譚震京，郝進(jìn)宇，王 珊

（北京市首都航天機(jī)械有限公司 北京 100076）

0 引言

近年來，世界范圍內(nèi)對于航天工業(yè)的重視程度逐漸上升，對太空進(jìn)行控制成為各個(gè)國家的重要戰(zhàn)略目標(biāo)之一，因此，提升航天器的制造效率與制造質(zhì)量至關(guān)重要。機(jī)械臂對于航天器裝配中大重量零部件的裝配具備十分重要的意義，能夠有效提升航天器裝配過程中某些工序的裝配效率與裝配質(zhì)量。本文對航天器裝配的特點(diǎn)、機(jī)械臂控制方式等內(nèi)容進(jìn)行分析，試圖提出一種應(yīng)用性較強(qiáng)的航天器機(jī)械臂柔性力控輔助裝配策略。

1 機(jī)械臂與機(jī)械臂常見控制方法

機(jī)械臂是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中重要的輔助型設(shè)備，指的是高精度、多輸出、多輸入的復(fù)雜系統(tǒng)，其主體結(jié)構(gòu)通常包括連接部位、關(guān)節(jié)組件等，能夠通過電流實(shí)現(xiàn)對主體結(jié)構(gòu)的控制，進(jìn)而輕易實(shí)現(xiàn)對重量較大物體的精確搬運(yùn)，這種功能在工業(yè)生產(chǎn)，尤其是工業(yè)設(shè)備裝配過程中能夠發(fā)揮十分重要的作用。與傳統(tǒng)的人工安裝相比，機(jī)械臂具備非常多的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在載重、精度、工作效率等方面，在工作中，尤其是大重量零部件安裝與制造過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定保持與精確調(diào)整，進(jìn)而解決大重量設(shè)備的安裝問題，最終提升具體裝配過程的安全與穩(wěn)定[1]。

當(dāng)前機(jī)械臂的常見控制方法包括：（1）在機(jī)械臂的中控系統(tǒng)中，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對其內(nèi)部程序進(jìn)行固定，通過這種方式將機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行固定化，并在工作中進(jìn)行重復(fù)性動(dòng)作，這種方式是最為常見的控制策略，在工業(yè)生產(chǎn)線上十分常見。（2）在機(jī)械臂上植入視覺傳感器，根據(jù)生產(chǎn)目的對圖像中的目標(biāo)進(jìn)行識別定位，并進(jìn)一步對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，這種方式在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中的應(yīng)用比較常見，要求相關(guān)物體必須具備可視覺識別定位的特征。（3）采用操作桿等方式對機(jī)械臂進(jìn)行手動(dòng)控制，這種方式主要應(yīng)用于機(jī)械臂自主調(diào)試以及機(jī)械臂遠(yuǎn)程控制等工作環(huán)節(jié)，這種方式能夠添加人的主觀意識，能夠保障裝配過程的安全性，但是人與機(jī)器通常很難實(shí)現(xiàn)完美的協(xié)調(diào)，在工作中很容易出現(xiàn)誤操作[2]。（4）柔性控制方法。即根據(jù)配件的實(shí)際情況，采取不同的機(jī)械臂控制方式，柔性控制方法主要包括被動(dòng)柔順、主動(dòng)柔順兩個(gè)主要種類。其中，被動(dòng)柔順指的是，將柔性機(jī)械裝置放置在整個(gè)機(jī)器的末端部位，能夠幫助機(jī)械臂更好地提升對于外部因素的感知能力，主動(dòng)柔順是依靠力傳感器的反饋信息，對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行及時(shí)修正以實(shí)現(xiàn)對接觸力的有效控制[3]。

