劉 洋，姚燕安，何妍穎

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京100044）

1 引言

上世紀(jì)美國使用航天飛機(jī)對Solar Maximum Mission衛(wèi)星實(shí)時在軌對接和修復(fù)，是人類歷史上第一次使用航天飛機(jī)在軌對接、維修空間航天器［1］。美國宇航局NASA已開展和計劃開展的在軌服務(wù)項(xiàng)目有“自主交會技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星”、“試驗(yàn)衛(wèi)星服務(wù)系統(tǒng)”、“軌道快車”、“微小衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)”、“前端機(jī)器人使能近期演示驗(yàn)證”、“鳳凰”等［2］。在自主在軌服務(wù)發(fā)展方面，目前已經(jīng)突破關(guān)鍵技術(shù)，其中以“軌道快車”計劃為主要代表［3］。美國密歇根宇航公司開發(fā)的AS?DS?II衛(wèi)星裝置，通過軟軸進(jìn)行目標(biāo)的預(yù)對接，然后收縮軟軸將被動組件拉近并通過三個自動對齊加載栓實(shí)現(xiàn)軸線與面的自動對齊，同時在硬探頭預(yù)加載凸輪和止動扣的聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)兩面的剛性連接［4?5］。 該機(jī)構(gòu)已在 KC?135 飛機(jī)上成功進(jìn)行了飛行試驗(yàn)［6］。

我國的航天器在軌服務(wù)技術(shù)目前處于起步階段，盡管已有一定工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但理論層面相對匱乏，尚未形成廣泛認(rèn)可的概念和技術(shù)體系［7］。

傳統(tǒng)對接機(jī)構(gòu)通常以串聯(lián)機(jī)械手形式出現(xiàn)，隨著近年來并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，越來越多并聯(lián)機(jī)構(gòu)投入工程實(shí)踐應(yīng)用，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、載荷重量比高、誤差小、精度高、容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動、方便控制等優(yōu)點(diǎn)［8?9］。

基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的思想，本文針對航天器對接功能服務(wù)的需求，提出一種面向空間服務(wù)的變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)新概念，用于執(zhí)行與目標(biāo)航天器、太空垃圾或小行星等空間目標(biāo)的對接任務(wù)。變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)，具有大變形能力的特點(diǎn)，可以采用多種方式高效對接空間目標(biāo)。空間目標(biāo)被對接后，變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)可以通過自身變形調(diào)整追蹤航天器與空間目標(biāo)的相對位置，為進(jìn)一步的精確連接做好準(zhǔn)備。本文通過對比傳統(tǒng)的對接機(jī)構(gòu)介紹變拓?fù)涠嗝骟w機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢；進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析；并完成虛擬樣機(jī)與原理樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的對接機(jī)構(gòu)通常以單臂操作形式出現(xiàn)，單臂在安裝火箭上占用了一部分空間，這樣就給設(shè)計者帶來了一定的不便，當(dāng)采用多面體對接機(jī)構(gòu)時，則可以利用大變形的能力，極大地節(jié)省了空間，提高了空間利用率，如圖1所示。

圖1 多面體對接機(jī)構(gòu)的大變形量Fig．1 Large deformation of polyhedron docking mechanism

傳統(tǒng)對接機(jī)構(gòu)主要通過點(diǎn)對接形式來完成對接過程，多面體對接機(jī)構(gòu)則通過自身大范圍變形的過程對目標(biāo)進(jìn)行包絡(luò)從而完成對接，如圖2所示。多面體對接機(jī)構(gòu)大大減小了對接過程的難度，保證對接過程的順利完成。

在穩(wěn)定控制技術(shù)方面，傳統(tǒng)的單臂操作由于采用串聯(lián)形式會存在誤差積累現(xiàn)象，同時由于受力原因，也使對接過程的精度下降。但采用多臂并聯(lián)操作，則充分利用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢，在精度、剛度等發(fā)面都得到了提升，如圖3所示。

圖2 多面體對接機(jī)構(gòu)的對接形式Fig．2 Docking methods of polyhedron docking mech?anism

圖3 多面體對接機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定控制Fig．3 Stability Control of Polyhedron Docking Mechanism

