楊 強，周青華

（四川大學(xué) 空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，以空間機械臂為載體的在軌服務(wù)等技術(shù)成為了航天領(lǐng)域研究熱點之一[1，2]。然而傳統(tǒng)的剛體機械臂由于體積大、靈活度低、工作空間小，難以滿足日益復(fù)雜的空間環(huán)境作業(yè)任務(wù)需求[2]。繩驅(qū)超冗余機械臂是指具有狹長外形、自支撐能力并具有大量自由度的一類依靠繩索傳動的機械臂。與傳統(tǒng)剛體機械臂相比，繩驅(qū)超冗余機械臂具有狹長靈活、工作空間大等特點[3]，因而逐漸成為未來復(fù)雜航天任務(wù)需求的重要潛在工具[4]。

繩驅(qū)超冗余機械臂根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可以分為兩種類型：連續(xù)型脊柱和剛性連桿脊柱[5]。Kim 等[6]首次提到了具有連續(xù)型脊柱的繩驅(qū)超冗余機械臂，將它定義為一種關(guān)節(jié)數(shù)量接近無窮且連桿長度趨于零的機械臂。Yeshmukhametov 等[7]提出了一種具有被動預(yù)緊機構(gòu)的繩驅(qū)機械臂，避免了由于繩索張力變化致使機械臂運動失穩(wěn)的問題。同連續(xù)型脊柱類機械臂不同，具有剛性連桿脊柱的繩驅(qū)超冗余機械臂使用一定的剛性連桿和運動關(guān)節(jié)相互串聯(lián)以實現(xiàn)近似的連續(xù)性[8]。英國OC Robotics 公司成功地將該種類型機械臂應(yīng)用于核反應(yīng)堆的檢查和原位修復(fù)[9]。Liu 等[10]提出了一種繩索主動驅(qū)動-被動聯(lián)動分段的機械臂，其主要由10 個剛性連桿和運動關(guān)節(jié)構(gòu)成，在保證機械臂骨干曲線曲率連續(xù)的情況下，提升了繩驅(qū)機械臂的剛度和負載能力。但是在實際工程應(yīng)用中，無論哪一種類型的繩驅(qū)機械臂都面臨一個共性問題，即繩索在驅(qū)動傳動過程中和穿線孔的摩擦導(dǎo)致傳動效率低，并進一步影響機械臂運動精度[11]。

針對目前繩驅(qū)超冗余機械臂在運動過程中的繩索傳動摩擦問題，提出一種具有低摩擦特性的繩驅(qū)超冗余機械臂新型結(jié)構(gòu)。通過機械臂驅(qū)動基座和關(guān)節(jié)的設(shè)計優(yōu)化，降低繩索和穿線孔間的摩擦力，提高機械臂的運動精度和傳動效率。并且搭建實驗平臺進行繩驅(qū)超冗余機械臂繩索傳動摩擦磨損實驗研究，分析繩索在傳動過程中摩擦磨損規(guī)律。進一步搭建機械臂樣機進行整機實驗驗證分析，驗證優(yōu)化設(shè)計的合理性。

1 繩驅(qū)超冗余機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

繩驅(qū)超冗余機械臂整體結(jié)構(gòu)主要由關(guān)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)和基座驅(qū)動機構(gòu)兩部分組成，如圖1 所示。機械臂驅(qū)動繩索從基座箱體內(nèi)部穿出，依次通過執(zhí)行機構(gòu)關(guān)節(jié)穿線孔并固定。以滾珠絲桿為核心的傳動模塊通過對繩索的拉扯和釋放完成關(guān)節(jié)彎曲等動作，從而實現(xiàn)機械臂在空間中的操控。

圖1 繩驅(qū)超冗余機械臂結(jié)構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)可以看作由6 個運動關(guān)節(jié)通過中空連桿依次串聯(lián)組成的擁有12 個自由度的機械臂，主要包括中空連桿、布線圓盤和運動關(guān)節(jié)，其中每個運動關(guān)節(jié)具有俯仰和偏轉(zhuǎn)2 個正交自由度。驅(qū)動繩索由于其柔性特征只能傳遞拉力，因此單個運動關(guān)節(jié)至少需要3 根繩索才能實現(xiàn)在三維空間的任意方向運動，并且3 根繩索間呈120°均布穿過關(guān)節(jié)一端布線圓盤，固定于下一關(guān)節(jié)相鄰布線圓盤。