與傳統(tǒng)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)相比，航天器的生產(chǎn)與裝配通常表現(xiàn)為小批量，甚至在生產(chǎn)實(shí)踐中，存在為了滿足航天器的某種需求特意制作出某個(gè)具備特殊外形、材質(zhì)與功能構(gòu)件的情況。裝配工況并不是十分固定，因此，在復(fù)雜多變的航天器安裝情境中，如何充分發(fā)揮機(jī)械臂的獨(dú)特優(yōu)勢，解決大質(zhì)量設(shè)備的安裝問題一直都是相關(guān)單位在執(zhí)行航天器制造與安裝任務(wù)時(shí)必須充分考慮的重要問題。針對這一特征可知，航天器的安裝需要機(jī)械臂具備充分的柔性以適應(yīng)不同的裝配約束條件。柔性控制方法能夠很好地適應(yīng)航天器的裝配工作，在現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中，如果想要實(shí)現(xiàn)柔性隨動(dòng)控制，就必須對負(fù)載重力的影響進(jìn)行補(bǔ)償[4]。

2 機(jī)械臂柔性力控輔助裝配技術(shù)與原理

2.1 機(jī)械臂柔性力控輔助裝配

基于航天器的實(shí)際裝配需求，本文試圖提出一種機(jī)械臂柔性力控裝配方式，這種方式的具體操作方法為，技術(shù)人員在機(jī)械臂末端安裝六維力傳感器，通過這一設(shè)備對信息進(jìn)行收集，在信息收集完畢之后，整個(gè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)能夠通過算法對人手作用力產(chǎn)生的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在所有計(jì)算結(jié)果得出之后，技術(shù)人員就能夠根據(jù)上述結(jié)果對機(jī)械臂進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載柔性跟隨人手運(yùn)動(dòng)。這種方式的優(yōu)勢在于，操作人員能夠在自身思想的指引下，通過自身較小的力量控制機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)對大重量工件姿態(tài)的調(diào)整工作，這種方式在保障靈活性的同時(shí)極大降低了工作難度，本文的研究內(nèi)容綜合了機(jī)械本身的高效率與精密性等優(yōu)勢，并將人工的相關(guān)優(yōu)勢也充分發(fā)揮出來，能夠滿足航天器的裝配需求[5]。

2.2 機(jī)械臂柔性力控輔助裝配原理

機(jī)械臂柔性力控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)一般包括機(jī)械臂本身、六維力傳感器、末端執(zhí)行器、工件，在工作人員的操作下實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其中，六維力傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對空間任意力系中的三維正交力、三維正交力矩的有效測量。

六維力傳感器直接感知到的力、力矩信息是機(jī)械本身負(fù)載重力、人手力量的綜合作用結(jié)果，因此，一般需要負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，才能獲取到完整的人手力、力矩?cái)?shù)據(jù)。同時(shí)，當(dāng)機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生末端姿態(tài)變化，那么六維力傳感器、負(fù)載的空間姿態(tài)也會(huì)發(fā)生比較明顯的變化。為了確定力的具體變化情況，研究人員進(jìn)行了具體的柔性力控算法設(shè)計(jì)。

3 航天器機(jī)械臂柔性力控輔助裝置的系統(tǒng)組成

本文所提出的機(jī)械臂柔性力控系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括工控機(jī)、機(jī)械臂控制器、機(jī)械臂、大六維傳感器、小六維傳感器、末端執(zhí)行器、工件。

在本文提出的柔性力控系統(tǒng)中，工控機(jī)主要承擔(dān)的是信號的采集與處理功能，并能夠根據(jù)受理信息，通過算法生成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)指令，并將該指令發(fā)送到機(jī)械臂中，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的基本目標(biāo)。大六維傳感器在實(shí)踐中普遍具備較大的量程，因此，此構(gòu)件在實(shí)踐中一般安裝在機(jī)械臂與工件之間，用來檢測機(jī)械臂受到的整體外部作用力，在通過重力補(bǔ)償算法消除負(fù)載重力影響之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)對負(fù)載受到的外部作用力的有效感知，在實(shí)踐中主要指的是人手作用力等，從工作效果角度來看，單獨(dú)使用大六維傳感器就能夠基本實(shí)現(xiàn)對于負(fù)載的柔性隨動(dòng)控制。