2.2 對接方式

變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)的大變形能力，使其可以針對不同尺寸、不同形狀的空間目標(biāo)實(shí)施對接，其對接方式就像白細(xì)胞吞噬細(xì)菌，如圖4所示［10］。相比傳統(tǒng)航天器交會方式，吞噬式對接方式使得追蹤飛行器不需要與空間目標(biāo)進(jìn)行精確對準(zhǔn)，可以快速高效地對目標(biāo)實(shí)施對接。相比捕捉網(wǎng)、魚叉等新型對接方式，變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)通過多點(diǎn)夾持控制空間目標(biāo)，通過控制對接機(jī)構(gòu)自身變形調(diào)整目標(biāo)衛(wèi)星與追蹤衛(wèi)星的相對位置，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩者精確。

圖4 白細(xì)胞吞噬細(xì)菌過程［10］Fig．4 Process of bacteria phagocytosis by leukocyte［10］

吞噬式對接方式分為吸入式對接與夾持式對接。吸入式對接首先利用Bricard機(jī)構(gòu)運(yùn)動時的翻轉(zhuǎn)特性，將目標(biāo)推送至對接機(jī)構(gòu)所形成的機(jī)械網(wǎng)內(nèi)部，以防止碰觸目標(biāo)時將其推離對接區(qū)域；其次，借助Bricard機(jī)構(gòu)運(yùn)動時的縮放特性將網(wǎng)口封住，以防止目標(biāo)的逃脫；另外，Bricard機(jī)構(gòu)收縮時，三組外支桿件配合三條支鏈的收縮亦可有效地對目標(biāo)進(jìn)行固定與控制。夾持式對接利用Bri?card機(jī)構(gòu)運(yùn)動時的縮放特性將并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端變?yōu)橐粋€可夾持目標(biāo)的機(jī)械手，Bricard機(jī)構(gòu)收縮將目標(biāo)夾持后，3RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)可繼續(xù)對目標(biāo)進(jìn)行如姿態(tài)調(diào)整等操作。

3 對接機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析

3.1 變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計

根據(jù)多面體桿式變形機(jī)構(gòu)的構(gòu)型機(jī)理構(gòu)造的變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)如圖5所示，呈四面體網(wǎng)狀，由3RSR并聯(lián)操作機(jī)構(gòu)和Bricard縮放變形機(jī)構(gòu)組成。3RSR并聯(lián)操作機(jī)構(gòu)具有三個自由度，由三條支鏈組成，每個支鏈上依次為轉(zhuǎn)動副、球副、轉(zhuǎn)動副，通過三支聯(lián)的運(yùn)動可實(shí)現(xiàn)末端網(wǎng)口（即Bricard縮放變形機(jī)構(gòu)）的姿態(tài)與位置控制。變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)通過連接模塊搭載在搭載衛(wèi)星上。

圖5 變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)設(shè)計方案Fig．5 Design scheme of variable topology polyhed?ron docking mechanism

對接目標(biāo)擬定為圓柱體衛(wèi)星。如圖6所示，針對該類衛(wèi)星進(jìn)行了對接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計，并進(jìn)一步完成了對接過程的規(guī)劃。對接機(jī)構(gòu)在折疊狀態(tài)下高為L1，直徑為L2，展開后最長距離大約為3 L1，此時直徑L3略大于L2。大比例的縮放可以有效增加對接機(jī)構(gòu)的工作范圍。

3.2 對接機(jī)構(gòu)的自由度分析與運(yùn)動學(xué)分析

將Bricard機(jī)構(gòu)分別簡化為3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的定平臺和動平臺，如圖7所示。

圖6 變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig．6 Design scheme of variable topology polyhed?ron docking mechanism

