朱超，孔旭，胡成威，唐自新，李德倫，王友漁，王康

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，北京 100094

空間機(jī)械臂是深入開展載人航天活動(dòng)必不可少的工具，在空間系統(tǒng)中承擔(dān)著艙段轉(zhuǎn)位與對(duì)接、輔助航天員艙外作業(yè)，艙外狀態(tài)檢查以及設(shè)備轉(zhuǎn)移與安裝等任務(wù)?？臻g機(jī)械臂的在軌維修是指航天員出艙開展艙內(nèi)外多方協(xié)同工作，通過(guò)維修操作保障其達(dá)到壽命及可靠性的指標(biāo)要求。

由于空間機(jī)械臂承擔(dān)任務(wù)較多，艙體覆蓋范圍較廣，故障工況較復(fù)雜，維修時(shí)機(jī)不確定，產(chǎn)品體積較大，導(dǎo)致對(duì)其維修過(guò)程中需求特定的輔助設(shè)備、航天員多人協(xié)同操作，流程設(shè)計(jì)復(fù)雜。同時(shí)調(diào)研工作顯示目前國(guó)內(nèi)還沒有針對(duì)空間機(jī)械臂維修性的系統(tǒng)性研究，對(duì)空間機(jī)械臂維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建研究對(duì)機(jī)械臂的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空間機(jī)器人維修性體系的空白，后續(xù)可作為空間機(jī)械臂在軌維修性設(shè)計(jì)工作的參考[1-2]。

1 維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)體系

機(jī)械臂維修性是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，受空間艙體、機(jī)械臂構(gòu)型、故障位置、腳限位器位置、維修工具設(shè)備、航天員人服能力等因素限制，機(jī)械臂維修變得異常復(fù)雜，一旦維修失敗，將會(huì)影響正常的在軌運(yùn)營(yíng)。

根據(jù)空間機(jī)械臂維修性工程經(jīng)驗(yàn)，建立了機(jī)械臂“設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)”全周期系統(tǒng)性的維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)體系，如圖1所示，根據(jù)維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-再設(shè)計(jì)的循環(huán)管理，再根據(jù)維修性評(píng)價(jià)體系，三類評(píng)價(jià)人員模擬在軌維修操作場(chǎng)景分別開展維修評(píng)價(jià)，最終根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)中的不合格項(xiàng)進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代,最終保證空間機(jī)械臂維修方案的可行性[3-8]。

空間機(jī)械臂維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)體系的建立對(duì)機(jī)械臂維修具有重大意義，后續(xù)空間機(jī)械臂維修可按照特定的體系要求規(guī)范開展實(shí)施。

2 維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系

空間機(jī)械臂維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系，如圖2所示，包括維修性管理、維修性設(shè)計(jì)、維修性驗(yàn)證3個(gè)方面，維修性設(shè)計(jì)是根據(jù)維修性原則，將維修性需求、維修性約束條件轉(zhuǎn)化為維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程。維修性驗(yàn)證是檢驗(yàn)產(chǎn)品是否達(dá)到規(guī)定的維修性要求，通常由設(shè)計(jì)方或設(shè)計(jì)方與使用方聯(lián)合開展。維修性管理將維修性設(shè)計(jì)、驗(yàn)證工作進(jìn)行有機(jī)銜接通過(guò)工程實(shí)施達(dá)到維修性目標(biāo)[9-10]。

2.1 維修性管理

2.1.1 全周期要素分析

空間機(jī)械臂維修需要空間、機(jī)械臂、航天員、載人飛船、貨運(yùn)飛船、地面測(cè)控等密切配合，因此對(duì)機(jī)械臂維修性全周期的要素進(jìn)行詳細(xì)的分析梳理，才能保證航天員的安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低，維修性的可靠性提升。

2.1.2 項(xiàng)目規(guī)劃

空間機(jī)械臂維修性，從機(jī)械臂故障處置，貨船維修備件上行，機(jī)械臂構(gòu)型變換，維修時(shí)機(jī)計(jì)算，航天員出艙維修，故障件帶回等進(jìn)行系統(tǒng)性項(xiàng)目規(guī)劃，理清每個(gè)項(xiàng)目中的工作內(nèi)容和保障條件。

