張 嶠，劉冬雨，羅 超，鄭 昊，吳 冰，李 喆

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

0 引言

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

機(jī)械臂系統(tǒng)的核心是一套仿人型機(jī)械臂/手。它由大量精密電子元器件及高精度傳動(dòng)環(huán)節(jié)構(gòu)成，并且在發(fā)射上行過程中要經(jīng)歷振動(dòng)、沖擊和加速度等一系列復(fù)雜而嚴(yán)酷的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。若不能對(duì)這些惡劣的力學(xué)載荷進(jìn)行抑制，則機(jī)械臂可能會(huì)受損而無法有效完成在軌精細(xì)操作任務(wù)。為了保證航天員的在軌安全，艙內(nèi)機(jī)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(jī)協(xié)同特性，以NASA 的Robonaut 2為代表，艙內(nèi)機(jī)器人/機(jī)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(shí)用性較強(qiáng)，還可避免火工品解鎖對(duì)精密部組件的沖擊影響。

在工業(yè)設(shè)計(jì)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(shì)得以廣泛使用。國外學(xué)者對(duì)EPE的力學(xué)行為進(jìn)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(duì)EPE 的最大疲勞應(yīng)力值的影響進(jìn)行了研究；Marcondes等就溫度對(duì)EPE緩沖特性的敏感度進(jìn)行了理論分析；Ruiz-Herrero等研究了不同密度的EPE 的抗沖擊力學(xué)特性，并建立了幾種簡(jiǎn)單的理論模型；Mills等采用有限元模型，預(yù)測(cè)了復(fù)雜形狀EPE 的緩沖性能。國內(nèi)盧富德、高德、張煒等學(xué)者對(duì)EPE的力學(xué)特性進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(duì)象的剛度系數(shù)、阻尼系數(shù)、質(zhì)量對(duì)隔振效果的影響，得出了相關(guān)設(shè)計(jì)原則，為航天器被動(dòng)隔振系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了參考。

上述研究對(duì)載人航天器的精密機(jī)電設(shè)備上行方案設(shè)計(jì)提供了較堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，但未開展工程型號(hào)實(shí)踐。本文設(shè)計(jì)了一種基于EPE的減振軟包方案，并對(duì)該方案在“天宮二號(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)的應(yīng)用有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 “天宮二號(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)簡(jiǎn)介

“天宮二號(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)是一種典型的仿人型機(jī)械臂系統(tǒng)（如圖1所示），它由1個(gè)六自由度機(jī)械臂、1個(gè)15自由度機(jī)械手、1個(gè)手眼相機(jī)及相關(guān)電纜構(gòu)成，質(zhì)量約為20 kg。機(jī)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(shí)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(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)模型及實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Model and photo of Tiangong-2 manipulator system

機(jī)械臂采用模塊化設(shè)計(jì)，由2個(gè)肩部關(guān)節(jié)、2個(gè)肘部關(guān)節(jié)、2個(gè)腕關(guān)節(jié)構(gòu)成，多個(gè)連接件將6個(gè)模塊化關(guān)節(jié)連接，構(gòu)成機(jī)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(jī)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(jī)+諧波減速器的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)方案。

機(jī)械手同樣為仿人型設(shè)計(jì)，其質(zhì)量約為人手的1.2倍，是本系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。五根手指（每根手指含2個(gè)俯仰自由度及1個(gè)側(cè)擺自由度）的指單元體完全相同，每個(gè)手指模塊中包含1個(gè)扁平直流無刷電機(jī)和1個(gè)微型諧波減速器。電機(jī)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(yuǎn)節(jié)指骨的運(yùn)動(dòng)通過鋼絲傳遞，實(shí)現(xiàn)1:1的耦合運(yùn)動(dòng)。