圖7 對接機(jī)構(gòu)示意圖Fig．7 Diagram of docking mechanism

3?RSR 機(jī)構(gòu)為非過約束機(jī)構(gòu)［11?12］，采用公式（1）計算自由度：

式中，M表示機(jī)構(gòu)的自由度；n表示包括機(jī)架的構(gòu)件數(shù)目；g表示運(yùn)動副數(shù)目；fi表示第i個運(yùn)動副的自由度；v表示并聯(lián)冗余約束；ξ表示局部自由度。帶入數(shù)據(jù)為：＝ 15，ν＝ 0，ξ＝ 0，求得 M ＝6（8－9－1） ＋15＋0＋0＝3。

Bricard縮放變形機(jī)構(gòu)具有一個自由度［13］，作為可縮放的網(wǎng)口布置于3RSR并聯(lián)操作機(jī)構(gòu)的末端。變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)整體在機(jī)構(gòu)學(xué)上具有四個自由度，在工程實(shí)現(xiàn)上，為平衡機(jī)械運(yùn)動，Bricard縮放變形機(jī)構(gòu)上布置三個驅(qū)動電機(jī)，即整機(jī)具有六個驅(qū)動電機(jī)。進(jìn)行工作空間求解如下：

由此可得對接機(jī)構(gòu)末端中心點(diǎn)的運(yùn)動范圍，如圖 8（a）所示，圖 8（b）、（c）、（d）分別為對接機(jī)構(gòu)末端中心點(diǎn)的運(yùn)動范圍在xy、xz和yz平面的投影。由此可得到傾角范圍，即對接容差為：x方向［ － 38.0673°，38.0673°］，y 方向［ － 39.0299°，36.6063°］。

圖8 對接機(jī)構(gòu)的工作空間Fig．8 Working space of docking mechanism

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 虛擬樣機(jī)試驗(yàn)

利用Solidworks建模軟件與Adams仿真軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)搭建與仿真試驗(yàn)。變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)利用對接狀態(tài)檢測系統(tǒng)獲取對接機(jī)構(gòu)對于目標(biāo)衛(wèi)星的對接狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)衛(wèi)星不滿足對接初始條件時，搭載衛(wèi)星將進(jìn)行對接近目標(biāo)的粗調(diào)，之后對接機(jī)構(gòu)將根據(jù)目標(biāo)與對接要求選擇相應(yīng)的對接策略，以進(jìn)行對接狀態(tài)的細(xì)調(diào)，滿足對接條件后，Bricard機(jī)構(gòu)收縮變形執(zhí)行對接動作，當(dāng)檢測目標(biāo)被固定后，完成對接任務(wù)。

吸入式對接過程仿真試驗(yàn)如圖9所示，對接機(jī)構(gòu)在圖（a）所示的初始位置時處于折疊待機(jī)狀態(tài)，變形機(jī)構(gòu)到達(dá)如圖（b）所示的對接位置，并展開至如圖（c）所示的對接初始姿態(tài)，經(jīng)歷三次對對接機(jī)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整（圖（d）～（f））后滿足對接初始條件，開始進(jìn)行圖（g）所示的吸入式對接動作，此時目標(biāo)在對接機(jī)構(gòu)末端Bricard機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動下，被推入對接機(jī)構(gòu)的包絡(luò)空間內(nèi)，當(dāng)達(dá)到對接固定所需的預(yù)緊力時完成對接任務(wù)（圖（h））。

圖9 吸入式對接過程仿真試驗(yàn)Fig．9 Simulation of suction?type docking process

夾持式對接過程仿真試驗(yàn)如圖10所示，變形機(jī)構(gòu)從圖（a）所示的初始位置到達(dá)如圖（b）所示的對接位置，并展開至如圖（c）所示的對接初始姿態(tài)，經(jīng)歷對接機(jī)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整（圖（d））后滿足對接初始條件，開始進(jìn)行如圖（e）所示的夾持式對接動作，此時目標(biāo)在對接機(jī)構(gòu)末端Bricard機(jī)構(gòu)的收縮運(yùn)動下，在對接機(jī)構(gòu)的包絡(luò)空間內(nèi)被夾持固定，當(dāng)達(dá)到對接固定所需的預(yù)緊力時完成對接任務(wù)，如圖（f）所示。

