn)故障時,由于內(nèi)部無法進(jìn)行維修,采用整機(jī)維修的策略;同時出現(xiàn)故障具有隨機(jī)性,機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修周期主要根據(jù)故障情況而定。當(dāng)2個末端執(zhí)行器同時出現(xiàn)故障時,根據(jù)重要程度依次從肩部末端執(zhí)行器、腕部末端執(zhí)行器開展相應(yīng)維修任務(wù)。

圖4 機(jī)械臂末端執(zhí)行器布局示意Fig.4 Modular end-effector of space manipulator

3.4 維修接口設(shè)計(jì)

機(jī)械臂末端執(zhí)行器與相鄰關(guān)節(jié)主要通過統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的快速連接裝置進(jìn)行連接,這樣的設(shè)計(jì)可以有利于減少維修用專用工裝的種類及數(shù)量。想要實(shí)現(xiàn)該快速連接裝置的分離,就需要利用維修工具完成對其快速進(jìn)行機(jī)械分離和電連接器的分離。為了方便分離,在快速連接裝置上設(shè)計(jì)有通用的維修工具接口,如圖5所示,航天員在艙外可以快速進(jìn)行安裝工具操作及分離快速連接裝置操作。

圖5 機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修接口Fig.5 Maintainability interface of space manipulator end-effector

3.5 維修工具設(shè)計(jì)

在維修機(jī)械臂末端執(zhí)行器過程中,維修工具成為至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。其好壞直接決定著任務(wù)成敗。維修工具不僅要實(shí)現(xiàn)故障件的分離和備件的安裝,還有一個難點(diǎn),就是要維持整臂的姿態(tài),這對維修工具設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。

空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器的維修工具包括通用的艙外電動工具、專用維修裝置、專用膨脹螺栓拆卸工具,如圖6所示。

圖6 末端執(zhí)行器維修專用工具Fig.6 Special tools for end-effector

專用維修裝置采用模塊化設(shè)計(jì),利用維修接口可以安裝在快速連接裝置上任一個角度,主要分固定裝置和拆裝裝置兩大部分,可以實(shí)現(xiàn)故障的機(jī)械臂末端執(zhí)行器ORU沿著兩個垂直方向的分離與對接。其中固定裝置主要連接在相鄰關(guān)節(jié)上,而拆裝裝置則可以通過艙外通用電動工具驅(qū)動,利用內(nèi)部機(jī)構(gòu)實(shí)行橫向分離和對接。

專用膨脹螺栓拆卸工具,主要功能是將快速連接裝置上的6顆膨脹螺栓進(jìn)行快速拆卸和安裝,在這個過程中需要保證拆卸的膨脹螺栓不會飄離,并且有明顯的力反饋效果。

3.6 維修備件熱控設(shè)計(jì)

為保證空間站末端執(zhí)行器維修備件出艙后的溫度,需要采取熱控措施,保證維修備件出艙后可以維持至少3天的工作溫度。

為了解決這一難題,首先在艙體維修區(qū)域設(shè)置有供電電纜,為維修備件供電提供接口,如圖7所示。然后通過末端執(zhí)行器上的航天員可操作接插件,將供電電源與末端執(zhí)行器上的2路溫度繼電器加熱通路連接,如圖8所示提供并聯(lián)的供電通路,對維修備件進(jìn)行主動熱控,最終滿足備件在軌儲存溫度要求。

圖7 機(jī)械臂末端執(zhí)行器供電電纜Fig.7 Power supply cable of space manipulator end-effector

圖8 機(jī)械臂末端執(zhí)行器保溫措施Fig.8 Thermal insulation measures of space manipulator end-effector

