張 嶠，劉冬雨，羅 超，鄭 昊，吳 冰，李 喆

（北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

0 引言

“天宮二號”空間實驗室艙內(nèi)搭載了機械臂操作終端系統(tǒng)（以下簡稱“機械臂系統(tǒng)”）。在空間實驗室與載人飛船組合體飛行期間，“神舟十一號”航天員乘組與機械臂系統(tǒng)配合完成在軌維修試驗，為航天員與空間操作機器人的人機協(xié)同作業(yè)積累在軌經(jīng)驗，為提高空間站機械臂精細操作能力和控制魯棒性提供在軌基礎方法和參數(shù)。

機械臂系統(tǒng)的核心是一套仿人型機械臂/手。它由大量精密電子元器件及高精度傳動環(huán)節(jié)構(gòu)成，并且在發(fā)射上行過程中要經(jīng)歷振動、沖擊和加速度等一系列復雜而嚴酷的動力學環(huán)境。若不能對這些惡劣的力學載荷進行抑制，則機械臂可能會受損而無法有效完成在軌精細操作任務。為了保證航天員的在軌安全，艙內(nèi)機械臂系統(tǒng)無法采用傳統(tǒng)的火工品壓緊解鎖上行方案?？紤]到載人航天器的人機協(xié)同特性，以NASA 的Robonaut 2為代表，艙內(nèi)機器人/機械臂通常采用包裝上行、航天員在軌安裝的方案。這種技術(shù)途徑的工程實用性較強，還可避免火工品解鎖對精密部組件的沖擊影響。

在工業(yè)設計領(lǐng)域，發(fā)泡聚乙烯材料（EPE）以密度小、回彈性好且具有良好的吸能特性等優(yōu)勢得以廣泛使用。國外學者對EPE的力學行為進行了廣泛研究：Loveridge等指出EPE 具有穩(wěn)定的抗沖擊性能，并就氣孔尺寸、沖擊速度對EPE 的最大疲勞應力值的影響進行了研究；Marcondes等就溫度對EPE緩沖特性的敏感度進行了理論分析；Ruiz-Herrero等研究了不同密度的EPE 的抗沖擊力學特性，并建立了幾種簡單的理論模型；Mills等采用有限元模型，預測了復雜形狀EPE 的緩沖性能。國內(nèi)盧富德、高德、張煒等學者對EPE的力學特性進行了大量的理論及實驗研究，得到了從單自由度到多自由度包裝系統(tǒng)的緩沖特性，為包裝設計提供了普適方法。在載人航天領(lǐng)域，朱恩涌等探討了隔振器以及隔振對象的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、質(zhì)量對隔振效果的影響，得出了相關(guān)設計原則，為航天器被動隔振系統(tǒng)設計提供了參考。

上述研究對載人航天器的精密機電設備上行方案設計提供了較堅實的理論基礎，但未開展工程型號實踐。本文設計了一種基于EPE的減振軟包方案，并對該方案在“天宮二號”機械臂系統(tǒng)的應用有效性進行驗證。

1 “天宮二號”機械臂系統(tǒng)簡介

“天宮二號”機械臂系統(tǒng)是一種典型的仿人型機械臂系統(tǒng)（如圖1所示），它由1個六自由度機械臂、1個15自由度機械手、1個手眼相機及相關(guān)電纜構(gòu)成，質(zhì)量約為20 kg。機械臂系統(tǒng)配置了位置、力、關(guān)節(jié)力矩、視覺等多種傳感器，具有豐富的感知能力，可實現(xiàn)高精度位置控制、自主柔順操作，以及航天員在軌或地面遙操作等。

圖1 “天宮二號”機械臂系統(tǒng)模型及實物照片F(xiàn)ig.1 Model and photo of Tiangong-2 manipulator system

機械臂采用模塊化設計，由2個肩部關(guān)節(jié)、2個肘部關(guān)節(jié)、2個腕關(guān)節(jié)構(gòu)成，多個連接件將6個模塊化關(guān)節(jié)連接，構(gòu)成機械臂。模塊化的肩、肘、腕關(guān)節(jié)具有相近的結(jié)構(gòu)；根據(jù)關(guān)節(jié)承載需求，在電機和諧波減速器的選型上有所不同。傳感器配置及關(guān)節(jié)電氣系統(tǒng)是相同的，采用直流無刷電機+諧波減速器的驅(qū)動和傳動方案。