為了更好地發(fā)揮出機(jī)械臂的性能，提升航天器裝配作業(yè)的精確性，技術(shù)人員在機(jī)械臂末端放置了小六維傳感器。與大六維傳感器相比，小六維傳感器的量程相對較小，具備相當(dāng)強(qiáng)的測量靈敏度，在正常的裝配作業(yè)中，小六維傳感器一般不會(huì)發(fā)揮出作用。其應(yīng)用場景相對較小，僅應(yīng)用在需要感知人手作用力的場景，例如，航天器的艙體空間一般相對較小，在進(jìn)行大體積工件的安裝時(shí)，很容易出現(xiàn)工人無法進(jìn)入、不能直接進(jìn)行精確化裝配操作的情況，而大六維傳感器又很難實(shí)現(xiàn)對人手操作的精確感知，此時(shí)，技術(shù)人員就可以利用小六維傳感器的高靈敏度，實(shí)現(xiàn)對工件位置的精確調(diào)整。同時(shí)，在這一技術(shù)操作背景下，大六維傳感器也存在一定的價(jià)值，即能夠?qū)ぜ旧淼呐鲎睬闆r進(jìn)行檢測，防止由于安裝不當(dāng)、力度過大導(dǎo)致工件出現(xiàn)碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致航天器受損的現(xiàn)象發(fā)生。由此可見，航天器機(jī)械臂柔性力控輔助裝置具備相當(dāng)強(qiáng)的科學(xué)性，能夠滿足大部分場景下的航天器裝配應(yīng)用需求。

4 航天器機(jī)械臂柔性力控輔助裝配的柔性力控算法設(shè)計(jì)

4.1 負(fù)載重量與重心位置測量

根據(jù)機(jī)械臂的作用原理可知，如果沒有其他外力的作用，那么本文所采用的六維傳感器所收集到的全部信息內(nèi)容都是由機(jī)械本身的重力所引起的，由此可知，在實(shí)際操作過程中，技術(shù)人員只需要對機(jī)械臂本身進(jìn)行控制，將機(jī)械臂分別表現(xiàn)出不同的姿態(tài)，并采用六維傳感器進(jìn)行測算，就能夠非常簡單地從中取得各種不同姿態(tài)下的測量數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行綜合比較，就能夠獲取到負(fù)載重量以及中心位置的具體數(shù)據(jù)值[6]。

根據(jù)計(jì)算可知，六維力傳感器的坐標(biāo)系為空間直角坐標(biāo)系，假設(shè)其負(fù)載重心坐標(biāo)為（x，y，z），負(fù)載重力為G，那么其在x，y，z軸上的分量分別為Gx、Gy、Gz。同時(shí)，對x，y，z軸的作用力矩分別為Mgx、Mgy、Mgz。根據(jù)力學(xué)關(guān)系可以得到以下公式：

即

在實(shí)踐中，當(dāng)機(jī)械臂的末端姿態(tài)發(fā)生變化之后，上述所有數(shù)據(jù)都會(huì)發(fā)生變化，取不同的負(fù)載姿態(tài)由六維力傳感器所測得的多組數(shù)據(jù)，采用相關(guān)計(jì)算方式，即最小二乘法，技術(shù)人員就能夠?qū)ω?fù)載重心的實(shí)際坐標(biāo)位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

4.2 負(fù)載重力補(bǔ)償?shù)拇_定

在人力作用的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的力、力矩組合情況會(huì)發(fā)生比較明顯的改變，本文對其進(jìn)行初步假設(shè)，即在人力作用的背景下，負(fù)載分量為Hx、Hy、Hz，三個(gè)力矩分量為Mx、My、Mz。

在操作人員對機(jī)械臂進(jìn)行柔性隨動(dòng)控制的過程中，負(fù)載重力的方向也會(huì)發(fā)生變化，具體變化姿態(tài)應(yīng)當(dāng)與機(jī)械臂末端姿態(tài)具備較強(qiáng)的一致性，假定重力與六維傳感器在坐標(biāo)系x，y，z軸中的夾角分別為a，b，c，這可以得出負(fù)載重力在坐標(biāo)系中的投影，具體為：

在以上公式中，Gx、Gy、Gz分別表示的是六維傳感器測定力分量中負(fù)載重力的內(nèi)容，將這一內(nèi)容與坐標(biāo)代入相關(guān)公式，就可以得到具體的作用力矩?cái)?shù)據(jù)，即Mgx、Mgy、Mgz。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步得到人手作用力在坐標(biāo)軸上的分量：