2.1.3 指標(biāo)分配

機(jī)械臂維修性指標(biāo)，主要是指航天員在維修過(guò)程中的可達(dá)性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標(biāo)識(shí)等指標(biāo)。因此在設(shè)計(jì)初期將這些指標(biāo)分配至各個(gè)操作環(huán)節(jié)，逐次進(jìn)行驗(yàn)證,如圖3所示。

2.1.4 設(shè)計(jì)要求

機(jī)械臂維修性設(shè)計(jì)至少需滿足以下要求：

1) 釆用標(biāo)準(zhǔn)的、簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)和外形，維修應(yīng)釆用簡(jiǎn)單明確的操作方式和操作程序。

2) 維修更換件應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，提高互換性和通用化程度，且應(yīng)降低維修更換件種類和數(shù)量。

3) 待維修的機(jī)械臂組件應(yīng)可達(dá)，其標(biāo)識(shí)及顯示信息應(yīng)可視。

4) 根據(jù)航天員維修任務(wù)和操作方式，維修作業(yè)區(qū)域內(nèi)應(yīng)為手部或上肢提供足夠的操作空間。

2.1.5 設(shè)計(jì)評(píng)審

空間機(jī)械臂維修性設(shè)計(jì)評(píng)審，主要包括對(duì)機(jī)械臂維修性規(guī)劃、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)審，保證機(jī)械臂維修性設(shè)計(jì)的有效性，以及整個(gè)維修方案的正確性。

2.2 維修性設(shè)計(jì)

2.2.1 需求分析

空間機(jī)械臂主要ORU為末端執(zhí)行器、關(guān)節(jié)、中央控制器。如果ORU工作期間可靠性低發(fā)生故障，工作期外壽命滿足不了要求，需要視情開展維修工作。如果發(fā)生微流星撞擊等突發(fā)事故，屬于小概率事件，需要根據(jù)發(fā)生的具體情況視情開展維修。

2.2.2 設(shè)計(jì)原則

機(jī)械臂維修由于其復(fù)雜性，需要3名航天員協(xié)同操作，涉及航天員的安全問(wèn)題作為維修性的第一原則。同時(shí)，為確保在軌維修任務(wù)可行、可靠，機(jī)械臂在單個(gè)ORU發(fā)生一次故障時(shí)開展維修；并且優(yōu)先從氣閘艙出艙，維修工作在艙I維修作業(yè)點(diǎn)開展作業(yè)。

2.2.3 策略設(shè)計(jì)

機(jī)械臂維修策略主要分為維修類型、維修級(jí)別、維修層次、維修周期和維修優(yōu)先級(jí)。針對(duì)不同故障件的維修復(fù)雜程度，分析對(duì)應(yīng)的故障模式，采用預(yù)防性維修。機(jī)械臂各產(chǎn)品均為模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，維修級(jí)別為II級(jí)維修，維修層次為整機(jī)級(jí)、組件級(jí)；由于產(chǎn)品出現(xiàn)故障的隨機(jī)性，機(jī)械臂維修周期主要根據(jù)故障情況而定。當(dāng)多個(gè)故障同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品重要程度依次從中央控制器、關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器開展相應(yīng)維修任務(wù)。

2.2.4 總體方案

當(dāng)機(jī)械臂在軌工作時(shí)出現(xiàn)故障，首先應(yīng)依據(jù)故障類別采取相應(yīng)的處置對(duì)策，包括暫時(shí)停止當(dāng)前作業(yè)，進(jìn)行故障定位、分析及處理等，進(jìn)行切換備份，或者降額使用，最后機(jī)械臂協(xié)助航天員出艙開展維修任務(wù)[11-15]。

