曾 磊，孫鵬飛，陳 明，金 儼，劉 賓(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，100094北京)

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空間機(jī)械臂水下試驗(yàn)及其關(guān)鍵技術(shù)綜述

曾 磊，孫鵬飛，陳 明，金 儼，劉 賓
(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，100094北京)

摘要:為配合航天員出艙活動(dòng)訓(xùn)練以及在中性浮力環(huán)境中驗(yàn)證空間機(jī)械臂的相關(guān)任務(wù)和功能，需開展空間機(jī)械臂的水下試驗(yàn)工作。對(duì)加拿大I臂、Ranger項(xiàng)目、Eurobot歐洲號(hào)機(jī)器人等國(guó)際空間機(jī)械臂水下試驗(yàn)情況進(jìn)行了調(diào)研，提煉出水下密封技術(shù)、水下接口濕式插拔技術(shù)、中性浮力配平技術(shù)、水動(dòng)力特性仿真技術(shù)、水壓傳動(dòng)與關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)空間機(jī)械臂后續(xù)開展水下試驗(yàn)工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞:空間機(jī)械臂；中性浮力；水下試驗(yàn)；關(guān)鍵技術(shù)

1　引言

為模擬在太空中微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，空間機(jī)構(gòu)大多在地面開展了模擬失重狀態(tài)的試驗(yàn)研究，目前比較常用的模擬方法主要是懸掛法、氣浮法和水浮法[1-2]。懸掛方法存在很多外加干擾，精度有限[3-4]；氣浮式仿真系統(tǒng)只能提供兩維空間的運(yùn)動(dòng)模型[5]；水浮法維護(hù)費(fèi)用較高，但從運(yùn)動(dòng)學(xué)上來說，水浮法是一種相當(dāng)逼真的失重模擬方法，與太空環(huán)境最為相似[6-8]

目前，國(guó)外已在中性浮力水槽中陸續(xù)開展了哈勃望遠(yuǎn)鏡維修水下試驗(yàn)、空間制動(dòng)器在軌組裝水下試驗(yàn)、空間精密拋物反射鏡空間組裝水下試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證及訓(xùn)練工作。結(jié)合我國(guó)空間站及空間機(jī)械臂的任務(wù)情況，有必要在地面開展空間機(jī)械臂的水下試驗(yàn)工作，配合航天員開展出艙活動(dòng)訓(xùn)練以及在中性浮力環(huán)境中驗(yàn)證空間機(jī)械臂的相關(guān)任務(wù)和功能。本文對(duì)空間機(jī)械臂水下試驗(yàn)情況及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，為我國(guó)空間機(jī)械臂后續(xù)開展水下試驗(yàn)工作提供參考和借鑒。

2　中性浮力試驗(yàn)方法概述

所謂中性浮力模擬，就是將物體全部浸沒在水中，利用精確調(diào)整配重或漂浮器的浮力，使被試對(duì)象的比重與水相同，平衡于水中任何地點(diǎn)，達(dá)到模擬微重力環(huán)境的效果。中性浮力模擬的突出優(yōu)點(diǎn)是:在微重力環(huán)境條件下，機(jī)械臂可在六自由度下長(zhǎng)時(shí)間地、無限制地連續(xù)運(yùn)動(dòng)[9-10]；是唯一可與軌道上的機(jī)械臂同步進(jìn)行空間活動(dòng)、操作演示的模擬方法[11]。它的缺點(diǎn)是:因水有動(dòng)態(tài)阻尼和粘滯效應(yīng)，所以操作、活動(dòng)速度不能太快，在0. 3 m/ s～0. 6 m/ s之間的慢速運(yùn)動(dòng)，模擬才是逼真的[12]。中性浮力模擬的突出優(yōu)點(diǎn)，使它得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是中性浮力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建造和維護(hù)費(fèi)用高、試驗(yàn)時(shí)需要保證系統(tǒng)的密封性，同時(shí)容易受水的阻力和紊流影響，降低了機(jī)械臂的模擬精度[13-15]。

從國(guó)外所做大量中性浮力模擬試驗(yàn)可看出，利用中性浮力水槽可實(shí)現(xiàn)以下研究:

1)低重力和微重力人體生理醫(yī)學(xué)研究；

2)訓(xùn)練航天員的空間活動(dòng)與操作能力；

3)對(duì)航天器和空間構(gòu)造進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，開展設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和性能驗(yàn)證；

