曾 磊,陳 明,孫 康,金 儼,朱 超,張昕蕊,劉 賓,熊明華

(空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應用北京市重點實驗室,北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

1 引言

空間機構(gòu)系統(tǒng)復雜,所處環(huán)境為微重力環(huán)境,并要求其具有高壽命、高可靠性。因此,在地面階段需要制定產(chǎn)品裝配及測試方案,模擬在軌真實狀態(tài),對產(chǎn)品裝配精度、內(nèi)應力等進行嚴格控制,充分模擬在軌失重狀態(tài),避免因上述問題造成系統(tǒng)功能及性能測試結(jié)果失真或產(chǎn)品受損[1]。

空間機械臂作為中國空間站建造、運營、維修及拓展等過程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一,研制成本高昂,難度和風險巨大,為保證在軌工作的可靠性,必須在地面階段充分模擬在軌工作狀態(tài),減小外界干擾,保證測量結(jié)果的有效性[2-4]。

空間機械臂產(chǎn)品傳動環(huán)節(jié)機構(gòu)緊湊,各組成單機質(zhì)量大、精度高、運動范圍大。傳統(tǒng)的氣球吊掛、桁架等均無法滿足實際需求,且關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器等產(chǎn)品內(nèi)部串聯(lián)有位置及力/力矩傳感器,以檢測產(chǎn)品位置及力/力矩狀態(tài),其受外界干擾測試結(jié)果變化明顯,額外的裝配附加應力會導致運動部件自身的力傳感器數(shù)據(jù)失真,性能測試結(jié)果畸變,嚴重時會導致測試結(jié)果失效甚至產(chǎn)品受損。如何在地面模擬在軌產(chǎn)品微重力狀態(tài),抵消重力對產(chǎn)品功能及性能影響極為關(guān)鍵。

相對傳統(tǒng)的剛性裝配,航天中柔性裝配技術(shù)越來越受到重視。在機構(gòu)產(chǎn)品及航天器裝配過程中可采取主動柔順及被動柔順2 種方式,其中被動柔順采用彈性機構(gòu),主動柔順采用力/力矩反饋等方式,實時監(jiān)測并反饋受力狀態(tài),實現(xiàn)部件的無應力裝配[5-8]。

傳統(tǒng)的懸掛方法存在很多外加干擾且精度有限,水浮法維護費用較高且流體阻尼影響被測對象的運動性能,常規(guī)氣浮式仿真系統(tǒng)只能提供兩維空間的運動模型。本文提出了一種基于氣浮平臺的空間7 自由度機械臂地面無應力裝配方法,實現(xiàn)了三維空間中7 個關(guān)節(jié)運動的無應力狀態(tài)裝配,對各組成單機采取獨立安裝及受力監(jiān)測,利用氣足懸浮+懸吊的方法實現(xiàn)空間機械臂無應力狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)的懸掛法、氣浮法[9],該方法抗外界干擾能力強,精度高,運動范圍廣,經(jīng)測試驗證有效。本文從裝配系統(tǒng)的設(shè)計、實施和試驗等方面,對裝配方法進行了說明。

2 系統(tǒng)設(shè)計

中國空間站大型機械臂具有7 個自由度,臂長約10 m,如圖1 所示,主要包括7 個關(guān)節(jié)、2 根臂桿、1 個中央控制器、2 套末端執(zhí)行器以及一套視覺相機系統(tǒng),所有關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)的配置采用肩3+肘1+腕3(簡稱3+1+3 構(gòu)型)構(gòu)型方案。

圖1 空間機械臂構(gòu)型Fig.1 Configuration of space manipulator

該裝配系統(tǒng)利用氣懸浮原理抵消重力,在氣浮支撐工裝與氣浮平臺平面之間形成一層極薄的氣膜,使各運動組分浮起,實現(xiàn)在氣浮臺上低摩擦運動。該方法通過懸吊和配重實現(xiàn)轉(zhuǎn)動自由度和鉛垂自由度的零重力模擬,最終在氣浮平臺上實現(xiàn)了機械臂的無應力裝配。