維修任務(wù)啟動(dòng)后，需要2名航天員出艙、1名航天員艙內(nèi)協(xié)同配合。第1次出艙機(jī)械臂從節(jié)點(diǎn)艙或者氣閘艙出艙口轉(zhuǎn)移2名航天員、維修設(shè)備和工具到維修作業(yè)點(diǎn)，完成維修前的工作搭架；第2次出艙2名航天員到達(dá)維修作業(yè)點(diǎn)，分別站在機(jī)械臂故障件兩側(cè)，對(duì)機(jī)械臂開展故障件的拆卸，以及維修備件的安裝。第3次出艙航天員將故障件帶回，最終完成一次完整的維修任務(wù)。機(jī)械臂維修任務(wù)規(guī)劃如表1所示。

表1 機(jī)械臂維修出艙任務(wù)規(guī)劃

2.2.5 時(shí)間預(yù)估

機(jī)械臂維修工作受出艙時(shí)間的嚴(yán)格約束，需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，否則造成航天員的安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于機(jī)械臂機(jī)械性能下降，視情況開展維修工作，維修時(shí)間取決于系統(tǒng)不受影響可接受時(shí)間。對(duì)于機(jī)械臂電子設(shè)備故障，主份失效，可切至備份，維修時(shí)間沒有限制，若備份失效，或者無(wú)備份設(shè)計(jì)，維修時(shí)間取決于系統(tǒng)不受影響可接受時(shí)間。

2.2.6 接口設(shè)計(jì)

機(jī)械臂維修的主要對(duì)象間主要通過(guò)快速連接裝置進(jìn)行連接。故在機(jī)械臂發(fā)生故障時(shí)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減少維修用專用工裝的種類及數(shù)量，采用基于快速連接裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的思想，將關(guān)節(jié)、末端的更換工裝進(jìn)行統(tǒng)一。在快速連接裝置上設(shè)計(jì)通用的工裝安裝接口，如圖4所示，將專用工裝固定在快速連接裝置上，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂任意構(gòu)型、任意接口的更換。

2.2.7 故障處置

機(jī)械臂故障時(shí)，假設(shè)每次僅發(fā)生單重故障，同時(shí)1個(gè)關(guān)節(jié)故障時(shí)，其他關(guān)節(jié)仍然可以加電轉(zhuǎn)動(dòng)。因此出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)械臂統(tǒng)一進(jìn)行處置，先暫停當(dāng)前作業(yè)，通過(guò)機(jī)械臂ORU維修故障項(xiàng)目快速進(jìn)行故障定位并進(jìn)行診斷，最終切換備份控制器或降額使用，通過(guò)爬行或直接變成預(yù)防性構(gòu)型，開展航天員出艙的維修工作。

2.2.8 工具設(shè)計(jì)

為了輔助航天員拆卸故障部件、安裝新部件，并且在部件維修過(guò)程中，維持機(jī)械臂的整臂姿態(tài)，需要設(shè)計(jì)維修工具。機(jī)械臂維修性工具主要分為專用維修裝置和專用拆卸工具，如圖5所示。

專用維修裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，利用維修接口適用于不同類型ORU，主要分為分離機(jī)構(gòu)和隨動(dòng)機(jī)構(gòu)2大部分，可以實(shí)現(xiàn)故障ORU沿著2個(gè)垂直方向的分離與對(duì)接。專用拆卸工具主要為膨脹螺栓拆卸工具，松不脫拆卸工具。

2.2.9 流程設(shè)計(jì)

由于機(jī)械臂發(fā)生故障時(shí)在空間艙外的位置不確定，故障構(gòu)型不確定，需要航天員攜帶維修設(shè)備出艙，2名航天員出艙在指定維修作業(yè)點(diǎn)占位完成后開展相應(yīng)的維修工作。維修流程如下：