機械手同樣為仿人型設計，其質(zhì)量約為人手的1.2倍，是本系統(tǒng)的末端執(zhí)行機構(gòu)。五根手指（每根手指含2個俯仰自由度及1個側(cè)擺自由度）的指單元體完全相同，每個手指模塊中包含1個扁平直流無刷電機和1個微型諧波減速器。電機與減速器之間采用高速傳送帶連接。多種類型傳感器集成在手指體內(nèi)，指骨和遠節(jié)指骨的運動通過鋼絲傳遞，實現(xiàn)1:1的耦合運動。

“天宮二號”機械臂系統(tǒng)比傳統(tǒng)6～7自由度機械臂更復雜、更靈活，傳感系統(tǒng)更豐富，其飛行任務是完成一臺單機設備的在軌維修操作，包括機械手直接旋擰J599電連接器、撕開多層隔熱材料、機械手抓握電動工具旋擰螺釘?shù)?，每項任務的操作精度要求均? mm以內(nèi)。這不僅對系統(tǒng)的絕對定位精度和重復定位精度均提出了極高的要求，也對發(fā)射上行載荷的振動抑制提出了更高要求，因為任何一個自由度（共21個活動關(guān)節(jié)）的功能失效都將對機械臂系統(tǒng)的總體精度和作業(yè)帶來巨大影響。

2 減振軟包設計方案

為了保證航天員的在軌安全，并考慮到載人航天器的人機協(xié)同特性，采用軟包裝載的方式實現(xiàn)束縛上行，航天員在軌將機械臂從軟包中取出，安裝至工作工位。由于“天宮二號”機械臂系統(tǒng)研制立項于“天宮二號”空間實驗室正樣研制階段，艙內(nèi)設備布局已基本確定，機械臂軟包的上行布局位置受限嚴重。為了適應艙內(nèi)儀器板剩余的已有孔位，軟包與剩余空間賦形設計，整體為類L 型，長度約1.1 m，截面為矩形，軟包可通過拉鏈對稱打開，如圖2所示。

圖2 機械臂軟包構(gòu)型Fig.2 Configuration of soft package for the manipulator

裝載產(chǎn)品后，機械臂包總質(zhì)量約24 kg。這種質(zhì)量大、長徑比大的精密機電產(chǎn)品通過軟包捆綁上行，在我國當時的載人航天領(lǐng)域尚屬首次工程應用。研制技術(shù)人員采用6條寬束縛帶+1條窄束縛帶將機械臂包捆扎束縛在儀器板上，如圖3 所示。為了使得束縛帶與軟包緊密貼合，軟包上表面設計了束縛帶限位扣，下表面縫制尼龍搭扣，方便航天員在軌臨時放置。

由于機械臂、機械手為外形不規(guī)則產(chǎn)品，因此將設備在軟包內(nèi)可靠固定是抗力學載荷的關(guān)鍵。采用厚度為25 mm 的EPE材料作為軟包主支撐結(jié)構(gòu)，并在臂桿2、臂桿4、臂桿6、機械手與軟包縫隙內(nèi)增加厚度20～60 mm 不等的EPE 墊塊作為輔助填充（如圖4所示）。為了更好地完成包內(nèi)賦形設計，采用3D打印輕質(zhì)件進行配裝。為了便于航天員在軌存放，軟包整體為可拆卸結(jié)構(gòu)，所有模塊均通過尼龍搭扣粘接拼裝而成。

圖3 機械臂軟包上行布局狀態(tài)Fig.3 Launching condition of the manipulator with soft package

圖4 機械臂軟包主構(gòu)型Fig.4 Main structure of soft package for themanipulator

3 軟包減振能力力學環(huán)境試驗驗證

就參試產(chǎn)品本體而言，“天宮二號”機械臂系統(tǒng)共21個自由度；從邊界條件考慮，軟包內(nèi)各緩沖材料間采用搭扣粘接，機械臂、機械手在軟包內(nèi)為綁扎束縛狀態(tài)，軟包整體在艙內(nèi)也是綁扎束縛狀態(tài)。這些因素均對建立系統(tǒng)的力學預示模型造成較大困難。為了快速驗證軟包對于機械臂承載的緩沖作用，利用初樣機械臂及軟包，通過力學環(huán)境試驗對軟包減振能力進行摸底驗證。

3.1 地面試驗系統(tǒng)

在90 kN級振動臺上進行了機械臂系統(tǒng)及軟包（以下簡稱“機械臂包”）的力學環(huán)境試驗。試驗系統(tǒng)主要由T2000-T4電動振動臺、SA1120高效功率放大器、ST/T2000水平滑臺、JAGUAR 數(shù)據(jù)采集分析與振動控制系統(tǒng)組成。

