面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究
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【摘 要】随着空间技术的发展，如何保证航天器在复杂的空间环境中稳定持久的运行成为空间技术领域亟待解决的重要问题。在轨维护技术的发展将为航天器提供有力的后勤保障。目前我国的在轨维护技术与发达国家还存在一定的差距，发展在轨维护技术将对我国航天高技术的发展具有重要的现实意义。
【关键词】ORU；机械臂；柔顺控制
1引言
随着空间科学技术的飞速发展，航天器系统（如卫星、空间探测器等）的结构日趋复杂，在此形势下，如何保证航天器系统在复杂的空间环境中更加稳定持久的运行，已成为目前空间技术领域亟待解决的重要问题。目前，在轨航天器系统面临如下几种困境：（1）故障频发且维护成本高昂，全球平均每年有十多颗卫星损坏或出现故障，故障航天器约占总数的15%，而搭载宇航员的人工维护方式会受到成本、安全性及可行性的限制，导致大多数航天器系统尚未得到有效维护；（2）一次性可携带的消耗品（如推进剂、电源介质等）有限，这些物质一旦耗尽，航天器的寿命也将终结。目前，众多航天器的消耗品都难以实现补给；（3）设计之初功能有限，难以随需求变化而更新。航天器的设计寿命往往在10年以上，而航天器的设备和功能如果不能随着需求的变化和技术的发展而升级，航天器系统很可能在远没有达到退役期时就失去了实际效用；（4）包括报废航天器在内的轨道垃圾长期占据轨道位置并难以清除，使得航天器所处的空间环境更加恶化。综上可知，由于自身条件的限制和空间环境的影响，在轨航天器并没有得到系统的维护和保养，其功能和效益也没有得到充分发挥。
2面向 ORU 更换的机械臂系统
空间环境的高危性使得空间机器人成为航天器在轨维护与服务的主要途径。进入21世纪后，空间机器人呈爆发式发展，美国、德国、日本、欧洲等纷纷致力于高性能空间机器人系统的研制和实验工作。鉴于ORU更换任务的重要性，很多空间机器人都进行了ORU更换的在轨试验。美国在空间机器人领域的研究处于领先地位，自上世纪90年代，马里兰大学空间系统实验室就在NASA资助下从事灵巧服务飞行器Ranger的研发，用于完成目前宇航员所执行的工作任务，如ORU更换操作等。Ranger把操作器安装在运载工具的前端使之便于访问目标，两个8自由度灵巧操作器带有可更换的末端执行器，能够对目标飞行器进行故障维修；一个7自由度机械臂安装有一对立体摄像机；一个6自由度机械臂用于对目标飞行器进行定位。
我国最早的真正意义上的空间机器人地面演示系统当属于北京控制工程研究所承担的舱外自由移动机器人系统EMR，该系统是以空间修理和维护，空间站和宇宙飞船的检查维护为应用背景，主要用于演示验证舱外空间机器人的部分关键技术。EMR是一个具有行走和操作能力的9轴空间机器人，其本体为5自由度对称结构，两端分别安装手爪和相机。在地面利用吊丝配重式重力补偿系统来抵消重力对机器人的影响，使空间机器人在地面重力环境中能自由移动并完成各种操作任务，以模拟空间航天器舱外机器人的移动功能和操作功能。地面实验演示功能包括行走、检测、搬运、更换ORU、连接电缆插头和抓取浮游物体等。2001年国家“遥科学地面综合演示系统”与“舱外自由移动机器人系统”集成，成功地实现了舱外自由移动机器人的远程遥操作。
3机械臂系统关键技术发展
空间机械臂一般分为大型机械臂和小型机械臂，小型机械臂一般安装于航天器上，具有在轨机动能力，主要为其他航天器提供维护服务。航天器在轨维护机械臂系统尺寸较小（一般不超过3m），具有不少于6个自由度，通常用于完成精细操作任务。