根據(jù)機械臂3+1+3 構(gòu)型,將機械臂從布局上切分為肩部、肘部、腕部3 個獨立運動區(qū)域,且對3 個獨立運動區(qū)域根據(jù)裝配及試驗需要選擇其中至少1 個作為固定端,其余部分作為活動端,以實現(xiàn)運動測試需求;此外,將俯仰運動設(shè)置在水平二維平面內(nèi)完成,以實現(xiàn)機械臂的大范圍運動。結(jié)合機械臂地面試驗構(gòu)型以及艙上收攏壓緊構(gòu)型,將機械臂分成了4 個獨立運動組分(鑒于肩部運動區(qū)域運動空間局促,對肩部運動區(qū)域再切分),如圖2 所示,包括:肩部轉(zhuǎn)動組分、肩部平動組分、肘部平動組分、腕部運動組分[10-12],此外,還有臂桿氣浮支撐部分。各組分運動相對獨立,便于開展工裝獨立設(shè)計。

圖2 空間機械臂裝配系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of space manipulator assembly system

氣浮支撐裝置分為4 部分:肩部轉(zhuǎn)動、肩部平動組分支撐工裝,肘部平動、腕部運動組分支撐工裝,此外還有臂桿支撐部分工裝。針對每個組分分別進行氣浮支撐裝置設(shè)計,確保每組分均可實現(xiàn)微重力受力狀態(tài)。在氣浮支撐工裝與各單機連接環(huán)節(jié)之間設(shè)計力傳感器,用以檢測單機受力,實現(xiàn)各組分間的柔性裝配。

支撐工裝采取氣浮及懸吊方式,通過氣浮力/懸吊拉力抵消重力影響。經(jīng)分析比較,采取多孔質(zhì)氣足設(shè)計,相比傳統(tǒng)的小孔節(jié)流氣足以及表面節(jié)流氣足等方式,氣足表面壓力分布均勻,物體懸浮更加穩(wěn)定[13-14],而且使得應力集中等問題大為緩解,并提高了承載能力以及氣足過縫能力。

裝配時,首先完成各組分的獨立裝配,然后進行各組分的連接,在組分內(nèi)產(chǎn)品對接及各組分連接前后均進行產(chǎn)品受力變化監(jiān)測及調(diào)整,確保產(chǎn)品不受裝配應力影響,實現(xiàn)無應力裝配;對各運動關(guān)節(jié),還需進行許用角度范圍內(nèi)的運動測試,確認并調(diào)節(jié)產(chǎn)品的平衡狀態(tài)。

2.1 肩部轉(zhuǎn)動組分支撐工裝

肩部轉(zhuǎn)動組分支撐工裝圖3)用于實現(xiàn)肩部末端執(zhí)行器和肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的柔性裝配;支持肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶動肩部末端執(zhí)行器進行大范圍轉(zhuǎn)動;支持組合體繞肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定軸軸線(即肩部偏航關(guān)節(jié)動軸軸線)的轉(zhuǎn)動。裝配時,將肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及肩部末端執(zhí)行器組合體與回轉(zhuǎn)部分工裝整體調(diào)整為靜平衡狀態(tài),即組合體可繞回轉(zhuǎn)軸隨遇停止。

圖3 肩部轉(zhuǎn)動組分支撐工裝圖Fig.3 The component brace tool for shoulder rolling movement

肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與肩部末端執(zhí)行器均設(shè)有獨立的姿態(tài)調(diào)整環(huán)節(jié)及力傳感器監(jiān)測環(huán)節(jié),以實現(xiàn)柔性裝配。肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過圖 4 所示進行產(chǎn)品位姿微調(diào),實現(xiàn)產(chǎn)品多自由度的位姿調(diào)節(jié);肩部末端執(zhí)行器通過圖 5 所示進行產(chǎn)品位姿調(diào)整。肩部末端執(zhí)行器通過滾動環(huán)下壓在滾輪上,實現(xiàn)末端繞軸線轉(zhuǎn)動。2 臺產(chǎn)品底部各設(shè)置有4 個壓力傳感器,可實現(xiàn)產(chǎn)品裝配后的受力狀態(tài)監(jiān)測;分別針對單機對接前后的受力狀態(tài)進行比對及調(diào)整,實現(xiàn)產(chǎn)品受力的監(jiān)測及柔性調(diào)節(jié),確保對接前后受力變化不超過許用量值。

圖4 肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.4 The adjust mechanism of shoulder roll joint

圖5 肩部末端執(zhí)行器位姿調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.5 The adjust mechanism of shoulder end effector