“天宮二號(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)比傳統(tǒng)6～7自由度機(jī)械臂更復(fù)雜、更靈活，傳感系統(tǒng)更豐富，其飛行任務(wù)是完成一臺(tái)單機(jī)設(shè)備的在軌維修操作，包括機(jī)械手直接旋擰J599電連接器、撕開多層隔熱材料、機(jī)械手抓握電動(dòng)工具旋擰螺釘?shù)龋宽?xiàng)任務(wù)的操作精度要求均在3 mm以內(nèi)。這不僅對(duì)系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度均提出了極高的要求，也對(duì)發(fā)射上行載荷的振動(dòng)抑制提出了更高要求，因?yàn)槿魏我粋€(gè)自由度（共21個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)）的功能失效都將對(duì)機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)協(xié)同特性，采用軟包裝載的方式實(shí)現(xiàn)束縛上行，航天員在軌將機(jī)械臂從軟包中取出，安裝至工作工位。由于“天宮二號(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)研制立項(xiàng)于“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室正樣研制階段，艙內(nèi)設(shè)備布局已基本確定，機(jī)械臂軟包的上行布局位置受限嚴(yán)重。為了適應(yīng)艙內(nèi)儀器板剩余的已有孔位，軟包與剩余空間賦形設(shè)計(jì)，整體為類L 型，長(zhǎng)度約1.1 m，截面為矩形，軟包可通過拉鏈對(duì)稱打開，如圖2所示。

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

裝載產(chǎn)品后，機(jī)械臂包總質(zhì)量約24 kg。這種質(zhì)量大、長(zhǎng)徑比大的精密機(jī)電產(chǎn)品通過軟包捆綁上行，在我國當(dāng)時(shí)的載人航天領(lǐng)域尚屬首次工程應(yīng)用。研制技術(shù)人員采用6條寬束縛帶+1條窄束縛帶將機(jī)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(shè)計(jì)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(shí)放置。

由于機(jī)械臂、機(jī)械手為外形不規(guī)則產(chǎn)品，因此將設(shè)備在軟包內(nèi)可靠固定是抗力學(xué)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(jī)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(shè)計(jì)，采用3D打印輕質(zhì)件進(jìn)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(jī)械臂軟包上行布局狀態(tài)Fig.3 Launching condition of the manipulator with soft package

圖4 機(jī)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(xué)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證

就參試產(chǎn)品本體而言，“天宮二號(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)共21個(gè)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(jī)械臂、機(jī)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(duì)建立系統(tǒng)的力學(xué)預(yù)示模型造成較大困難。為了快速驗(yàn)證軟包對(duì)于機(jī)械臂承載的緩沖作用，利用初樣機(jī)械臂及軟包，通過力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)對(duì)軟包減振能力進(jìn)行摸底驗(yàn)證。

3.1 地面試驗(yàn)系統(tǒng)

在90 kN級(jí)振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了機(jī)械臂系統(tǒng)及軟包（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)械臂包”）的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由T2000-T4電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、SA1120高效功率放大器、ST/T2000水平滑臺(tái)、JAGUAR 數(shù)據(jù)采集分析與振動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

為了更加真實(shí)地模擬機(jī)械臂軟包的力學(xué)邊界條件，將上行支架與軟包共同開展力學(xué)試驗(yàn)，軟包支架在振動(dòng)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(hào)”機(jī)械臂包力學(xué)試驗(yàn)狀態(tài)Fig.5 Mechanical test for Tiangong-2 manipulator and its soft package

機(jī)械臂包驗(yàn)收級(jí)力學(xué)試驗(yàn)條件如表1～表3所示。

表1 機(jī)械臂包正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件Table1 Sine vibration test conditions for thesoft package

表2 機(jī)械臂包隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件Table 2 Random vibration test conditions for the soft package

表3 機(jī)械臂包沖擊試驗(yàn)條件Table3 Shock test conditionsfor the soft package

試驗(yàn)共設(shè)置10個(gè)Pcb Piezotronics 356A34型三向加速度傳感器，其中機(jī)械臂、機(jī)械手上測(cè)點(diǎn)7個(gè)，支架上測(cè)點(diǎn)3個(gè)。軟包內(nèi)測(cè)試電纜沿機(jī)械臂束縛，從軟包拉鏈頭部縫隙處引出。測(cè)點(diǎn)位置及試驗(yàn)方向如圖6所示。振動(dòng)試驗(yàn)采用四點(diǎn)平均控制。