圖10 夾持式對接過程仿真試驗(yàn)Fig．10 Simulation of clamping?type docking process

仿真試驗(yàn)表明：1）吸入式對接較于夾持式對接，固定式更加牢固，更適用于對接目標(biāo)；2）吸入式對接較于夾持式對接，操控更為簡單，目前階段更容易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用；3）夾持式對接較于吸入式對接，對接距離更遠(yuǎn)，對接尺寸更大，可滿足更高的對接條件要求；4）夾持式對接較于吸入式對接，對接固定后操作空間更大，更適用于開發(fā)操作功能。

如圖11～14所示，通過仿真可獲得驅(qū)動關(guān)節(jié)最大受力為6000 N左右，最大驅(qū)動力矩為1500 N·m，以此作為受力分析與驅(qū)動電機(jī)選擇的參考依據(jù)。

圖11 吸入式對接時驅(qū)動關(guān)節(jié)的受力Fig．11 Stress on driving joint in suction?type docking

圖12 吸入式對接時驅(qū)動關(guān)節(jié)的力矩Fig．12 Torque on driving joint in suction?type docking

圖13 夾持式對接時驅(qū)動關(guān)節(jié)的受力Fig．13 Stress on driving joint in clamping?type doc?king

圖14 夾持式對接時驅(qū)動關(guān)節(jié)的力矩Fig．14 Torque on driving joint in clamping?type doc?king

4.2 原理樣機(jī)試驗(yàn)

為對文章中所設(shè)計對接機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，設(shè)計原理樣機(jī)。原理樣機(jī)初始狀態(tài)下為節(jié)省空間，自身處于半折疊狀態(tài)，如圖15所示。

圖15 原理樣機(jī)Fig．15 Prototype

為驗(yàn)證多面體對接機(jī)構(gòu)具有大變形能力，我們對原理樣機(jī)進(jìn)行了折展試驗(yàn)，如圖16所示。首先進(jìn)行了機(jī)構(gòu)可折展的最小空間的試驗(yàn)，如圖（a）所示，將機(jī)構(gòu)進(jìn)行部分折展試驗(yàn)，如圖（b）、（c）所示，為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的最大折展空間，進(jìn)行了最大化的折展試驗(yàn)，如圖（d）所示。

圖16 對接機(jī)構(gòu)折展實(shí)驗(yàn)Fig．16 Folding and unfolding experiment of docking mehanism

為驗(yàn)證多面體對接機(jī)構(gòu)的位姿調(diào)整能力，對原理樣機(jī)進(jìn)行調(diào)整姿態(tài)驗(yàn)證，如圖17所示。先使機(jī)構(gòu)達(dá)到一般位置下，并鎖住電機(jī)，如圖（a）所示，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的可扭轉(zhuǎn)性能，如圖（b）、（c）、（d）所示。

圖18為對接機(jī)構(gòu)對接過程，當(dāng)所需對接目標(biāo)出現(xiàn)后，對接機(jī)構(gòu)做好對接準(zhǔn)備，如圖（a）所示，同時開始調(diào)整自身姿態(tài)，尋找合適的姿態(tài)來完成對目標(biāo)的對接工作，如圖（b）所示，完成對接過程后，對接機(jī)構(gòu)在保證目標(biāo)不發(fā)生脫離現(xiàn)象的前提下，進(jìn)行自身姿態(tài)的調(diào)節(jié)，以提高空間利用率，如圖（c）、（d）所示。

圖17 對接機(jī)構(gòu)調(diào)整姿態(tài)Fig．17 Attitude adjustment of docking mehanism

圖18 對接機(jī)構(gòu)對接過程Fig．18 Docking process of the docking mechanism

5 結(jié)論

基于互相自由度解耦的3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)與Bricard機(jī)構(gòu)，提出具有4自由度的變拓?fù)涠嗝骟w對接機(jī)構(gòu)。利用三自由度的3?RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)可對對接機(jī)構(gòu)與夾持住的對接目標(biāo)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整；利用單自由度的Bricard機(jī)構(gòu)可使對接機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行折疊與展開，并對目標(biāo)物進(jìn)行吸入式與夾持式的對接。

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