4)在地面模擬對(duì)大型空間結(jié)構(gòu)的對(duì)接與組裝；

5)對(duì)飛行故障在地面上進(jìn)行對(duì)策研究，以實(shí)施支援。

3　國(guó)際機(jī)械臂水下試驗(yàn)情況

3. 1 加拿大Ⅰ臂

國(guó)際空間站曾在美國(guó)宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的中性浮力實(shí)驗(yàn)室(Neutral Buoyancy Laboratory，NBL)進(jìn)行了部分艙段的水下試驗(yàn)，用于配合航天員模擬失重訓(xùn)練。NBL長(zhǎng)61 m，寬31 m，深12 m(地上與地下各6 m)，是目前使用的最大的中性浮力水槽，水槽頂部有兩個(gè)橋式吊機(jī)(每個(gè)能提升10 t)，NBL周邊還有幾個(gè)動(dòng)臂吊機(jī)(每個(gè)能提升1. 6 t)，它們?yōu)槊總€(gè)訓(xùn)練階段構(gòu)建模型[16]，如圖1。

在進(jìn)行空間站水下試驗(yàn)時(shí)，NBL容納了國(guó)際空間站的幾個(gè)艙段(節(jié)點(diǎn)艙、俄羅斯艙、聯(lián)合氣閘艙、貨盤、希望Ⅱ號(hào)運(yùn)載器和加拿大Ⅰ臂)，各部分采用的并非是真實(shí)產(chǎn)品，而是另行研制的水下模型(采用液壓方式驅(qū)動(dòng))，見圖1、圖2。為增強(qiáng)耐久性(延長(zhǎng)使用壽命)，提高安全性，航天飛機(jī)與空間站機(jī)械臂模型均采用液壓驅(qū)動(dòng)[17-18]。

圖1　NBL的全尺寸航天飛機(jī)模型與其他訓(xùn)練裝置[17]Fig. 1 The full-size shuttle model and other training devices in NBL[17]

圖2　中性浮力實(shí)驗(yàn)室水池試驗(yàn)布局[12]Fig. 2 Typical NBL pool configuration[12]

3. 2 Ranger項(xiàng)目

Ranger是由NASA資助、Maryland大學(xué)空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Space Systems Laboratory，SSL)研制的靈巧空間機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)，其研制目的是滿足哈勃太空望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)的要求，對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telesc，HST)維護(hù)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究[19-20]。

1993年，Maryland大學(xué)完成哈勃望遠(yuǎn)鏡維護(hù)機(jī)器人(Ranger Telerobotic Fight Experiment，RTFX)的設(shè)計(jì)工作，其概念圖如圖3所示，RTFX一共由4個(gè)機(jī)械臂組成:2個(gè)8自由度的靈巧機(jī)械臂、1個(gè)7自由度抓握機(jī)械臂以及1個(gè)6自由度視覺相機(jī)機(jī)械臂。8自由度的靈巧機(jī)械臂用于雙臂配合操作；7自由度抓握機(jī)械臂抓握到目標(biāo)航天器之上，能夠固定和改變RTFX相對(duì)于目標(biāo)航天器的位姿；6自由度視覺相機(jī)機(jī)械臂用于支撐和定位立體視覺相機(jī)，為遙操作人員提供視覺反饋[21-23]。

為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，該大學(xué)于1995年建成Ranger水浮系統(tǒng)(Ranger Neutrual Buoyancy Vehicle，RNBV)。該系統(tǒng)在水浮條件下演示了在軌可更換單元(Orbital Replaceable Unit，ORU)更換、完全端到端的電氣連接件的插拔、自由落體操作和軌道保持自適應(yīng)控制、雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、多臂協(xié)調(diào)定位控制，以及夜晚操作[24-25]。但是，由于缺乏運(yùn)載火箭的支持，RTFX的方案最終沒有完成飛行驗(yàn)證。1996年，Maryland大學(xué)開發(fā)了基于航天飛機(jī)的哈勃望遠(yuǎn)鏡維護(hù)機(jī)器人(The Ranger Telerobotic Shuttle Experiment，RTSX)。新一代的機(jī)器人RTSX保留了RTFX機(jī)械臂的功能和構(gòu)型，但不具備自由飛行的能力，如圖4所示[26-27]。

圖3　RTFX的概念圖[19]Fig. 3 RTFX concept[19]

圖4　RTSX系統(tǒng)布局[26]Fig. 4 RTSX configuration[26]

2001年，NASA終止了對(duì)Ranger項(xiàng)目的支持，導(dǎo)致Ranger至今未進(jìn)行飛行演示。但是，其大部分元件地面的功能試驗(yàn)均已完成，具備在軌飛行的技術(shù)基礎(chǔ)。

3. 2. 1 RTFX的水浮試驗(yàn)產(chǎn)品RNBV I

RNBV I于1995年研制成功并投入使用，由6自由度移動(dòng)基座、2個(gè)7自由度靈巧機(jī)械臂、可更換的末端執(zhí)行器、6自由度相機(jī)定位機(jī)械臂以及7自由度定位機(jī)械臂組成。RNBV I的系統(tǒng)組成如圖5所示，試驗(yàn)照片如圖6～圖8所示，圖片顯示進(jìn)行水下試驗(yàn)時(shí)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，且并未看到6自由度相機(jī)定位機(jī)械臂部分[28]。