2.2 肩部平動組分支撐工裝

肩部平動組分支撐工裝用于實現(xiàn)肩部偏航關(guān)節(jié)以及肩部俯仰關(guān)節(jié)的柔性裝配。首先將肩部偏航關(guān)節(jié)托架降至最低位置,將肩部偏航關(guān)節(jié)安裝在如圖 6 所示的關(guān)節(jié)托架上,通過4組關(guān)節(jié)支架、力傳感器以及微調(diào)支架將關(guān)節(jié)與底部支架固連;將肩部俯仰關(guān)節(jié)與吊板及轉(zhuǎn)動軸承連接,并調(diào)節(jié)肩部俯仰關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動軸承、肩部偏航關(guān)節(jié)同軸,將肩部偏航關(guān)節(jié)升起與肩部俯仰關(guān)節(jié)對接。

圖6 肩部平動組分支撐工裝圖Fig.6 The component brace tool for shoulder movement

肩部偏航關(guān)節(jié)下方設(shè)有4 個獨立的壓力傳感器,同時考慮肩部偏航關(guān)節(jié)與肩部俯仰關(guān)節(jié)的對接行程,偏航關(guān)節(jié)連接工裝高度可調(diào),利用多組雙螺旋螺桿實現(xiàn)產(chǎn)品整體高度調(diào)節(jié),如圖 7 所示。肩部俯仰關(guān)節(jié)通過4 組拉力傳感器與吊板連接,吊板中心設(shè)計有轉(zhuǎn)動軸承,通過接口零件的位置調(diào)整,實現(xiàn)產(chǎn)品回轉(zhuǎn)軸線與軸承軸線的同軸,如圖8 所示。完成同軸調(diào)節(jié)后,肩部偏航關(guān)節(jié)上升,與肩部俯仰關(guān)節(jié)對接。

圖7 肩部偏航關(guān)節(jié)調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.7 The adjust mechanism of shoulder yaw joint

圖8 肩部俯仰關(guān)節(jié)調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.8 The adjust mechanism of shoulder pitch joint

2.3 肘部平動組分支撐工裝

肘部平動組分支撐工裝用于實現(xiàn)肘部俯仰關(guān)節(jié)和中央控制器的柔性裝配。肘部平動組分原理與肩部平動組分相似,如圖 9 所示,采用高度方向?qū)臃绞竭M行裝配,通過如圖 10所示的中央控制器高度升降調(diào)整環(huán)節(jié)進行對接調(diào)整;與肩部平動組分支撐工裝不同的是,中央控制外表面電纜布局及走線復雜,回轉(zhuǎn)包絡較大,故未采用吊板設(shè)計形式,而是采取2層氣浮盤氣浮支撐的方式實現(xiàn)對中央控制器零重力狀態(tài),下層氣浮盤供氣將上層氣浮盤連同中央控制器浮起。這既能保證對中央控制器的重力抵消,又能實現(xiàn)肘部俯仰關(guān)節(jié)與中央控制器之間相對轉(zhuǎn)動時無摩擦。

圖9 肘部平動支撐工裝圖Fig. 9 The component brace tool for elbow movement

圖10 肘部平動支撐工裝調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.10 The adjust mechanism of elbow movement component

肘部俯仰關(guān)節(jié)下方同樣設(shè)計有4 處力傳感器監(jiān)測環(huán)節(jié)以及位姿調(diào)整環(huán)節(jié)。對中央控制器氣浮盤采取分體式拼裝形式,避免與產(chǎn)品的裝配干涉;同時氣浮盤下方設(shè)置可升降螺桿,實現(xiàn)中央控制器高度調(diào)節(jié),并完成肘部俯仰關(guān)節(jié)的對接。

2.4 腕部運動組分支撐工裝

腕部運動組分支撐工裝用于實現(xiàn)腕部俯仰關(guān)節(jié)、腕部偏航關(guān)節(jié)、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與腕部末端執(zhí)行器的柔性裝配。如圖 11 所示,裝配時,腕部俯仰關(guān)節(jié)、腕部偏航關(guān)節(jié)裝配原理與肩部平動組分相似;對腕部末端執(zhí)行器與腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)先分別采用平行四邊形相似吊架機構(gòu)進行懸吊安裝,再進行二者對接裝配;最后再將上述組合體對接。腕部俯仰關(guān)節(jié)通過關(guān)節(jié)連接支架、力傳感器等與底部托板固連;腕部偏航關(guān)節(jié)通過懸吊架抵消其重力,吊點上部連接有力傳感器,實時監(jiān)測關(guān)節(jié)運動過程中的受力狀態(tài);腕部末端、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)跟隨腕部偏航關(guān)節(jié)繞腕部俯仰關(guān)節(jié)軸線共同回轉(zhuǎn),自身調(diào)整為靜平衡狀態(tài)。

