羅　俊

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西　景德鎮(zhèn)　333403）

淺談機(jī)電一體化關(guān)節(jié)在空間機(jī)械臂中的設(shè)計(jì)和控制

羅俊

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

【摘要】空間機(jī)械臂是空間站的重要組成部分，因此，對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和控制問題進(jìn)行研究十分重要。根據(jù)空間站的建設(shè)要求，基于機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)滿足機(jī)械臂的可靠性、集成性和智能性特點(diǎn)具有積極的意義。

【關(guān)鍵詞】空間站；機(jī)械臂；關(guān)節(jié)；機(jī)電一體化

1　前言

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，空間機(jī)械臂在空間站建造、設(shè)備維護(hù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中起到了積極的作用，是空間站實(shí)現(xiàn)在軌組裝和維護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備。由于太空中特殊環(huán)境和我國科技水平的制約，對(duì)空間機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與控制問題的研究一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。其中機(jī)電一體化關(guān)鍵作為機(jī)械臂的關(guān)鍵組成部分，對(duì)空間機(jī)械臂的控制精度有著重要的影響。根據(jù)空間站的建設(shè)要求，基于機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)滿足機(jī)械臂的可靠性、集成性和智能性特點(diǎn)具有積極的意義。

2　機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的總體設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械臂的構(gòu)成

空間機(jī)械臂主要包括地面控制臺(tái)、在軌控制系統(tǒng)、末端作業(yè)工具系統(tǒng)、移動(dòng)基座系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、末端效應(yīng)器系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、關(guān)節(jié)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)八個(gè)部分。其中，關(guān)節(jié)、臂桿等結(jié)果與末端的效應(yīng)器連接，然后通過關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)。

2.2機(jī)械臂和關(guān)節(jié)的功能要求

根據(jù)空間站的設(shè)計(jì)要求，機(jī)械臂需要完成如下功能：（1）協(xié)助空間站的維護(hù)、建設(shè)和維修，保證空間站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（2）為航天員提供援助以增強(qiáng)其行動(dòng)能力和安全性，減少其出艙次數(shù)；（3）最大限度降低航天員作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行環(huán)境的安全檢查。

關(guān)節(jié)是機(jī)械臂的重要組成部分，通過關(guān)節(jié)的速度、位置和力閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和多自由度運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)的功能要求包括：（1）為機(jī)械臂提供操作負(fù)載與驅(qū)動(dòng)能力；（2）為機(jī)械臂提供緊急制動(dòng)功能，以及結(jié)構(gòu)保護(hù)和運(yùn)動(dòng)角度限制等功能；（3）實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的高精度測(cè)量和控制；（4）實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與中央控制系統(tǒng)間的信息交互功能；（5）關(guān)節(jié)局部損壞或功能失效時(shí)，提供方便的在軌拆卸安裝接口。

2.3機(jī)電一體化關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案

因?yàn)闄C(jī)電一體化關(guān)節(jié)需要實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)控制、溫度信號(hào)采集、位置和速度信號(hào)采集和通訊等多種功能，同時(shí)關(guān)節(jié)的重要和體積也受到嚴(yán)格的限制，因此在設(shè)計(jì)過程中要克服在滿足功能要求的前提下盡可能的小型化、輕量化特點(diǎn)，并要求關(guān)節(jié)具備足夠的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。為了克服這些難點(diǎn)，機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的集成設(shè)計(jì)步驟主要包括如下幾步：（1）以調(diào)研為基礎(chǔ)，確定機(jī)電一體化關(guān)節(jié)的整體設(shè)計(jì)方案，主要包括零部件和傳感器的選型、中心孔走線以及冗余設(shè)計(jì)方案等；（2）首先根據(jù)實(shí)際的功能要求和性能參數(shù)分配零件的性能指標(biāo)，要仔細(xì)核對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)所有位置零部件的尺寸和接口；（3）進(jìn)行關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣控制硬件的設(shè)計(jì)；（4）設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)的控制算法，并編寫相應(yīng)的控制軟件；（5）完成關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)軟件的生產(chǎn)后，要對(duì)關(guān)節(jié)的性能和功能進(jìn)行測(cè)試。