圖6 機(jī)械臂及軟包力學(xué)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置Fig.6 Positions of sensors in mechanical test for Tiangong-2 manipulator and its soft package

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1首輪試驗(yàn)

以摸索軟包力學(xué)特性及其對(duì)機(jī)械臂減振能力摸底為目的開展首輪振動(dòng)試驗(yàn)。6條寬束縛帶綁扎軟包完畢后，尾部剩余長(zhǎng)度約270 mm，對(duì)應(yīng)軟包側(cè)壁主結(jié)構(gòu)EPE 最大預(yù)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(yàn)結(jié)果如表4所示，本文僅對(duì)主振方向進(jìn)行分析。由于機(jī)械手的每根手指都可看作是一個(gè)小型的機(jī)械臂，其驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)環(huán)節(jié)更加精密，內(nèi)部芯片集成度更高，所以機(jī)械手是整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)中的最薄弱環(huán)節(jié)，需重點(diǎn)關(guān)注其響應(yīng)特性，結(jié)果見圖7。

表4 首輪振動(dòng)試驗(yàn)典型測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)Table 4 Typical acceleration response in the first round vibration test

圖7 首輪正弦振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)械手加速度響應(yīng)Fig.7 Acceleration response of the dexterous hand in the first round sine vibration test

從圖7可以看出，對(duì)于面內(nèi)橫向振動(dòng)，軟包對(duì)機(jī)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(gè)方向在隨機(jī)振動(dòng)中，最大響應(yīng)總均方根≤1.35g，均小于振動(dòng)臺(tái)的輸入條件5.2g。實(shí)際上，軟包本身可考慮為一個(gè)低通濾波器，對(duì)于高頻振動(dòng)有較好的過濾能力。

然而對(duì)于面外（x 向）振動(dòng)，機(jī)械手最大響應(yīng)高達(dá)43.2g（17.8 Hz），放大倍數(shù)為6.35，超過30g 的設(shè)計(jì)承載能力?？紤]到對(duì)于面外振動(dòng)，軟包只能依靠束縛帶的捆扎進(jìn)行束縛，因而初步判斷可能是由于機(jī)械臂、機(jī)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(dǎo)致軟包減振效果不明顯。因此，將束縛帶進(jìn)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(yù)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(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大頻響后移至約25 Hz，各測(cè)點(diǎn)響應(yīng)幅值增大約8%～10%，未達(dá)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(gè)平行關(guān)節(jié)作為較大的集中質(zhì)量點(diǎn)，對(duì)機(jī)械臂的振動(dòng)加速度貢獻(xiàn)顯著。當(dāng)前的試驗(yàn)軟包并未對(duì)這3處關(guān)節(jié)進(jìn)行額外限制，導(dǎo)致這3個(gè)大質(zhì)量點(diǎn)帶動(dòng)整臂在包內(nèi)上下竄動(dòng)。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(huì)太好。

首輪試驗(yàn)后，對(duì)機(jī)械臂、機(jī)械手依次進(jìn)行了單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)及精度測(cè)試，機(jī)械臂、機(jī)械手狀態(tài)基本正常，但機(jī)械手拇指與食指的側(cè)擺自由度出現(xiàn)傳動(dòng)皮帶松弛現(xiàn)象。這與在x 向振動(dòng)時(shí)機(jī)械手響應(yīng)過大是一致的。此種狀態(tài)的機(jī)械手執(zhí)行接觸類操作任務(wù)的可靠度低，因此需要對(duì)軟包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2.2 軟包優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)首輪試驗(yàn)結(jié)果，在已有軟包的基礎(chǔ)上增補(bǔ)了8塊賦形限位模塊對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，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(jī)械手處的賦形結(jié)構(gòu)較復(fù)雜：除對(duì)機(jī)械手外殼進(jìn)行約束外，還加強(qiáng)了各手指模塊的側(cè)擺自由度限制，以達(dá)到減小間隙的目的。

圖8 改進(jìn)后軟包示意Fig.8 Theimproved soft package

對(duì)于軟包而言，束縛帶約束得越緊，整體的剛度越高，導(dǎo)致共振頻率后移；但同時(shí)，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)?，因此振幅A增大，這與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論是一致的。這表明束縛帶對(duì)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(yù)壓縮率對(duì)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(yàn)