3. 2. 2 RTSX的水浮試驗(yàn)產(chǎn)品RNBVⅡ

隨著Ranger項(xiàng)目從RTFX轉(zhuǎn)變?yōu)镽TSX，Ranger的水浮系統(tǒng)也相應(yīng)地建成針對(duì)RTSX的地面仿真驗(yàn)證系統(tǒng)RNBVⅡ[26]。

RNBVⅡ于2002年研制成功并投入使用，由6自由度定位腿、2×8自由度靈巧機(jī)械臂、可更換的末端效應(yīng)器、7自由度相機(jī)定位機(jī)械臂組成。采用RNBVⅡ進(jìn)行的水浮試驗(yàn)如圖9所示。

圖5　水浮試驗(yàn)產(chǎn)品RNBV I[28]Fig. 5 Underwater test products RNBV I[28]

圖6　RNBV I系統(tǒng)演示自由飛行和ORU更換[28]Fig. 6 RNBV I demonstrate free flight and ORU replacement[28]

圖7　RNBV I系統(tǒng)演示機(jī)器人/航天員協(xié)調(diào)工作[28]Fig. 7 RNBV I demonstrate cooperation of robot and astronaut[28]

圖8　RNBV I系統(tǒng)演示工地的建立和結(jié)構(gòu)裝配[28]Fig. 8 RNBV I demonstrate establishment and structural assembly[28]

3. 3 Eurobot歐洲號(hào)機(jī)器人

出艙活動(dòng)是航天員工作的最重要部分，每次執(zhí)行艙外活動(dòng)(Extra-Vehicular Activity，EVA)前需要很長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備，完成后航天員還需要進(jìn)行休息，因此EVA占用了航天員大量的時(shí)間。國(guó)際空間站上大部分后勤工作可以由機(jī)器人完成，因此搭載航天員EVA輔助機(jī)器人可以大大增加一次EVA的工作量，同時(shí)減少EVA次數(shù)。2003年，歐洲宇航局開始研發(fā)一款用來幫助航天員進(jìn)行出艙活動(dòng)的機(jī)器人，并命名為“Eurobot”。在歐洲宇航局的航天員們?cè)O(shè)想中，這個(gè)機(jī)器人配有三條機(jī)械臂(其中一條起到類似于腿的作用)，擁有和人相近的外形尺寸以及抓握能力。為了研究其操作及交互性方面的性能，歐洲宇航局研制了能在中性浮力水槽中進(jìn)行試驗(yàn)的Eurobot水下樣機(jī)[29-31]，如圖10所示。

圖9　RNBVⅡ的水浮試驗(yàn)[26]Fig. 9 RNBVⅡunderwater test[26]

圖10　Eurobot水下樣機(jī)[32]Fig. 10 Underwater prototype of Eurobot[32]

Eurobot水下樣機(jī)的目的在于[32]:

1)驗(yàn)證Eurobot的操作能力；

2)獲得航天員的使用反饋；

3)在多機(jī)械臂控制、目標(biāo)識(shí)別、機(jī)器人操控等先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)方面獲得進(jìn)展。

Eurobot水下樣機(jī)在尺寸和外形上都和設(shè)計(jì)中的真實(shí)機(jī)器人相近，如圖11所示，包括一個(gè)中間軀體結(jié)構(gòu)和三條機(jī)械臂，每條機(jī)械臂安裝有7個(gè)關(guān)節(jié)，機(jī)械臂的長(zhǎng)度(1. 2 m)和能力(在伸展的情況下抓握10 kg)都和人相近。每條機(jī)械臂都搭載攝像機(jī)和末端執(zhí)行器。水下樣機(jī)的末端執(zhí)行器在功能上雖然做了簡(jiǎn)化，但仍能夠在EVA軌道模型上進(jìn)行移動(dòng)。頭部的攝像機(jī)被安裝在一個(gè)搖擺機(jī)械上，能夠?qū)崿F(xiàn)工作環(huán)境的全局監(jiān)控。Eurobot水下樣機(jī)通過在24個(gè)關(guān)節(jié)上分別進(jìn)行重力補(bǔ)償從而實(shí)現(xiàn)了中性浮力[33]。除此之外，水下樣機(jī)還在其他方面做了一些完善以求在外觀和實(shí)際效果上逼近真實(shí)的空間機(jī)器人。

圖11　Eurobot空間機(jī)器人和水下樣機(jī)設(shè)計(jì)的比較[32]Fig. 11 Comparison of Eurobot space robot and underwater prototype[32]

2005年，Eurobot水下樣機(jī)完成了加工和裝配，在意大利阿萊尼亞宇航中心(Thales-Alenia Spazio Italy，TAS-I)進(jìn)行了初步的系統(tǒng)測(cè)試，測(cè)試主要分以下3個(gè)步驟[32]:

1)在TAS-I完成陸上試驗(yàn)，評(píng)估機(jī)器人的操作性能；

2)在ALTEC完成水下試驗(yàn)，對(duì)在水槽環(huán)境中的性能進(jìn)行初步的評(píng)估；

3)在德國(guó)科隆的歐洲宇航中心進(jìn)行水下試驗(yàn)。

陸上的試驗(yàn)從2006年9月持續(xù)到2007年2月，在測(cè)試過程中分別驗(yàn)證了機(jī)器人的自由、基于視覺和基于力反饋的操控，Eurobot的分層控制體系也得到了驗(yàn)證[32]。

2007年3月，Eurobot的水下樣機(jī)開始驗(yàn)證其中性浮力性能，如圖12所示。機(jī)器人在操控者的命令下完成了各種姿態(tài)和各種速度的動(dòng)作，沒有任何異常的問題出現(xiàn)。機(jī)器人的自適應(yīng)控制系統(tǒng)也工作正常，通過安裝力傳感器，補(bǔ)償了深度變化帶來的壓力改變。然而在接近目標(biāo)的試驗(yàn)中，Eurobot的視覺系統(tǒng)在識(shí)別目標(biāo)軌道上出現(xiàn)了問題。初步選取的算法被證明是不合適的，后期選取了基于等值線的色彩過濾識(shí)別法，通過驗(yàn)證，這種方法要可靠得多，在燈光條件限制的情況下，軌道仍能夠很好地被識(shí)別。此項(xiàng)測(cè)試完成后，下一步就是歐洲宇航中心的測(cè)試[32]。

第三階段在中性浮力水槽中的測(cè)試完成了整個(gè)Eurobot水下樣機(jī)項(xiàng)目的初步階段的驗(yàn)證。主要進(jìn)行了以下兩項(xiàng)試驗(yàn)[32]:

1)通過預(yù)編程完成ORU的操作驗(yàn)證；

2)通過傳送工具和設(shè)備，提供固定和移位等幫助航天員完成EVA。

圖12　Eurobot水下試驗(yàn)[32]Fig. 12 Eurobot underwater test[32]

ORU的驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行了很多次，試驗(yàn)很成功，歐洲宇航局研制團(tuán)隊(duì)結(jié)合試驗(yàn)情況提出了以下的改進(jìn)意見[32]:

1)提高Eurobot的運(yùn)行速度，主要是縮短其在等待定位指令和優(yōu)化目標(biāo)路徑時(shí)的停滯時(shí)間；

2)逆向動(dòng)力是基于使用Jacobian矩陣轉(zhuǎn)置的迭代方法并輔以奇點(diǎn)規(guī)避控制完成的，目前沒有考慮手臂的位置，這導(dǎo)致關(guān)節(jié)行程限制，體現(xiàn)在手臂有時(shí)不能移動(dòng)到初始的設(shè)計(jì)位置，需要進(jìn)行更準(zhǔn)確的逆控制；

3)視覺系統(tǒng)仍然是Eurobot中最受質(zhì)疑的部分，需要對(duì)其他各種不同的方法進(jìn)行對(duì)比分析；

4)6D空間操作桿在機(jī)械臂的手動(dòng)操控時(shí)顯得十分笨重，需要研制一種新的觸覺設(shè)備。

航天員EVA輔助試驗(yàn)完成得十分成功，Eurobot在航天員需要照明、固定設(shè)備和傳遞工具時(shí)都能提供很好的幫助。在測(cè)試過程中沒有出現(xiàn)安全方面的問題，研制團(tuán)隊(duì)基于試驗(yàn)情況提出了以下改進(jìn)意見[32]:

1)Eurobot需要變得更快，縮短取用EVA設(shè)備的時(shí)間；

2)EAC的測(cè)試基于安全方面的考慮，沒有進(jìn)行用完的設(shè)備需要傳遞回Eurobot方面的試驗(yàn)，交還機(jī)理還要進(jìn)行進(jìn)一步的研究；

3)Eurobot的狀態(tài)(是否安全，是否在位)需要對(duì)航天員可見；

4)有必要在Eurobot和航天員的交互控制中考慮引入語音操控。

關(guān)于自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和航天員支持模式的一些改進(jìn)意見有助于提高機(jī)器人的整體操作性能，結(jié)合以上意見對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)，Eurobot又在ALTEC進(jìn)行了第4次試驗(yàn)[32]。

Eurobot的水下樣機(jī)主要進(jìn)行了以下兩點(diǎn)的修改:

1)實(shí)施了提高運(yùn)動(dòng)速度的策略。包括更為快速的手臂和頭部運(yùn)動(dòng)，以及更為快速的目標(biāo)識(shí)別。不過，盡管平均速度達(dá)到了1 cm/ s，但和2 cm/ s的設(shè)計(jì)速度相比仍然有一定差距。進(jìn)一步的改進(jìn)措施包括視覺伺服機(jī)構(gòu)、不同的移動(dòng)步法等正在進(jìn)一步的研究中。