為了更加真實地模擬機械臂軟包的力學邊界條件，將上行支架與軟包共同開展力學試驗，軟包支架在振動模擬墻上的安裝接口與在艙內(nèi)儀器板上完全一致。軟包在支架的安裝平面內(nèi)的位置束縛通過三角托、耳片限制，在面外的振幅通過束縛帶綁扎限制，如圖5所示。

圖5 “天宮二號”機械臂包力學試驗狀態(tài)Fig.5 Mechanical test for Tiangong-2 manipulator and its soft package

機械臂包驗收級力學試驗條件如表1～表3所示。

表1 機械臂包正弦振動試驗條件Table1 Sine vibration test conditions for thesoft package

表2 機械臂包隨機振動試驗條件Table 2 Random vibration test conditions for the soft package

表3 機械臂包沖擊試驗條件Table3 Shock test conditionsfor the soft package

試驗共設置10個Pcb Piezotronics 356A34型三向加速度傳感器，其中機械臂、機械手上測點7個，支架上測點3個。軟包內(nèi)測試電纜沿機械臂束縛，從軟包拉鏈頭部縫隙處引出。測點位置及試驗方向如圖6所示。振動試驗采用四點平均控制。

圖6 機械臂及軟包力學試驗測點位置Fig.6 Positions of sensors in mechanical test for Tiangong-2 manipulator and its soft package

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1首輪試驗

以摸索軟包力學特性及其對機械臂減振能力摸底為目的開展首輪振動試驗。6條寬束縛帶綁扎軟包完畢后，尾部剩余長度約270 mm，對應軟包側(cè)壁主結(jié)構(gòu)EPE 最大預壓縮率為70%（即主結(jié)構(gòu)泡沫厚度從25 mm 壓縮至7.5 mm）。典型試驗結(jié)果如表4所示，本文僅對主振方向進行分析。由于機械手的每根手指都可看作是一個小型的機械臂，其驅(qū)動、傳動環(huán)節(jié)更加精密，內(nèi)部芯片集成度更高，所以機械手是整個機械臂系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)，需重點關(guān)注其響應特性，結(jié)果見圖7。

表4 首輪振動試驗典型測點加速度響應Table 4 Typical acceleration response in the first round vibration test

圖7 首輪正弦振動試驗機械手加速度響應Fig.7 Acceleration response of the dexterous hand in the first round sine vibration test

從圖7可以看出，對于面內(nèi)橫向振動，軟包對機械手的抑振效果較好。其中y 向與z 向的放大倍數(shù)分別為1.38 及2.45。結(jié)合表4可知，這兩個方向在隨機振動中，最大響應總均方根≤1.35g，均小于振動臺的輸入條件5.2g。實際上，軟包本身可考慮為一個低通濾波器，對于高頻振動有較好的過濾能力。

然而對于面外（x 向）振動，機械手最大響應高達43.2g（17.8 Hz），放大倍數(shù)為6.35，超過30g 的設計承載能力?？紤]到對于面外振動，軟包只能依靠束縛帶的捆扎進行束縛，因而初步判斷可能是由于機械臂、機械手在軟包內(nèi)束縛不夠緊湊，產(chǎn)品與EPE泡沫的賦形不夠貼合，導致軟包減振效果不明顯。因此，將束縛帶進一步拉緊，將尾部剩余量從270 mm 拉伸至300 mm（軟包側(cè)壁主結(jié)構(gòu)EPE 最大預壓縮率增大至100%，即主結(jié)構(gòu)泡沫厚度25 mm被完全壓縮），重新進行試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大頻響后移至約25 Hz，各測點響應幅值增大約8%～10%，未達到降低載荷的目的。

分析可知，6條束縛帶綁扎位置均為臂桿而非關(guān)節(jié)，而關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3與關(guān)節(jié)5這3個平行關(guān)節(jié)作為較大的集中質(zhì)量點，對機械臂的振動加速度貢獻顯著。當前的試驗軟包并未對這3處關(guān)節(jié)進行額外限制，導致這3個大質(zhì)量點帶動整臂在包內(nèi)上下竄動。因此，無論如何增加束縛帶的約束力，整臂在軟包內(nèi)與EPE泡沫的貼合均不會太好。