人手力矩在坐標(biāo)軸上的分量為：

4.3 柔性力控

在上文中，已經(jīng)基本確定了人手作用的力、力矩信息與計(jì)算方式。在這一背景下，研究人員初步擬定了兩種工作場景的具體操縱方式：（1）大范圍移動(dòng)工件。此時(shí)，機(jī)械臂的移動(dòng)距離可以由人手作用力與一個(gè)固定系數(shù)相乘進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際工作情境中，這個(gè)固定系數(shù)的具體數(shù)字可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整確定[7]。（2）小范圍調(diào)整工件，大體積工件的小范圍調(diào)整在航天器制造過程中是一個(gè)比較常見的工序，在這一過程中，可以將工件的移動(dòng)距離設(shè)定為一個(gè)固定值，并給人手作用力設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)人手作用力超過閾值時(shí)，則控制工件移動(dòng)一個(gè)固定值，如果人手作用力小于等于閾值時(shí)，則機(jī)械臂保持靜止?fàn)顟B(tài)。為了防止人手持續(xù)作用導(dǎo)致精確度下降，應(yīng)當(dāng)設(shè)定移動(dòng)一個(gè)固定值后暫停，待人手作用力降到閾值之下并重新上升至閾值之上時(shí)才能繼續(xù)移動(dòng)的流程[8]。

4.4 實(shí)踐分析

為了進(jìn)一步確定本文的理論研究內(nèi)容在實(shí)際工作環(huán)節(jié)是否能夠發(fā)揮出作用，研究人員在實(shí)踐中設(shè)計(jì)了一個(gè)真實(shí)工況，并采用本文提出的技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了安全實(shí)驗(yàn)。

具體安裝工況為：工件質(zhì)量為102 kg，需要安裝到一個(gè)與工件大小幾乎相似的腔體內(nèi)部，同時(shí)不能對腔體周邊進(jìn)行磕碰，工件在實(shí)際操作過程中允許進(jìn)行活動(dòng)的空間在3 mm 左右。

在這一工況下，采取人工安裝的方式非常影響安裝質(zhì)量與安裝效率，甚至可能會(huì)對機(jī)器艙壁造成磕碰，最終影響機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，制作重量、重心位置等指標(biāo)與真品完全一致的模擬器件，并提供與真實(shí)工況完全一致的安裝條件。在具體安裝過程中，采取本文提出的柔性力控方式，在距離較遠(yuǎn)時(shí)采取模式1（大范圍移動(dòng)工件力控模式），在距離較近的時(shí)候采取模式2（精細(xì)化安裝力控方式）。總安裝用時(shí)為35 min，安裝質(zhì)量良好，機(jī)械未發(fā)生磕碰，與傳統(tǒng)人工安裝用時(shí)需要的5 h 相比，其工作效率、工作質(zhì)量均有了非常大的提升，能夠滿足航天器工作的基本需要。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著時(shí)代的發(fā)展，航天器生產(chǎn)與制造已經(jīng)成為我國工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，對于我國空天戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具備十分重要的價(jià)值與意義。在航天器裝配過程中，大重量工件的裝配一直都是工程的重難點(diǎn)。本文提出了一種柔性力控輔助裝配辦法，確定負(fù)載重量、重心位置、柔性力控，并結(jié)合實(shí)際情況，初步驗(yàn)證了該方式確實(shí)能夠在現(xiàn)實(shí)中航天器裝配工作中發(fā)揮一定的價(jià)值與作用，并保證安裝過程的穩(wěn)定性。

本文的力控算法相對比較粗糙，在精確度方面依舊存在較大的提升空間。希望相關(guān)單位可以以本文的研究內(nèi)容作為參考，并結(jié)合自身的實(shí)際情況，對具體操作方式進(jìn)行進(jìn)一步更新，解決航天器裝配過程中產(chǎn)生的各種問題。相關(guān)理論學(xué)者也可以在本文研究的基礎(chǔ)上，提出精確度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)的機(jī)械臂力控優(yōu)化方案，進(jìn)而提升我國航天工業(yè)的整體質(zhì)量，最終為我國空天戰(zhàn)略目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)提供必要的技術(shù)支持與理論保障。