2)通過使用觸覺設(shè)備增強(qiáng)Eurobot機(jī)械臂的手動(dòng)操控性能，如圖13所示。一種新的觸覺設(shè)備已經(jīng)集成到Eurobot的控制站中，這種類似于控制桿的設(shè)備可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，并將命令和力反饋傳遞回操作者。這個(gè)操縱桿已經(jīng)在各項(xiàng)任務(wù)中得到了使用，例如ORU安裝和替換，螺栓的安裝和拆除等[32]。

圖13　Eurobot遠(yuǎn)程操控[32]Fig. 13 Eurobot remote control[32]

4　水下機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)

從國(guó)外空間機(jī)械臂水下試驗(yàn)情況可看出，采取水浮法在中性浮力水槽中開展空間機(jī)械臂水下試驗(yàn)是可行的，在原理上與太空漂浮最為相近，且可保持長(zhǎng)時(shí)間的失重狀態(tài)，可按原尺寸大小配置載人航天空間模型，工作費(fèi)用不高。設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)考慮到以下因素:地球的萬有引力、水介質(zhì)的推動(dòng)力、流體動(dòng)力的液體阻力對(duì)物體平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響、介質(zhì)的慣性等[9]，但必須認(rèn)識(shí)到水浮試驗(yàn)存在以下技術(shù)問題:

1)水浮模型的浮心和重心不重合，平衡和穩(wěn)定問題難以解決；

2)模型運(yùn)動(dòng)方向具有不確定性，不對(duì)稱形狀和流體力學(xué)特性緊密聯(lián)系在一起，在每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上和模型以不同的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)都需要做具體的分析，導(dǎo)致海量計(jì)算；

3)由于固液耦合，水浮模型運(yùn)動(dòng)時(shí)存在與液體的能量交換，其動(dòng)力學(xué)特性較為復(fù)雜，需進(jìn)行詳細(xì)的水動(dòng)力特性計(jì)算；

4)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮模型在各個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)水對(duì)其的阻力大小，特別要考慮到由于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)造成運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象；

5)設(shè)備在水中有被腐蝕、漏電的風(fēng)險(xiǎn)。

如果能解決好上述這些問題，水浮法在空間操作模擬中將有廣泛的應(yīng)用和重要意義[34]。

4. 1 水下密封技術(shù)

水是良好的導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)水下設(shè)備發(fā)生滲水、漏水、積水等現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，易導(dǎo)致設(shè)備中絕緣的零部件成為導(dǎo)電體，發(fā)生導(dǎo)電、漏電現(xiàn)象，此外還易引發(fā)腐蝕問題，因此水下機(jī)械臂的設(shè)計(jì)首先需要解決水下密封問題，包括耐壓結(jié)構(gòu)的密封、電氣線路的水下絕緣以及管路的隔離等[35]。密封形式主要分為靜密封和動(dòng)密封。被密封的表面沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封為靜密封，反之，被密封的表面與密封件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為動(dòng)密封。靜密封相對(duì)來說容易解決，動(dòng)密封的問題比較難解決，因此，在一般工業(yè)設(shè)備中，普遍使用靜密封型式以求達(dá)到良好的密封效果[36]。在選擇密封方式時(shí)，應(yīng)該首先考慮靜密封，靜密封有以下優(yōu)點(diǎn):成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、制造維修方便；如靜密封無法滿足使用要求，再考慮動(dòng)密封。水下關(guān)節(jié)上的馬達(dá)輸出軸的密封就屬于動(dòng)密封。由于軸與機(jī)殼間存在間隙就會(huì)產(chǎn)生泄漏，而且介質(zhì)壓力越高、軸的轉(zhuǎn)速越快，就越容易產(chǎn)生泄漏[37-38]。

耐壓結(jié)構(gòu)為非耐壓設(shè)備或人員提供可正常工作的壓力環(huán)境，除了自身材料需要具有一定的強(qiáng)度外，也要具有良好的密封效果。耐高壓的密封形式對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工的精度、密封元件的質(zhì)量以及安裝的要求都非常高。比如兩個(gè)接觸部件的接觸縫隙如果不均勻，在水壓的作用下，密封元件可能會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致密封失敗。這就要求機(jī)械加工時(shí)接觸面的加工誤差要很小，而且在安裝時(shí)，密封元件的安裝要平整，每個(gè)螺母的緊固都要很均勻。