首輪試驗后，對機械臂、機械手依次進行了單關(guān)節(jié)驅(qū)動及精度測試，機械臂、機械手狀態(tài)基本正常，但機械手拇指與食指的側(cè)擺自由度出現(xiàn)傳動皮帶松弛現(xiàn)象。這與在x 向振動時機械手響應過大是一致的。此種狀態(tài)的機械手執(zhí)行接觸類操作任務的可靠度低，因此需要對軟包進行優(yōu)化設計。

3.2.2 軟包優(yōu)化設計

根據(jù)首輪試驗結(jié)果，在已有軟包的基礎上增補了8塊賦形限位模塊對關(guān)鍵部位進行重點保護，材料選用硬度稍高的低發(fā)泡聚乙烯閉孔泡沫，即圖8中的黑色模塊。其中，機械手處的賦形結(jié)構(gòu)較復雜：除對機械手外殼進行約束外，還加強了各手指模塊的側(cè)擺自由度限制，以達到減小間隙的目的。

圖8 改進后軟包示意Fig.8 Theimproved soft package

對于軟包而言，束縛帶約束得越緊，整體的剛度越高，導致共振頻率后移；但同時，軟包主結(jié)構(gòu)泡沫的壓縮量也增大，軟包的阻尼性能變?nèi)酰虼苏穹鵄增大，這與文獻[13]的結(jié)論是一致的。這表明束縛帶對軟包的約束并非越緊越好，在滿足捆扎安裝可靠的前提下，尋找泡沫最優(yōu)預壓縮率對于確定軟包減振狀態(tài)是十分必要的。

3.2.3軟包優(yōu)化后試驗

將機械臂、機械手裝載入改進后的軟包中，開展第二輪試驗。首先利用x 向試驗對束縛帶捆扎狀態(tài)進行確認，共開展了3 組特征級掃頻測試（輸入為2.04g），結(jié)果如圖9所示。可以看出，機械臂包基頻隨束縛帶的拉緊而升高，同時振動加速度響應增大，這與3.2.2節(jié)的分析結(jié)論吻合。

圖9 軟包減振效果隨束縛程度變化趨勢Fig.9 Vibration suppression effect of the soft package against the degree of restraint

當束縛帶尾部剩余量為300 mm 時，對應側(cè)壁主結(jié)構(gòu)泡沫局部預壓縮率為100%（即被完全壓縮），該工況下機械手響應放大3.8倍，外推至驗收級振動工況，機械手響應仍會超過25g，并未到達最優(yōu)減振效果。當束縛帶尾部剩余量為250 mm 時，對應側(cè)壁主結(jié)構(gòu)泡沫局部預壓縮率為50%（即主結(jié)構(gòu)泡沫厚度從25 mm 壓縮至12.5 mm），該狀態(tài)下機械手響應放大2.9倍，外推至驗收級振動工況，機械手響應約為20g，同時軟包本體也能被可靠束縛，滿足各種約束要求。以上證明軟包的優(yōu)化策略是有效的，后續(xù)試驗對該束縛狀態(tài)進行固化。

第二輪驗收級試驗典型結(jié)果如表5所示，機械手響應曲線見圖10。與首輪試驗結(jié)果（表4）對比可知，6條寬束縛帶剩余長度保持250 mm，各方向最大頻響前移0.5～2 Hz。在驗收級試驗條件下，機械手在x 向與z 向試驗中響應峰值均降低了約50%，最大加速度響應為21.8g，同時其余各關(guān)節(jié)測點響應也得到了40%～50%的改善。這進一步驗證了軟包優(yōu)化方案的有效性。

表5 第二輪機械臂包振動試驗響應Table 5 Typical acceleration response in the second round vibration test

圖10 第二輪正弦振動試驗機械手加速度響應Fig.10 Acceleration response of the dexterous hand in the second round sine vibration test

由于機械臂包為大長徑比結(jié)構(gòu)，沿短邊的面內(nèi)橫向擺動（z 向）會與面外轉(zhuǎn)動耦合，在小角度振幅下，這種轉(zhuǎn)動近似為軟包在振動臺上下運動（即x 向）分量，所以對于降低x 向響應的改善措施在z 向試驗中同樣受益。對于y 向，由于該方向為機械臂的軸向方向，大長徑比的軟包結(jié)構(gòu)導致該方向與x 向試驗嚴格正交，并且機械臂包的首尾均有金屬三角撐對軟包的位移進行限位，所以y 向的響應量級在軟包優(yōu)化前后兩輪試驗中是相當?shù)摹?/p>