关节是空间机械臂的重要组成部分，它的集成化与智能化程度直接关系到空间机械臂控制的精确程度。开发满足空间环境要求的高质量关节一直是空间机器人研究的重要课题，而模块化关节设计则是空间机器人发展的一个趋势。例如，DLR研制的空间机器人模块化关节具有结构简单，集成度高的特点，SPDM同样由7个功能完全相同的一体化关节组成。在本体设计方面，由于空间环境特殊性，空间机器人关节往往要求具有功能备份，以增强可靠性。例如，SPDM的关节内置两个关节控制器和两个电机组件互为备份；ERA关节采用双绕组永磁同步电机，满足了可靠性与质量之间的平衡。在控制方面，目前空间机器人可分为两种：遥操作式机器人和自主式机器人。遥操作是一种相对成熟的控制技术，通过人的参与及精确判断，实现机械臂的准确操作。由于存在通信延时及操作者易疲劳等，遥操作式机器人的环境适应性不强。
机械臂的发展趋势可以概括为以下几个方面：（1）冗余配置：机械臂自由度冗余配置或关节功能冗余配置。自由度多于6时，机械臂具有冗余性，可以实现容错控制及改善操作性能；关节配置冗余（如控制系统、电机、传感器等）可以提高机械臂的可靠性，增强突发情况的处理能力；（2）模块化关节：关节模块化设计可以缩短设计周期短、提升可靠性。模块化设计简化了机械臂整体的复杂性，使得集成度高、便于维护或更换；（3）传感器集成：随着空間服务的多任务与高要求趋势，机械臂工作过程中需要根据工作环境实时调整控制状态，因此越来越多的传感器系统集成于机械臂及关节内部，包括位置传感器、力/力矩传感器、视觉传感器、测距传感器等，以更加完善的反馈系统的工作状态；（4）柔性机械臂：空间机械臂对大负载/自重比的追求增加了机械臂的柔性，尤其对于大型空间机械臂更是如此。机械臂的柔性出现在关节和连杆部分，柔性的增加有助于改善动态运动性能，但也增加了控制的难度与复杂性；（5）自主性操作：提高空间机械臂的自主性与智能性，减少任务过程的人工参与，扩大航天器在轨维护的应用范围。
4机械臂柔顺控制发展
机械臂进行在轨维护操作时通常会与环境发生接触，如对ORU进行插入/拔出、对接/释放操作等，这就要求机械臂具有一定的柔顺性，避免机械臂系统与环境之间产生破坏。根据柔顺性来源不同，机械臂柔顺分为被动柔顺和主动柔顺。
被动柔顺性是通过具有柔性的结构单元实现的，典型代表是RCC（Remote Center Compliance），RCC本质上是一个6自由度弹簧系统。为了解决棱柱形和非对称零件的装配问题，Sturges等在RCC基础上采用正交柔顺性制作了SRCC，从而扩大了装配对象的适用范围，避免了装配过程中的卡阻和楔紧。被动柔顺方法具有快速可靠的特点，但适应性差且只能修正较小的运动误差。为了弥补被动柔顺的不足，主动柔顺控制得到了广泛的研究。
机械臂的主动柔顺包括混合力位控制、阻抗控制以及动态混合控制等。通过选择矩阵在对应子空间内分别进行位置控制和力控制，但是当这两个空间不存在正交关系时，位置控制与力控制则会发生冲突，导致特定方向上闭环系统的不稳定。此外，混合力位控制依赖于任务规划，在约束运动与非约束运动之间进行控制率转换时易引起不稳定，不适用于环境模型不确定或动态变化的场合。
结束语
航天器在轨维护服务是一个任务组合，需要一系列共同的关键技术作支撑，同时在执行具体任务时还需要对应的控制技术作保障。考虑到航天技术的高可靠性要求及太空工作环境的特殊性，在轨维护技术必须在地面仿真环境中做好充足的验证工作与技术支持，以降低发射成本，提高任务操作的安全性与可靠性。因此，建立面向 ORU 更换的机械臂样机并对机械臂控制的关键技术进行前期验证具有重要的现实意义。
参考文献：
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