1) 故障檢測(cè)：依據(jù)維修判據(jù)，確認(rèn)故障原因、位置，并進(jìn)行故障處理并決策。

2) 維修準(zhǔn)備：準(zhǔn)備需要的工具、ORU備件、維修操作手冊(cè)等。

3) 航天員出艙：將腳限位器、操作臺(tái)、備件、工具等轉(zhuǎn)移到工作區(qū)域并固定。

4) 控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到維修構(gòu)型。

5) 工作模式設(shè)置：明確故障狀態(tài)，確定故障前的加斷電模式，整臂斷電。

6) 航天員出艙：通過(guò)艙外爬行，運(yùn)動(dòng)到維修工作點(diǎn)。

7) 維修操作步驟：根據(jù)ORU的維修手冊(cè)操作步驟，由航天員開展維修工作。

8) 維修后狀態(tài)設(shè)置：通過(guò)在軌設(shè)置或地面操作進(jìn)行維修后電性能狀態(tài)的確認(rèn)。

9) 航天員返回艙內(nèi)：攜帶更換后的故障設(shè)備、維修工具，返回艙內(nèi)。

2.3 維修性驗(yàn)證

2.3.1 驗(yàn)證規(guī)劃

為驗(yàn)證機(jī)械臂在軌維修方案的正確性、維修流程的合理性、維修裝置的可行性、維修過(guò)程中的人機(jī)工效，獲取維修過(guò)程的重要數(shù)據(jù)，需要對(duì)其開展相應(yīng)的維修性驗(yàn)證規(guī)劃，包括維修性仿真驗(yàn)證、氣浮及懸吊零重力驗(yàn)證、維修性著服驗(yàn)證、中性水槽試驗(yàn)、以及在軌維修性驗(yàn)證，如表2所示。

表2 機(jī)械臂維修性驗(yàn)證規(guī)劃Table 2 Maintainability verification planning of manipulator

2.3.2 驗(yàn)證項(xiàng)目

利用空間三維仿真環(huán)境及人機(jī)工效仿真軟件，控制航天員的運(yùn)動(dòng)范圍和操作動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)維修操作的可視性、可達(dá)性、可操作性、安全性進(jìn)行驗(yàn)證[16-17]，如圖6所示。

2.3.3 零重力驗(yàn)證

利用氣浮工裝及懸吊零重力等方式在地面搭建維修零重力環(huán)境，模擬航天員的人機(jī)工效，按照維修流程開展相應(yīng)的地面維修試驗(yàn)。

2.3.4 著服驗(yàn)證

模擬航天員著服情況下真實(shí)對(duì)機(jī)械臂故障ORU進(jìn)行操作，驗(yàn)證其著服情況下的可達(dá)性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標(biāo)識(shí)等指標(biāo)，如圖7所示。

2.3.5 水下驗(yàn)證

利用中性水槽試驗(yàn)，通過(guò)航天員和航天服實(shí)施配重，產(chǎn)生的浮力抵消航天員在水中的重力，幫助航天員完成機(jī)械臂的維修任務(wù)，保證航天員實(shí)現(xiàn)在空間的零重力狀態(tài)[18]。

2.3.6 在軌驗(yàn)證

由于機(jī)械臂維修的復(fù)雜性，以及寶貴的在軌飛行驗(yàn)證環(huán)境，在軌后組織相關(guān)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，主要針對(duì)機(jī)械臂維修的典型操作、關(guān)鍵環(huán)節(jié)等進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證維修設(shè)計(jì)的正確性。

3 維修性評(píng)價(jià)體系

機(jī)械臂維修性評(píng)價(jià)，是在前期設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的基礎(chǔ)上根據(jù)機(jī)械臂維修流程在地面搭建真實(shí)場(chǎng)景對(duì)維修操作進(jìn)行逐一評(píng)價(jià)，一般由評(píng)價(jià)方和工程方共同組織實(shí)施。

由于機(jī)械臂設(shè)計(jì)復(fù)雜，涉及維修產(chǎn)品較多，影響面較廣，因此空間機(jī)械臂維修性評(píng)價(jià)體系根據(jù)不同評(píng)價(jià)人員主要分為志愿者評(píng)價(jià)、飛行工程師評(píng)價(jià)、航天員評(píng)價(jià)三大部分[19-21]，如圖8所示。