驅(qū)動機構(gòu)主要由電機、驅(qū)動器和傳動模塊組成。驅(qū)動繩索的拉扯和釋放通過傳動模塊實現(xiàn)，各驅(qū)動繩索與對應(yīng)傳動模塊上滑塊固連。為了檢測驅(qū)動繩索驅(qū)動力，每個傳動模塊上布置有拉力傳感器。同時拉力傳感器還可以檢測機械臂在初始位置時繩索的初始張力，由此調(diào)整控制程序中電機的旋轉(zhuǎn)位移，以優(yōu)化繩索初始張力對機械臂運動精度的影響。

1.2 繩索傳動減磨優(yōu)化設(shè)計

繩索在傳動過程中摩擦磨損主要集中在兩個區(qū)域：繩索和機械臂關(guān)節(jié)布線圓盤穿線孔之間接觸區(qū)以及繩索和機械臂基座穿線孔之間接觸區(qū)。對于第一類區(qū)域，提出在關(guān)節(jié)布線圓盤穿線孔處布置直線軸承，如圖2（a）所示。直線軸承改變了繩索和布線圓盤穿線孔間摩擦方式，由原來的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因此預(yù)期可極大降低摩擦力。對于繩索和機械臂基座穿線孔間的摩擦區(qū)域，提出在驅(qū)動基座上布置滑輪組對繩索穿離基座時進行導(dǎo)向，并平行引導(dǎo)至關(guān)節(jié)的布線圓盤處，如圖2（b）所示。改進后的結(jié)構(gòu)由于滑輪組導(dǎo)向作用使得繩索是平行穿離基座的，一方面可以降低繩索和滑塊間傾覆力矩從而提高絲桿運動穩(wěn)定性，另一方面可以降低繩索和基座間摩擦力。

圖2 機械臂減磨設(shè)計結(jié)構(gòu)

2 繩驅(qū)超冗余機械臂摩擦磨損實驗研究

2.1 繩索傳動摩擦磨損試驗機

繩索傳動摩擦磨損試驗機主要由往復(fù)運動試驗平臺和加載模塊兩部分組成，如圖3 所示。其中加載模塊（借助布魯克UMT TriboLab 多功能摩擦磨損試驗機）主要功能是提供豎直加載力和測量切向力，往復(fù)運動實驗平臺是根據(jù)實驗要求自主設(shè)計搭建的繩索往復(fù)運動機構(gòu)。

圖3 繩索傳動摩擦磨損試驗機

2.2 繩索傳動摩擦磨損試驗方法

實驗中繩索往復(fù)運動機構(gòu)在多功能摩擦磨損試驗機中的安裝布局如圖4 所示。首先在往復(fù)運動機構(gòu)上固定安裝好鋼絲繩，然后通過UMT TriboLab 多功能摩擦磨損試驗機加載模塊進行法向加載，利用其自帶二維力傳感器測試鋼絲繩與對摩副往復(fù)摩擦過程中的法向加載力與切向力，并計算出相應(yīng)摩擦系數(shù)。

圖4 往復(fù)運動試驗平臺

2.3 繩索傳動摩擦磨損試驗結(jié)果分析

機械臂驅(qū)動繩索選用304 材質(zhì)鋼絲繩，利用繩驅(qū)超冗余機械臂進行繩索張力測試。經(jīng)測試，在末端2 kg 負載作用下，繩索傳動初始拉力為100 N 時，機械臂的負載和剛度處于較為理想狀態(tài)。首先開展滑輪和鋼絲繩之間摩擦磨損實驗，驗證繩索和基座穿線孔間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性。鋼絲繩張力控制在100 N，通過UMT TriboLab 多功能摩擦磨損試驗機控制加載模塊壓入不同角度（選取了10°和15°）模擬鋼絲繩（直徑2 mm）實際服役過程中發(fā)生彎曲的狀態(tài)。往復(fù)運動試驗機構(gòu)線速度V＝8 mm/s，單向運動位移20 mm，實驗往復(fù)次數(shù)1200 次。