4 末端執(zhí)行器維修驗(yàn)證

4.1 維修驗(yàn)證規(guī)劃

為了在地面更好地獲取維修過程的重要數(shù)據(jù)并驗(yàn)證末端執(zhí)行器維修方案和流程可行性,開展了維修驗(yàn)證規(guī)劃,包括維修仿真驗(yàn)證、氣浮及懸吊零重力驗(yàn)證、維修著服驗(yàn)證、中性水槽試驗(yàn),其中維修仿真主要對備件出艙、場景搭建、維修操作以及故障件回艙進(jìn)行驗(yàn)證;氣浮懸吊驗(yàn)證維修操作進(jìn)行驗(yàn)證;著服試驗(yàn)主要驗(yàn)證工具組裝和維修操作;中性水槽試驗(yàn)主要對備件出艙、場景搭建、維修操作、故障件回艙等項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證。因此,通過4種驗(yàn)證手段對機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修全過程進(jìn)行覆蓋驗(yàn)證[9-10],如表2所示。

表2 機(jī)械臂末端執(zhí)行器的維修驗(yàn)證規(guī)劃Table 2 Maintainability verification planning

4.2 維修仿真

依據(jù)機(jī)械臂末端執(zhí)行器出艙任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)的流程設(shè)計(jì),并對每步操作進(jìn)行維修指標(biāo)的分配,比如可達(dá)性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標(biāo)識等指標(biāo)。

采用研制的維修系統(tǒng)級仿真軟件首先對空間站、機(jī)械臂、航天員、維修工具等模型進(jìn)行簡化,通過相對位置關(guān)系構(gòu)建出末端執(zhí)行器維修虛擬場景,并針對機(jī)械臂末端執(zhí)行器ORU維修中的典型操作,比如膨脹螺栓拆卸、維修裝置拆裝等進(jìn)行詳細(xì)的可達(dá)性、可視性等仿真分析[11-12],如圖9所示。

圖9 機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修具體操作仿真Fig.9 Maintenance operation simulation of space manipulator end-effector

仿真結(jié)果表明,航天員進(jìn)行膨脹螺栓拆卸時會出現(xiàn)視場遮擋、局部位置不可達(dá)情況,因此通過優(yōu)化維修構(gòu)型,并采用小機(jī)械臂輔助移動解決,對于航天員操作更加靈活方便,最終膨脹螺栓拆裝等操作均可滿足航天員操作要求,驗(yàn)證了整個維修任務(wù)中關(guān)鍵操作的可行性,如圖10所示。

圖10 機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修構(gòu)型仿真Fig.10 Maintenance configuation of space manipulator end-effector

4.3 氣浮懸吊維修驗(yàn)證

考慮機(jī)械臂維修的特殊性,采用氣懸浮微重力和懸吊系統(tǒng)相結(jié)合的方案開展地面維修場景的搭建和驗(yàn)證[13]。

采用氣懸浮微重力方案對末端和回轉(zhuǎn)ORU進(jìn)行重力的消除,采用懸吊方案對其他有干擾的關(guān)節(jié)進(jìn)行重力卸載,如圖11所示。末端和回轉(zhuǎn)ORU下方各安裝一個氣浮零重力工裝,兩名操作人員分別站立在兩側(cè)采用通用扶手、艙外電動工具、維修裝置等進(jìn)行維修操作。當(dāng)航天員操作維修裝置將關(guān)節(jié)與末端分離時,末端沿著拆除方向進(jìn)行運(yùn)動。

機(jī)械臂末端故障時,結(jié)合地面試驗(yàn)環(huán)境按照真實(shí)在軌流程,開展地面試驗(yàn)驗(yàn)證,包括工具準(zhǔn)備,操作空間確認(rèn),便攜式安全帶固定,熱控多層操作,不同膨脹螺栓操作,維修裝置安裝定位,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動,末端分離與對接等:

通過氣浮懸吊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)操作過程中熱控多層與操作面干涉、雙人操作時缺少扶手輔助、工具上無到位刻線反饋、工具分離時剛度不夠容易變形、電動工具與維修裝置接口容易擰花等問題。因此通過改進(jìn)熱控多層,增加產(chǎn)品扶手,改進(jìn)工具設(shè)計(jì)等方式對產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

4.4 著服懸吊維修驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證維修系統(tǒng)方案的正確性,在地面開展了著服懸吊試驗(yàn)驗(yàn)證。模擬在軌真實(shí)操作,對機(jī)械臂末端執(zhí)行器真實(shí)在軌維修流程進(jìn)行驗(yàn)證[14]。