志愿者、飛行工程師、航天員3類評(píng)價(jià)人員依據(jù)產(chǎn)品在軌操作流程在地面開展真實(shí)操作評(píng)價(jià)，通過(guò)提交文檔評(píng)價(jià)、文檔審查、進(jìn)入受理序列、評(píng)價(jià)窗口預(yù)約、產(chǎn)品及現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)、志愿者培訓(xùn)、正式評(píng)價(jià)、評(píng)價(jià)結(jié)論輸出、雙方溝通等環(huán)節(jié)進(jìn)行迭代評(píng)價(jià)。同時(shí)，安排航天員乘組對(duì)機(jī)械臂維修操作項(xiàng)目提前學(xué)習(xí)培訓(xùn)、評(píng)價(jià)或體驗(yàn)，通過(guò)航天員在軌經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械臂維修設(shè)計(jì)的合理性。

4 以某機(jī)械臂中央控制器為例的維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

4.1 在軌維修性設(shè)計(jì)

當(dāng)中央控制器在軌工作時(shí)出現(xiàn)故障，首先停止當(dāng)前作業(yè)，故障定位、分析及處理后進(jìn)行切換備份，最后決策機(jī)械臂協(xié)助航天員3次出艙開展維修任務(wù)，維修出艙的任務(wù)規(guī)劃如圖9所示。

依據(jù)中央控制器出艙任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)的流程設(shè)計(jì)，并對(duì)每步操作進(jìn)行維修性指標(biāo)的分配，比如可達(dá)性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標(biāo)識(shí)等指標(biāo)。利用JACK仿真軟件先進(jìn)行維修構(gòu)型的仿真，再逐個(gè)操作步驟按照不同指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)多輪仿真迭代，確定最終的維修構(gòu)型，以及整個(gè)維修任務(wù)的可行性，如圖10 所示。

4.2 地面維修性評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步驗(yàn)證維修性設(shè)計(jì)的正確性，在地面開展了著艙外服加壓條件下的志愿者、航天員評(píng)價(jià)。針對(duì)中央控制器真實(shí)在軌維修流程，在EVA現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，模擬真實(shí)操作。

利用關(guān)節(jié)、中央控制器模擬件搭建維修場(chǎng)景。航天員站于兩側(cè)完成掛便攜式安全帶、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)、膨脹螺栓擰松/緊、膨脹螺栓擰松/緊、中央控制器分離/對(duì)接、維修裝置安裝拆卸、中央控制器斷電、加電測(cè)試、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試、故障件固定、維修備件取下等操作。評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)整體搭建場(chǎng)景如圖11所示。

某空間機(jī)械臂中央控制器通過(guò)地面維修性評(píng)價(jià)，共計(jì)41大項(xiàng)，根據(jù)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)給出評(píng)價(jià)結(jié)論共計(jì)403項(xiàng)，其中評(píng)價(jià)結(jié)論為合格330項(xiàng)，不合格73項(xiàng)，合格率為81.89%。

具體不合格項(xiàng)指標(biāo)分析，如圖12所示，按照不合項(xiàng)次數(shù)由多到少統(tǒng)計(jì)，依次為操作空間、可達(dá)、操作反饋、標(biāo)識(shí)、防誤、輔助措施、操作力、倒邊、倒角、可視、對(duì)位、防漂離。其中操作空間、可達(dá)性、操作反饋、標(biāo)識(shí)4項(xiàng)指標(biāo)不合格居多，影響最大是操作空間問(wèn)題高達(dá)25項(xiàng)。

目前中央控制器針對(duì)評(píng)價(jià)不合格項(xiàng)已迭代改進(jìn)設(shè)計(jì)，后續(xù)將開展評(píng)價(jià)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)中國(guó)空間機(jī)械臂在軌維修需求的分析，為保證空間在軌可靠運(yùn)行，開展空間機(jī)械臂維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)工作。根據(jù)工程實(shí)踐總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，建立了機(jī)械臂“設(shè)計(jì)-驗(yàn)證-設(shè)計(jì)-評(píng)價(jià)”全周期系統(tǒng)性的維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)體系，對(duì)空間機(jī)械臂維修性系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系、維修性評(píng)價(jià)體系分別展開了系統(tǒng)研究，為后續(xù)空間機(jī)械臂維修性的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)提供了體系借鑒和工程指導(dǎo)。