進一步，表5的隨機振動響應與表6的沖擊試驗響應均表明，軟包內(nèi)的泡沫對于高頻振動有較好的過濾能力，機械臂軟包能夠?qū)崿F(xiàn)對機械臂、機械手的有效保護。綜上，減振軟包的設計及使用要點在于包內(nèi)賦形模塊必須與被保護設備緊密貼合，防止設備在包內(nèi)自由運動；其次，在軟包本體能被可靠綁扎束縛的前提下，應盡可能控制軟包泡沫結(jié)構(gòu)的預壓縮率不大于50%，以便更大程度地利用軟包整體的阻尼吸能特性。

表6 機械臂包沖擊試驗最大加速度響應Table6 The maximum acceleration response in shock test of the mechanical arm package

試驗后使用API激光跟蹤儀，對機械臂進行末端重復定位精度測試，如圖11所示。在機械臂的工作空間內(nèi)任意選取4個間隔較大的位置點，控制機械臂從任意起始位置運動并依次經(jīng)過設定的目標點，每個目標點重復測量次數(shù)n=20，同時利用SMR 靶鏡分別記錄靶標上3點的位置，計算出靶標的實際空間位姿(x, y, z,φ,φ,φ)。

圖11 力學試驗后機械臂末端重復定位精度測試Fig.11 Repetitive positioning accuracy test for manipulator terminal after mechanical test

測試得到4個目標點的位置重復精度和姿態(tài)重復精度，如表7所示。機械臂的末端重復定位精度為：σ=max{σ,σ,σ,σ}=0.387 mm，σ=max{σ,σ,σ,σ}=0.074°?？梢钥闯觯瑱C械臂末端重復定位精度滿足位置±1 mm、姿態(tài)±0.5°的位姿精度要求。機械臂絕對定位精度將優(yōu)于位置±2 mm、姿態(tài)±1°，滿足在軌操作任務要求。由此可最終判定，在軟包的保護下，機械臂可順利通過發(fā)射段的力學過載。

表7 力學試驗后機械臂末端重復定位精度測試結(jié)果Table 7 Repetitive positioning accuracy of the manipulator terminal after mechanical test

4 “天宮二號”機械臂系統(tǒng)應用情況

機械臂、機械手正樣產(chǎn)品以發(fā)射上行狀態(tài)參加了“天宮二號”整器力學試驗。試驗中機械手測點最大響應為x 向4.4g（27 Hz）、y 向1.7g（6.4 Hz）、z 向1.5g（6.3 Hz），量級被單機驗收級試驗所覆蓋，頻響區(qū)間與單機振動試驗相比稍有差異，這與整器動力學特性以及相應儀器板剛度特性相關(guān)。試驗后機械臂、機械手測試狀態(tài)正常，表明優(yōu)化后的機械臂軟包對于執(zhí)行飛行任務具備較高的可靠度。

2016年9月15日，“天宮二號”機械臂系統(tǒng)以軟包裝載形式發(fā)射入軌。從2016年10月22日到2016年11月13日，“神舟十一號”航天員乘組將機械臂從軟包中取出，并在軌與機械臂系統(tǒng)配合完成了9次加電工作。飛行任務期間，機械臂、機械手狀態(tài)良好，視覺/位置/力傳感器測量精度正常，操作精度高，完成了非接觸類的測試性試驗以及接觸類的維修性試驗，成功實現(xiàn)了我國人機協(xié)同在軌維修技術(shù)的首次在軌驗證，為后續(xù)空間機器人輔助或配合航天員開展在軌維修任務積累了經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，可為后續(xù)空間站設備布局及發(fā)射上行方案提供良好的技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

針對以“天宮二號”機械臂為代表的仿人型機械臂系統(tǒng)，本文設計一種減振軟包上行方案，并對這種裝載模式的有效性進行了力學試驗驗證，通過兩輪試驗確定了軟包技術(shù)狀態(tài)；機械臂系統(tǒng)在軌試驗獲得成功。研究表明：

1）發(fā)泡聚乙烯作為載人航天器減振軟包的主結(jié)構(gòu)材料，可有效降低精密機電類設備上行所承受的發(fā)射載荷；

2）軟包內(nèi)賦形模塊與裝包設備的大質(zhì)量部件以及力學敏感部件必須緊密貼合，避免設備在包內(nèi)自由運動，以降低振動加速度幅值；

3）束縛帶對軟包的約束并非越緊越好。在軟包本體被可靠綁扎束縛的前提下，軟包泡沫結(jié)構(gòu)的預壓縮率應≤50%，以確保充分發(fā)揮軟包對載荷的吸能作用。