利用末端執(zhí)行器模擬件搭建維修場景,采用工裝對末端執(zhí)行器和關(guān)節(jié)進(jìn)行重力卸載,如圖12所示。試驗(yàn)時,人員著服后站于兩側(cè)的模擬腳限位器上,對維修的末端執(zhí)行器進(jìn)行掛置便攜式安全帶,擰松/緊膨脹螺栓,分離/對接末端執(zhí)行器,安裝/拆卸維修裝置,測試末端執(zhí)行器,安裝維修備件等操作。

圖12 維修末端執(zhí)行器地面驗(yàn)證場景Fig.12 Maintenance verification scenario of end-effector

機(jī)械臂末端執(zhí)行器通過地面維修試驗(yàn)驗(yàn)證,如圖13所示,按照不合項(xiàng)次數(shù)由多到少統(tǒng)計(jì),依次為標(biāo)識、操作空間、可達(dá)、操作反饋、防誤、物品重量、操作力、防漂離。其中標(biāo)識、操作空間、可達(dá)性、操作反饋等指標(biāo)不合格項(xiàng)居多。針對末端執(zhí)行器驗(yàn)證不合格項(xiàng)已迭代改進(jìn)設(shè)計(jì),再次開展試驗(yàn)。

圖13 空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修不合格項(xiàng)分布Fig.13 Ergonomic evaluation for maintenance of space manipulator end-effector

4.5 水下維修驗(yàn)證

中性水槽試驗(yàn)通過在水下對人和服裝實(shí)施配重,使得人所受浮力和重力抵消,達(dá)到中性浮力的平衡狀態(tài),真實(shí)模擬航天員在太空失重狀態(tài)下維修機(jī)械臂末端執(zhí)行器的操作[15]。機(jī)械臂末端執(zhí)行器水下試驗(yàn)主要驗(yàn)證項(xiàng)目包括艙外設(shè)備場景的搭建以及大質(zhì)量大體積設(shè)備的轉(zhuǎn)移操作。

采用末端執(zhí)行器模擬件在水下進(jìn)行浮力配平,一名航天員站在腳限位器上,另外一名航天員由水下機(jī)械臂輔助支持運(yùn)動,如圖14所示,按照相對位姿關(guān)系在指定位置完成場景的搭建,包括腳限位器和艙外操作臺安裝、艙外工具轉(zhuǎn)移及掛置,然后開展末端執(zhí)行器分離后的轉(zhuǎn)移固定等項(xiàng)目試驗(yàn)。

圖14 空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器水下試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.14 Underwater test verification of space manipulator end-effector

通過上述水下試驗(yàn),航天員處于中性浮力下對機(jī)械臂末端開展維修操作時,可以完成艙外設(shè)備場景的搭建以及大質(zhì)量大體積設(shè)備的轉(zhuǎn)移等操作,實(shí)現(xiàn)了對機(jī)械臂地面懸吊和著服懸吊試驗(yàn)的補(bǔ)充驗(yàn)證,充分驗(yàn)證了機(jī)械臂末端維修方案的合理性。

5 結(jié)論

通過對國際空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修情況的調(diào)研,以及中國空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修需求的分析,開展了空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器的維修設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,主要結(jié)論如下。

1)根據(jù)工程實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),提出了一種基于多人協(xié)同的空間站機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修系統(tǒng)方案,包括末端執(zhí)行器故障后的故障處置、維修策略、維修工具等內(nèi)容;

2)通過對末端執(zhí)行器維修性操作進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證,表明改進(jìn)設(shè)計(jì)后維修具體操作可視性、可達(dá)性、可操作性、安全性均滿足要求;

3)本文搭建了末端執(zhí)行器維修地面驗(yàn)證系統(tǒng),分別開展了氣浮懸吊驗(yàn)證、著服懸吊驗(yàn)證以及水下維修驗(yàn)證,充分驗(yàn)證了機(jī)械臂末端執(zhí)行器維修操作可行性,維修方案合理性以及維修流程正確性。

末端執(zhí)行器維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證研究成果將為后續(xù)空間站機(jī)械臂維修工作提供設(shè)計(jì)借鑒和工程指導(dǎo)。