電氣線路的水下絕緣包括電纜本身的抗壓和插頭插座的密封。由于電纜內(nèi)部線路接觸很緊密，通過電流時(shí)本身會(huì)發(fā)熱，外表的絕緣橡膠會(huì)軟化，再加上外部水壓的擠壓，經(jīng)常會(huì)發(fā)生電纜內(nèi)部導(dǎo)線短路的現(xiàn)象。插頭和插座由于經(jīng)常插拔，而且接頭處有縫隙，如果密封不好的話，水在壓力的作用下，很容易順著縫隙滲透到電纜內(nèi)部，造成短路，損壞電氣設(shè)備[39]，因此其密封難度也很大。目前水下產(chǎn)品上使用的水密電纜接插件的密封主要有兩種形式，一種是金屬接插件，采用O型橡膠密封圈，并采用螺紋旋緊[40]；另一種是橡膠接插件，依靠插針外表的橡膠和插孔的擠壓進(jìn)行密封[41]。一般來說O型密封圈的密封形式耐壓深度比橡膠接插件的耐壓深度要大。

水下機(jī)械臂上管路很多，管路的密封效果對(duì)水壓傳動(dòng)的效果有很大的影響。由于水下管路內(nèi)外都受壓力作用，而且馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)速度很快，密封難度也很大，需要進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，確保密封效果滿足使用要求。

4. 2 水下接口濕式插拔技術(shù)

為了便于安裝和維護(hù)，要求關(guān)節(jié)可以在水下拆卸與更換，這對(duì)水下連接接口提出了更高的技術(shù)要求。關(guān)節(jié)電氣接口若采用傳統(tǒng)連接器，端子會(huì)因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力，重復(fù)插拔，電流過載而失效，且無法在水下進(jìn)行插拔。因此，電氣接口連接采用水下濕式插拔方案，需要解決電氣接口對(duì)準(zhǔn)、壓力補(bǔ)償、動(dòng)密封等相關(guān)技術(shù)。

濕式插拔電連接器要實(shí)現(xiàn)能夠在水下插拔的功能，要求其插合密封處必須具有動(dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在插針未插入時(shí)的閉合密封，以及插針插入和插合到位的過程密封，這是水下插拔最關(guān)鍵的技術(shù)[42]。由于連接器需要在水下進(jìn)行插拔，必須考慮到水下的壓力環(huán)境。在連接器腔體內(nèi)和腔體外，必須保證壓力平衡或者壓力差在一定范圍內(nèi)。因此就必須引入壓力補(bǔ)償技術(shù)，使連接器在插合、拔出的過程中，其腔體內(nèi)外的壓力保持平衡狀態(tài)，以便進(jìn)行插拔操作。

20世紀(jì)60年代早期，國(guó)外改進(jìn)型的插拔連接器才能真正地實(shí)現(xiàn)水下連接和水下拆卸。這類連接器以密封圈與插頭插座間的過盈配合來實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的密封。隨后出現(xiàn)了感應(yīng)耦合式的濕插拔連接器，它在插頭和插座內(nèi)設(shè)有獨(dú)立的感應(yīng)線圈。連接后，通過感應(yīng)線圈實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳送。不過，由于它的體積較大，因此使用的范圍不廣。20世紀(jì)60年代中期，充油與壓力平衡式電連接器首先應(yīng)運(yùn)而生。這類頗具藝術(shù)性質(zhì)的連接器不僅能實(shí)現(xiàn)了連接拆卸過程中與外界環(huán)境的絕緣隔離，而且還能在任何深度進(jìn)行插合和分離，如圖14所示。國(guó)外的水下插拔連接器已應(yīng)用于海底觀測(cè)網(wǎng)系統(tǒng)中，可以配合水下機(jī)器人在海底進(jìn)行插拔作業(yè)，為觀測(cè)網(wǎng)即時(shí)系統(tǒng)增加或減少設(shè)備數(shù)量[43-44]。

圖14　水下快速濕插拔連接器Fig. 14 Connector for underwater wet plug

國(guó)內(nèi)的水密連接器領(lǐng)域已有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)基礎(chǔ)，目前已能夠?qū)崿F(xiàn)大潛深的干插拔光電混合連接器的工程化應(yīng)用[42]。但水下濕插拔技術(shù)領(lǐng)域尚屬空白，處于研制的起步階段。有關(guān)水下插拔的關(guān)鍵技術(shù)，仍有待突破。

4. 3 中性浮力配平技術(shù)

中性浮力的配平技術(shù)包括外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、重心與浮心設(shè)計(jì)技術(shù)、浮力材料技術(shù)等。