將機(jī)械臂、機(jī)械手裝載入改進(jìn)后的軟包中，開展第二輪試驗(yàn)。首先利用x 向試驗(yàn)對(duì)束縛帶捆扎狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，共開展了3 組特征級(jí)掃頻測(cè)試（輸入為2.04g），結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，機(jī)械臂包基頻隨束縛帶的拉緊而升高，同時(shí)振動(dòng)加速度響應(yīng)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(shì)Fig.9 Vibration suppression effect of the soft package against the degree of restraint

當(dāng)束縛帶尾部剩余量為300 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)側(cè)壁主結(jié)構(gòu)泡沫局部預(yù)壓縮率為100%（即被完全壓縮），該工況下機(jī)械手響應(yīng)放大3.8倍，外推至驗(yàn)收級(jí)振動(dòng)工況，機(jī)械手響應(yīng)仍會(huì)超過25g，并未到達(dá)最優(yōu)減振效果。當(dāng)束縛帶尾部剩余量為250 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)側(cè)壁主結(jié)構(gòu)泡沫局部預(yù)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(jī)械手響應(yīng)放大2.9倍，外推至驗(yàn)收級(jí)振動(dòng)工況，機(jī)械手響應(yīng)約為20g，同時(shí)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(yàn)對(duì)該束縛狀態(tài)進(jìn)行固化。

第二輪驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)典型結(jié)果如表5所示，機(jī)械手響應(yīng)曲線見圖10。與首輪試驗(yàn)結(jié)果（表4）對(duì)比可知，6條寬束縛帶剩余長(zhǎng)度保持250 mm，各方向最大頻響前移0.5～2 Hz。在驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)條件下，機(jī)械手在x 向與z 向試驗(yàn)中響應(yīng)峰值均降低了約50%，最大加速度響應(yīng)為21.8g，同時(shí)其余各關(guān)節(jié)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)也得到了40%～50%的改善。這進(jìn)一步驗(yàn)證了軟包優(yōu)化方案的有效性。

表5 第二輪機(jī)械臂包振動(dòng)試驗(yàn)響應(yīng)Table 5 Typical acceleration response in the second round vibration test

圖10 第二輪正弦振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)械手加速度響應(yīng)Fig.10 Acceleration response of the dexterous hand in the second round sine vibration test

由于機(jī)械臂包為大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)，沿短邊的面內(nèi)橫向擺動(dòng)（z 向）會(huì)與面外轉(zhuǎn)動(dòng)耦合，在小角度振幅下，這種轉(zhuǎn)動(dòng)近似為軟包在振動(dòng)臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)（即x 向）分量，所以對(duì)于降低x 向響應(yīng)的改善措施在z 向試驗(yàn)中同樣受益。對(duì)于y 向，由于該方向?yàn)闄C(jī)械臂的軸向方向，大長(zhǎng)徑比的軟包結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該方向與x 向試驗(yàn)嚴(yán)格正交，并且機(jī)械臂包的首尾均有金屬三角撐對(duì)軟包的位移進(jìn)行限位，所以y 向的響應(yīng)量級(jí)在軟包優(yōu)化前后兩輪試驗(yàn)中是相當(dāng)?shù)摹?/p>

進(jìn)一步，表5的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)與表6的沖擊試驗(yàn)響應(yīng)均表明，軟包內(nèi)的泡沫對(duì)于高頻振動(dòng)有較好的過濾能力，機(jī)械臂軟包能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械臂、機(jī)械手的有效保護(hù)。綜上，減振軟包的設(shè)計(jì)及使用要點(diǎn)在于包內(nèi)賦形模塊必須與被保護(hù)設(shè)備緊密貼合，防止設(shè)備在包內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；其次，在軟包本體能被可靠綁扎束縛的前提下，應(yīng)盡可能控制軟包泡沫結(jié)構(gòu)的預(yù)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(jī)械臂包沖擊試驗(yàn)最大加速度響應(yīng)Table6 The maximum acceleration response in shock test of the mechanical arm package