圖11 腕部運動支撐工裝圖Fig.11 The component brace tool for wrist movement

腕部運動組分為機械臂軸線高度最高處,綜合考慮裝配及壓緊構(gòu)型,產(chǎn)品下方壓緊面一側(cè)接口不可占用,故采取氣浮+懸吊方式實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配,對于腕部俯仰關(guān)節(jié),仍采取四點支撐方式進行安裝固定。產(chǎn)品下方設(shè)置4 個力傳感器;對于腕部偏航關(guān)節(jié),采取單軸懸吊方式進行安裝,其懸吊回轉(zhuǎn)軸與上方搖臂軸線、底部肩部俯仰關(guān)節(jié)軸線進行同軸調(diào)整,并預留對接高度行程,便于與腕部俯仰關(guān)節(jié)對接;對腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及腕部末端執(zhí)行器,分別與對應的相似吊架安裝并進行靜平衡調(diào)節(jié)后進行產(chǎn)品對接,并整體與腕部偏航關(guān)節(jié)連接,在氣浮工裝上配置活動配重,與該部分重力匹配,消除重力影響。

2.5 位姿調(diào)整原理

以肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)節(jié)為例對調(diào)節(jié)方法及原理進行說明,肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖 12所示,調(diào)節(jié)原理圖如圖 13 所示。調(diào)節(jié)機構(gòu)包括4組水平微調(diào)機構(gòu)和4 組高度微調(diào)機構(gòu),依次對各處進行編號區(qū)分;4 個高度微調(diào)機構(gòu)分布在水平微調(diào)機構(gòu)的底部。其中水平微調(diào)機構(gòu)包括3 個雙螺紋調(diào)節(jié)螺桿、壓力傳感器、滾珠托板、滾珠保持架、滾珠和滾動滑板。通過雙螺紋調(diào)節(jié)螺桿可以將滾動滑板進行高度調(diào)節(jié),同時滾動滑板在滾珠上能夠自由低摩擦移動,以適應肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的水平面內(nèi)低摩擦移動調(diào)節(jié)。

圖12 肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)節(jié)機構(gòu)組成圖Fig.12 The composition of shoulder roll joint adjustment mechanism

圖13 肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)節(jié)原理圖Fig.13 The schematic design of shoulder roll joint adjustment

4 組水平微調(diào)機構(gòu)實現(xiàn)肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在x軸方向的位移調(diào)整及繞z軸的偏航角度調(diào)整;4個高度微調(diào)機構(gòu)同時或差動上升/下降,可實現(xiàn)對所需要裝配的零部件在高度z方向上的位移調(diào)整,以及繞x軸的滾轉(zhuǎn)角度、繞y軸的俯仰角度調(diào)整;調(diào)節(jié)機構(gòu)可實現(xiàn)位置調(diào)節(jié)精度達到0. 2 mm,姿態(tài)調(diào)節(jié)精度達2＇,通過該調(diào)節(jié)方法可實現(xiàn)運動部件的精密調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度高,使所需要裝配的零部件與被裝配零部件的接口對準,通過裝配前后力傳感器的變化控制,實現(xiàn)無應力裝配。此外,通過氣足支撐部位螺桿的整體升降,以實現(xiàn)產(chǎn)品的大行程高度調(diào)節(jié)。

2.6 零重力補償精度分析

影響補償精度的誤差主要來自2 個方面:①力傳感器自身測量誤差;②氣浮平臺水平度誤差。力傳感器測量精度為滿量程的0.05%,氣浮平臺采取T 字形拼接方式,最大限度減小拼縫,且每塊獨立臺面均設(shè)有獨立支撐調(diào)節(jié)機構(gòu)進行微調(diào),實現(xiàn)水平度優(yōu)于3″,設(shè)關(guān)節(jié)質(zhì)量為m,補償精度為ε,質(zhì)量最大單機底部由4 個60 kg 量程的力敏感器支撐測量,誤差源多,量程大此處誤差為最大值,有如式(1)所示計算結(jié)果:

結(jié)果求得ε=99.74%。分析結(jié)果顯示零重力補償精度滿足1±5%指標要求。根據(jù)實踐經(jīng)驗,對摩擦的影響預留了1%,對產(chǎn)品剛度的影響預留1%,因此,綜合評估零重力補償精度約為97.7%。

3 地面裝配實施

基于裝配系統(tǒng)開展了空間機械臂的氣浮臺上組裝,先后進行了單組分裝配、單機運動測試、多組分對接與運動測試。

3.1 裝配流程

空間機械臂總裝先按照組件的形式,將各單機及其上安裝的組件裝配成組合體,然后再按照從肩部到腕部的順序開展裝配;裝配工作在氣浮平臺上進行,借助氣浮零重力裝置,采用從肩部到腕部裝配的順序進行?？傃b原則如下:

1)借助氣浮零重力裝置,從肩部開始,順次安裝到腕部;

2)零重力裝置的組裝順序應與機械臂的裝配流程密切配合,以保證機械臂的裝配精度;

3)末端執(zhí)行器與腕部相機以組合體的形式安裝到氣浮支撐工裝上;

4)中央控制器、肘部相機、以太網(wǎng)交換機以組合體的形式安裝到氣浮支撐工裝上;

5)氣浮零重力裝置上安裝力傳感器,在機械臂各部件裝配前后進行對比和監(jiān)控,實現(xiàn)機械臂的無應力裝配;

6)機械臂裝配過程與精測密切配合,保證最終的裝配精度。

3.2 裝配調(diào)整原則

相鄰有裝配關(guān)系的單機以力控制為主、位置控制為輔策略進行調(diào)試,裝配完成后,通過快速連接組件連接的各單機(臂桿組件除外)相互之間不得存在大于30 N 的相互作用力。通過裝配前后傳感器數(shù)據(jù)變化進行監(jiān)測,包括:

1)裝配對接前產(chǎn)品精測,滿足高度及姿態(tài)偏差要求,并記錄產(chǎn)品各力傳感器數(shù)據(jù);

2)產(chǎn)品間對接裝配,記錄對接后各力傳感器數(shù)據(jù);

3)觀測各力傳感器數(shù)據(jù)變化,判斷需要調(diào)整的產(chǎn)品自由度;

4)根據(jù)圖13 所示原理進行相應位姿調(diào)節(jié),直至力傳感器數(shù)據(jù)變化滿足要求;

5)再次精測對接后產(chǎn)品的位姿,開展下一組分的對接裝配。

此外,還需注意:①對于質(zhì)量較大的單機,提前開展質(zhì)量特性測試,確認質(zhì)心位置分布,以便開展質(zhì)心配置調(diào)節(jié);②對于參與靜平衡調(diào)節(jié)的工裝配件,提前進行稱重,修正模型后,在模型中先進行靜平衡配平模擬仿真,再進行實物迭代;③對于氣浮平面,定期進行標定檢查,避免由于臺面的不平造成試驗結(jié)果的失真。

3.3 裝配精測方法

各部件進行裝配前,需將產(chǎn)品基準引出,便于后續(xù)裝配及測試過程中復現(xiàn)。對于關(guān)節(jié),其具有固定端靜軸線與輸出端動軸線,均需標定,精測方法如下:

1)各部組件裝配前,完成靜軸線標定。選取提前預留的固定端外圓柱面粘貼精測靶點,利用精測設(shè)備測量各精測靶點實際坐標,并將各精測靶點投影至固定端端面處,擬合各投影點圓心,過圓心的法線即為該部組件的靜軸線;記錄各精測靶點與靜軸線的對應恢復關(guān)系。

2)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)在裝配前,完成動軸線標定。在輸出軸端面處粘貼精測靶點,驅(qū)動關(guān)節(jié)繞自身動輸出軸轉(zhuǎn)動,每隔指定角度暫停,利用精測設(shè)備測量靶點坐標。關(guān)機完成整周轉(zhuǎn)動后,利用全部測點擬合平面和圓心,從圓心位置引出面的法線即是動軸線;記錄各精測靶點與動軸線的對應恢復關(guān)系。