在太空環(huán)境中，機(jī)械臂的每個(gè)零件都處于失重狀態(tài)，即空間物體每個(gè)質(zhì)量微元都處于失重狀態(tài)。而在水下環(huán)境下，為了更加真實(shí)的模擬機(jī)械臂在水下的失重狀態(tài)，需要考慮施加多個(gè)力來抵消各質(zhì)量單元的重力，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的重浮力均衡。包括力大小的均衡和力的作用點(diǎn)的均衡。實(shí)際上要達(dá)到完全的中性浮力是很困難的。對(duì)于水下機(jī)械臂來說，很難使每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的重力和浮力達(dá)到平衡，更困難的是在保證重浮力大小平衡的同時(shí)，還要保證重心和浮心完全重疊在一起。尤其是在訓(xùn)練時(shí)，水下機(jī)械臂需要夾持目標(biāo)物，整體的重力和重心是發(fā)生變化的。因此，目標(biāo)物也要達(dá)到中性浮力狀態(tài)。中性浮力配平效果的好壞很大程度上影響模擬太空失重環(huán)境的效果，對(duì)訓(xùn)練航天員所起的作用也具有很大的影響。因此，中性浮力配平技術(shù)將作為一個(gè)很重要的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，盡量模擬太空的失重環(huán)境，為航天員的訓(xùn)練創(chuàng)造更好的仿真條件。

4. 4 水動(dòng)力特性仿真技術(shù)

由于水的阻力與物體在水下運(yùn)動(dòng)的速度和加速度相關(guān)，因此試驗(yàn)中要控制好動(dòng)作的速度，不宜太快，否則會(huì)帶來較大的誤差。另外，水下機(jī)械臂在水下的動(dòng)作，會(huì)引起水的流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生附加質(zhì)量，對(duì)水下機(jī)械臂的動(dòng)作也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。而且，水下機(jī)械臂在水下要進(jìn)行夾持物體或航天員的動(dòng)作，物體和航天員在水中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)受到水的阻尼作用。對(duì)水下機(jī)械臂的控制必須要考慮這些影響因素，必須對(duì)水下環(huán)境與空間環(huán)境的差異進(jìn)行研究，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行水下機(jī)械臂以及目標(biāo)物的水動(dòng)力特性仿真分析。通過水動(dòng)力分析，可獲得相應(yīng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)能力要求，為關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供依據(jù)[45]。

美國(guó)通用電氣公司(General Electric，GE)的Goldstein和Alvarado認(rèn)為影響水下模擬失重的因素除了摩擦阻尼外，另一個(gè)重要因素是水下運(yùn)動(dòng)引起的液動(dòng)阻尼(附加質(zhì)量)。他以單剛體模型為基礎(chǔ)，考慮阻尼和液動(dòng)附加質(zhì)量因素，建立了水下運(yùn)動(dòng)和空間運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，通過類比，得到水下模擬逼真度評(píng)估的類比定律。同時(shí)Goldstein還利用該類比定律，用分析方法比較了空間和水中單剛體模塊平移的動(dòng)力學(xué)比較研究，并以此理論為基礎(chǔ)研究了水下模型的設(shè)計(jì)問題[46]。

水動(dòng)力特性仿真首先要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。通常的方法是應(yīng)用動(dòng)力學(xué)的普遍定理(動(dòng)量定理、動(dòng)量矩定理、動(dòng)能定理)來建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。由于水動(dòng)力特性的非線性，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)的耦合很明顯，因此還要建立耦合力的模型，用于機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其定位能力。目前機(jī)械臂水動(dòng)力的仿真難點(diǎn)還在于各種水動(dòng)力的充分考慮，力之間的耦合，以及如何采用有效的算法計(jì)算出各種水動(dòng)力的大小，從而為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確可靠的參數(shù)，保證機(jī)械臂末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的位姿或準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡，也要保證驅(qū)動(dòng)力的大小能夠滿足作業(yè)要求。

4. 5 水壓傳動(dòng)與關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)技術(shù)

水下機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式多采用液壓驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)方式以油壓驅(qū)動(dòng)方式為主，但存在少量油質(zhì)泄露問題，會(huì)對(duì)水池環(huán)境造成污染；水壓驅(qū)動(dòng)方式兼顧了許多油壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，而且用水做工作介質(zhì)，不僅費(fèi)用低廉、使用方便，且介質(zhì)的泄露和排放不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，出于此顧慮，建議采用水壓驅(qū)動(dòng)方式。

水壓傳動(dòng)技術(shù)是目前流體傳動(dòng)與控制技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)之一，目前純水液壓傳動(dòng)技術(shù)在許多領(lǐng)域已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用。但是水介質(zhì)的理化性能不同于液壓油，存在黏性低、泄漏量大、潤(rùn)滑性差、易腐蝕等特點(diǎn)，對(duì)水壓元件的材料和制造工藝有比較高的要求，相應(yīng)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具有一定的技術(shù)難度[47]。