試驗(yàn)后使用API激光跟蹤儀，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行末端重復(fù)定位精度測(cè)試，如圖11所示。在機(jī)械臂的工作空間內(nèi)任意選取4個(gè)間隔較大的位置點(diǎn)，控制機(jī)械臂從任意起始位置運(yùn)動(dòng)并依次經(jīng)過設(shè)定的目標(biāo)點(diǎn)，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量次數(shù)n=20，同時(shí)利用SMR 靶鏡分別記錄靶標(biāo)上3點(diǎn)的位置，計(jì)算出靶標(biāo)的實(shí)際空間位姿(x, y, z,φ,φ,φ)。

圖11 力學(xué)試驗(yàn)后機(jī)械臂末端重復(fù)定位精度測(cè)試Fig.11 Repetitive positioning accuracy test for manipulator terminal after mechanical test

測(cè)試得到4個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的位置重復(fù)精度和姿態(tài)重復(fù)精度，如表7所示。機(jī)械臂的末端重復(fù)定位精度為：σ=max{σ,σ,σ,σ}=0.387 mm，σ=max{σ,σ,σ,σ}=0.074°。可以看出，機(jī)械臂末端重復(fù)定位精度滿足位置±1 mm、姿態(tài)±0.5°的位姿精度要求。機(jī)械臂絕對(duì)定位精度將優(yōu)于位置±2 mm、姿態(tài)±1°，滿足在軌操作任務(wù)要求。由此可最終判定，在軟包的保護(hù)下，機(jī)械臂可順利通過發(fā)射段的力學(xué)過載。

表7 力學(xué)試驗(yàn)后機(jī)械臂末端重復(fù)定位精度測(cè)試結(jié)果Table 7 Repetitive positioning accuracy of the manipulator terminal after mechanical test

4 “天宮二號(hào)”機(jī)械臂系統(tǒng)應(yīng)用情況

機(jī)械臂、機(jī)械手正樣產(chǎn)品以發(fā)射上行狀態(tài)參加了“天宮二號(hào)”整器力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)中機(jī)械手測(cè)點(diǎn)最大響應(yīng)為x 向4.4g（27 Hz）、y 向1.7g（6.4 Hz）、z 向1.5g（6.3 Hz），量級(jí)被單機(jī)驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)所覆蓋，頻響區(qū)間與單機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)相比稍有差異，這與整器動(dòng)力學(xué)特性以及相應(yīng)儀器板剛度特性相關(guān)。試驗(yàn)后機(jī)械臂、機(jī)械手測(cè)試狀態(tài)正常，表明優(yōu)化后的機(jī)械臂軟包對(duì)于執(zhí)行飛行任務(wù)具備較高的可靠度。

2016年9月15日，“天宮二號(hào)”機(jī)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(hào)”航天員乘組將機(jī)械臂從軟包中取出，并在軌與機(jī)械臂系統(tǒng)配合完成了9次加電工作。飛行任務(wù)期間，機(jī)械臂、機(jī)械手狀態(tài)良好，視覺/位置/力傳感器測(cè)量精度正常，操作精度高，完成了非接觸類的測(cè)試性試驗(yàn)以及接觸類的維修性試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了我國人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)的首次在軌驗(yàn)證，為后續(xù)空間機(jī)器人輔助或配合航天員開展在軌維修任務(wù)積累了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，可為后續(xù)空間站設(shè)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(duì)以“天宮二號(hào)”機(jī)械臂為代表的仿人型機(jī)械臂系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)一種減振軟包上行方案，并對(duì)這種裝載模式的有效性進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過兩輪試驗(yàn)確定了軟包技術(shù)狀態(tài)；機(jī)械臂系統(tǒng)在軌試驗(yàn)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(jī)電類設(shè)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(shè)備的大質(zhì)量部件以及力學(xué)敏感部件必須緊密貼合，避免設(shè)備在包內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，以降低振動(dòng)加速度幅值；

3）束縛帶對(duì)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(yù)壓縮率應(yīng)≤50%，以確保充分發(fā)揮軟包對(duì)載荷的吸能作用。