3　機(jī)電一體化關(guān)節(jié)控制研究

3.1關(guān)節(jié)控制模式

根據(jù)中央控制器的指令，關(guān)節(jié)控制主要實(shí)現(xiàn)如下三種模式：

3.1.1位置控制

進(jìn)行位置控制時(shí)，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)會(huì)從中央控制器位接收位置指令，然后使用速度、電流和位置三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)速度、電流和位置控制器進(jìn)行環(huán)路設(shè)置，最后再通過傳感器得到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速、電機(jī)等效電流和末端位置等信息，以此作為控制環(huán)路的閉環(huán)反饋。

3.1.2速度控制

進(jìn)行速度控制時(shí)，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)會(huì)從中央控制器接收速度指令，然后使用電流、速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)速度和電流控制器進(jìn)行環(huán)路設(shè)置，然后再通過傳感器對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速與電機(jī)等效電流進(jìn)行采集和計(jì)算，以此作為控制環(huán)路的閉環(huán)反饋。

3.1.3力矩控制

力矩控制是系統(tǒng)柔順控制的一種備份模式，關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)會(huì)從中央控制器接收力矩指令，然后使用電流和力矩雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，對(duì)力矩和電流控制器進(jìn)行環(huán)路設(shè)置，最后通過傳感器對(duì)關(guān)節(jié)的輸出力矩和電機(jī)等效電流進(jìn)行采集和計(jì)算，以此作為控制環(huán)路的閉環(huán)反饋。

3.2關(guān)節(jié)控制方法

3.2.1關(guān)節(jié)模型

機(jī)電一體化關(guān)節(jié)包括伺服電動(dòng)機(jī)與諧波減速器兩部分，其中，減速器柔輪與具有一定剛度的扭轉(zhuǎn)彈簧等效。由于系統(tǒng)控制會(huì)受到摩擦和外界干擾的影響，因此首先建立關(guān)節(jié)系統(tǒng)的力學(xué)模型。根據(jù)該模型，可以對(duì)后續(xù)矢量控制等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)置。

3.3.2矢量控制過程

關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)包括速度環(huán)、電流環(huán)和位置環(huán)三部分，是一個(gè)三閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制過程要保證運(yùn)動(dòng)在不同負(fù)載和變負(fù)載擾動(dòng)下都保持平穩(wěn)性，鑒于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)較低的速度和對(duì)關(guān)節(jié)位置動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的較低要求，其控制算法要重點(diǎn)解決關(guān)節(jié)的柔性影響，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的抑制控制，即降低振動(dòng)的幅值和次數(shù)。

柔性關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制涉及到級(jí)聯(lián)動(dòng)力特性、高精度定位控制設(shè)計(jì)和低速非線性摩擦補(bǔ)償?shù)葐栴}。另外，機(jī)械臂的位型和負(fù)載變化也會(huì)造成機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量出現(xiàn)時(shí)變的特性。運(yùn)動(dòng)控制算法主要包括狀態(tài)空間反饋、計(jì)算力矩前饋和PID控制加柔性補(bǔ)償?shù)?。其中，PID技術(shù)能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，靈活性較高，因此控制性能良好，目前很多成型產(chǎn)品都采用了經(jīng)典的線性PID增量控制算法。如果對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求不高，則可以使用PI控制方式對(duì)轉(zhuǎn)速、電流和位置閉環(huán)進(jìn)行控制，摩擦模型一般使用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行模擬，并在控制器上進(jìn)行補(bǔ)償。除此之外，考慮到諧波減速器的剛度要求，需要進(jìn)行柔性扭轉(zhuǎn)控制補(bǔ)償，并使用變參數(shù)PI設(shè)計(jì)，尤其是在負(fù)載面對(duì)大范圍變動(dòng)的情況下，控制系統(tǒng)要先根據(jù)實(shí)際情況對(duì)多個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，然后在線切換調(diào)整，以保證機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要求。

4　結(jié)論

本文從設(shè)計(jì)和控制兩個(gè)方面對(duì)機(jī)電一體化的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行了介紹。關(guān)節(jié)是機(jī)械臂的重要組成部分之一，隨著我國空間技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)電一體化技術(shù)的空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)和控制技術(shù)必將得到進(jìn)一步的完善和拓展。

【參考文獻(xiàn)】

［1］張慧芳.空間機(jī)械臂鎖緊裝置設(shè)計(jì)與分析［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué).2006.

【作者簡介】

羅?。?983—），男，江西撫州人，碩士，講師，機(jī)械設(shè)計(jì)。