18世紀(jì)末，英國(guó)Joseph Bramah根據(jù)帕斯卡提出的靜壓傳遞原理制成了世界上第一臺(tái)水壓機(jī)，它是最早出現(xiàn)的具有真正意義的液壓傳動(dòng)技術(shù)。當(dāng)時(shí)所采用的工作介質(zhì)就是天然淡水，可以說是水壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的開端。在此后的一百多年里，水作為唯一的工作介質(zhì)一直使用。但由于水的粘度低、潤(rùn)滑性能差、飽和蒸汽壓力高、腐蝕性強(qiáng)、易被污染等缺點(diǎn)，以及受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制，水壓元件制作材料特別是密封材料一直沒能得到有效解決，水壓元件存在磨損、腐蝕、氣蝕、沖蝕、泄漏等嚴(yán)重問題使得水壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展受到很大程度上的限制。由于礦物油具有粘度大、潤(rùn)滑性能好、防銹、相容性好等優(yōu)良的綜合理化性能，是一種比較理想的液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)，而且密封和泄漏問題的解決，使得液壓元件和系統(tǒng)的性能得到很大提高，極大的推動(dòng)了液壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，并最終取代了水壓傳動(dòng)。但是礦物油也存在易燃、泄漏和排放污染環(huán)境、長(zhǎng)期使用容易氧化和變質(zhì)、抗剪切能力差、粘度受油溫影響大、再利用率低、廢物處理難等嚴(yán)重弊端，特別是隨著未來石油資源的逐漸枯竭，礦物油將成為稀有資源，其成本也會(huì)急劇增加，這種傳統(tǒng)液壓技術(shù)的發(fā)展將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，水壓傳動(dòng)慢慢得到了重新發(fā)展，隨著液壓技術(shù)及其相關(guān)科學(xué)技術(shù)的不斷豐富和完善，水壓傳動(dòng)技術(shù)必將取代油壓傳動(dòng)技術(shù)，占據(jù)主導(dǎo)地位[48]。

目前國(guó)內(nèi)外在水壓傳動(dòng)方面的研究主要集中在海水液壓泵和馬達(dá)、淡水液壓泵和馬達(dá)、水液壓閥和水液壓系統(tǒng)四個(gè)方面，國(guó)內(nèi)只有部分高校在國(guó)家自然科學(xué)基金和地方自然科學(xué)基金的資助下開始開展部分技術(shù)基礎(chǔ)研究。但總的來說，由于國(guó)內(nèi)水壓傳動(dòng)技術(shù)的研究起步較晚，研究力量比較薄弱，加之沒有制造生產(chǎn)和使用的企業(yè)集團(tuán)介入，使得國(guó)內(nèi)水壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展比較緩慢[49-50]。

鑒于水壓傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，水壓傳動(dòng)技術(shù)將是水下機(jī)械臂研制中最重要的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)也要根據(jù)水壓傳動(dòng)的特點(diǎn)克服相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)。

5　結(jié)論

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的空間機(jī)械臂水下試驗(yàn)的分析，得到以下結(jié)論，可為我國(guó)空間機(jī)械臂水下試驗(yàn)工作提供一些啟示:

1)國(guó)外空間機(jī)械臂的試驗(yàn)樣機(jī)大多在水下開展了相關(guān)試驗(yàn)，由于環(huán)境的特殊性，試驗(yàn)樣機(jī)與真實(shí)模型外觀及尺寸基本一致，但性能指標(biāo)需進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整；

2)水下機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式多采用液壓驅(qū)動(dòng)，如條件允許，可采取水壓驅(qū)動(dòng)方式，降低對(duì)水池環(huán)境的污染，且可直接抽取水池的中性水作為水壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)源；

3)水下試驗(yàn)時(shí)應(yīng)配置全尺寸艙段模型，真實(shí)模擬航天員出艙活動(dòng)環(huán)境，如提供艙段模型、腳限位器等，真實(shí)驗(yàn)證出艙活動(dòng)及機(jī)械臂作業(yè)。

本文對(duì)國(guó)外機(jī)械臂在水槽中開展試驗(yàn)的情況進(jìn)行了調(diào)研，梳理了水下機(jī)械臂實(shí)際研制的關(guān)鍵技術(shù)，為水下機(jī)械臂的研制提供了理論指導(dǎo)。

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Review of Underwater Test and Key Technologies of Space Manipulator

ZENG Lei，SUN Pengfei，CHEN Ming，JIN Yan，LIU Bin
(Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Abstract:In order to support the EVA training of astronauts and verify the related tasks and functions of space manipulator in the neutral buoyancy environment，the underwater test is needed. Underwater test of Canadarm I，Ranger，Eurobot was investigated and the key technologies were summarized including the underwater pressurization，wet-mate connection，neutral buoyancy balance，and water-wall hydrodynamic characteristics simulation etc. It provides a reference for the future development of the China space manipulator.

Key words:space manipulator；neutral buoyancy；underwater test；key technology

作者簡(jiǎn)介:曾磊(1985 - )，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)械設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。E-mail:zenglei2701@ sina. com

收稿日期:2015-08-21；修回日期:2015-12-04

中圖分類號(hào):V416. 5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-5825(2016)01-0045-10