3)裝配過程中,通過測量正在裝配的部組件精測靶點坐標復現(xiàn)各軸線空間位姿,來計算相應部組件之間位置關(guān)系和相對于裝配基準的參數(shù),并且反饋和指導裝配過程的操作。

4)裝配完成后,通過測量所有部組件靶點復現(xiàn)各軸線空間位姿,來計算各個部組件的坐標系,從而完成D-H參數(shù)的計算。

3.4 裝配實施控制結(jié)果

機械臂部組件數(shù)量較多,相鄰組件之間均具有較高的精度要求,包括高度差、軸線夾角等;此外裝配過程中還需要滿足減載效率要求,保證各單機之間不受較大的相互作用力,造成應力損傷等。

對單機初始裝配狀態(tài)、整臂裝配完成后以及氣浮臺上運動測試狀態(tài)的重力抵消情況進行整理,裝配完成后狀態(tài)如圖 14 所示,運動過程力傳感器數(shù)據(jù)如表 1 所示。通過對比,重力抵消偏差優(yōu)于5%。通過結(jié)果可以看出,通過控制裝配過程中的裝配應力狀態(tài),實現(xiàn)了空間站機械臂氣浮臺上運動測試全過程的各單機受力的精確控制,減小了機械臂運動測試過程的裝配應力干擾。

圖14 機械臂裝配完成狀態(tài)圖Fig. 14 The status of space manipulator assembly completion

表1 空間機械臂裝配系統(tǒng)對各關(guān)節(jié)重力補償精度比對Table 1 The summary of sensor data in space manipulator monitoring system

4 裝配性能驗證

機械臂組裝后狀態(tài)如圖 15 所示。在氣浮臺上開展了機械臂運動試驗驗證,包括單關(guān)節(jié)運動測試、多關(guān)節(jié)聯(lián)動測試,以及機械臂多模式運動測試、多任務試驗測試等。試驗結(jié)果表明,機械臂運動平穩(wěn),各傳感器顯示受力狀態(tài)正常,重力抵消偏差優(yōu)于5%;對地面試驗數(shù)據(jù)與在軌實測數(shù)據(jù)比對,各傳感器數(shù)據(jù)吻合,一致性較好。

圖15 機械臂三維運動試驗狀態(tài)圖Fig. 15 The status of space manipulator three-dimensional movement

該裝配系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)大范圍平穩(wěn)運動,以空間機械臂爬行試驗過程為例,試驗過程中關(guān)節(jié)運動平穩(wěn)順暢,角度曲線波動較小,試驗運行良好,如圖 16 所示。

圖16 機械臂爬行試驗各關(guān)節(jié)角度Fig. 16 The angles of space manipulator joints in climbing test

5 結(jié)論

本文提出了一種空間機械臂地面無應力裝配方法,將機械臂按照構(gòu)型及自由度劃分為4 個獨立運動部分,通過氣浮支撐裝置的合理設(shè)計,支持空間多自由度機械臂各運動關(guān)節(jié)的大范圍運動,且可實現(xiàn)機械臂的收攏折疊狀態(tài),可為我國后續(xù)空間多自由度回轉(zhuǎn)機構(gòu)的地面裝配提供參考借鑒。該裝配系統(tǒng)具有以下特點:

1)基于多點支撐力反饋的裝配方法,通過對活動部件設(shè)計力傳感器,實施監(jiān)視各活動部件的受力狀態(tài),根據(jù)對接前后力傳感器測量的支持力的變化,判斷裝配接口之間的相互作用力;

2)通過對裝配流程的分解,解耦了各運動關(guān)節(jié)的相互關(guān)聯(lián),實現(xiàn)了小組分的功能及運動分解,以及最后整臂的全部對接,實現(xiàn)了多自由度機械臂運動的獨立切分;

3)該系統(tǒng)卸載效率高、支撐關(guān)節(jié)大范圍轉(zhuǎn)動,解決了運動空間重疊以及空間三維運動的的難題,滿足空間機械臂運動測試要求;

4)系統(tǒng)摩擦小,機械臂運動順暢無卡滯,對機械臂運動測試附加誤差小;

5)該系統(tǒng)具備空間機械臂在軌任務的地面三維全物理運動驗證能力。