測試得到的滑輪和鋼絲繩在不同壓入角作用下的摩擦系數(shù)變化如圖5 所示。與優(yōu)化前鋼絲繩與基座線孔直接接觸摩擦相比，由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，將繩-孔間偏向滑動接觸變?yōu)橹本€平行滾動接觸，摩擦系數(shù)得到極大的改善。穩(wěn)定摩擦系數(shù)由優(yōu)化前的0.4592 分別降至0.09（10°壓入角）、0.06（15°壓入角）。

鋼絲繩表面磨損后的輪廓如圖6 所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的設(shè)計，鋼絲繩磨損較為顯著，表面有明顯磨平現(xiàn)象。采用滑輪與鋼絲繩的滾動摩擦優(yōu)化設(shè)計后，不論在10°還是15°壓入角作用下，相較未磨損前表面磨損都比較小，大致只有優(yōu)化前結(jié)構(gòu)磨損量的一半左右。

圖6 滑輪減磨結(jié)構(gòu)下鋼絲繩磨損量

同樣針對繩索和布線圓盤穿線孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，開展直線軸承和鋼絲繩之間摩擦磨損實驗。測得的直線軸承和鋼絲繩在不同壓入角下的摩擦系數(shù)變化如圖7 所示。與滑輪方案類似，由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，將滑動接觸方式變?yōu)闈L動接觸，摩擦系數(shù)相比于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)同樣得到極大改善（遠小于0.4557），穩(wěn)定摩擦系數(shù)分別降至為0.08（10°壓入角）、0.09（15°壓入角）。進一步可以得到鋼絲繩表面磨損輪廓曲線（圖8），同樣證實繩索和布線圓盤穿線孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可以起到明顯的減摩效果。

圖7 軸承和鋼絲繩間摩擦系數(shù)

圖8 軸承結(jié)構(gòu)減磨下鋼絲繩摩損量

綜合鋼絲繩與滑輪及直線軸承兩種情況的摩擦磨損實驗可以看出，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在驅(qū)動端實現(xiàn)鋼絲繩直線滾動出線，在執(zhí)行端關(guān)節(jié)上實現(xiàn)滾動接觸，可以有效降低繩索傳動摩擦系數(shù)和磨損量，由此可提升繩索傳動效率及服役壽命。

3 繩驅(qū)超冗余機械臂樣機實驗

基于前文結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計研制出具有低摩擦特性的繩驅(qū)超冗余機械臂實驗樣機，主要可以劃分為執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制器三個模塊。如圖9 所示，利用樣機開展了多關(guān)節(jié)重復(fù)運動實驗，實驗過程中，機械臂多關(guān)節(jié)協(xié)同運動性好，執(zhí)行端彎曲特性良好。經(jīng)500 次重復(fù)運動，各關(guān)節(jié)鋼絲繩運行正常，且表面無明顯磨損，如圖10 所示。實驗結(jié)果表明機械臂系統(tǒng)關(guān)節(jié)運動能力正常，同時再次證實了所提減磨優(yōu)化設(shè)計的合理性。

圖10 繩驅(qū)超冗余機械臂樣機實驗各關(guān)節(jié)磨損表面形貌

4 結(jié)語

設(shè)計的一種6 關(guān)節(jié)12 自由度繩驅(qū)超冗余機械臂，提出的機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以降低繩索傳動過程中摩擦力進而提高機械臂整體性能。設(shè)計了機械臂繩索傳動摩擦磨損試驗機，實驗證實結(jié)構(gòu)優(yōu)化后繩索傳動摩擦系數(shù)和磨損量得到顯著改善。研制出具有低摩擦特性的繩驅(qū)超冗余機械臂樣機，開展了多關(guān)節(jié)重復(fù)運動實驗。實驗過程中機械臂系統(tǒng)關(guān)節(jié)運動能力正常，進一步驗證了所提減磨優(yōu)化設(shè)計的合理性。