劉 艷， 沈曉鵬， 周 杰， 苑會(huì)領(lǐng)， 王治易， 羅 斌， 張崇峰

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所， 上海 201109； 2.上海航天技術(shù)研究院， 上海 201109）

1 引言

由于火箭運(yùn)載能力及尺寸包絡(luò)的限制，多模塊空間站組建通常采用艙段在軌組裝建造而成。根據(jù)組建工具的不同，多模塊空間站的組建有轉(zhuǎn)位組建和機(jī)械臂組建2 種方案。

轉(zhuǎn)位組建適用于“十”字構(gòu)型空間站的建造，俄羅斯和平號(hào)空間站采用此種組建方案。 和平號(hào)空間站具有6 個(gè)對(duì)接口，5 個(gè)口集中在對(duì)接艙段上。 對(duì)接艙段結(jié)構(gòu)密度很高，可以實(shí)現(xiàn)軸向和側(cè)向?qū)印?所有與和平號(hào)組裝的艙段必須首先與對(duì)接艙段實(shí)現(xiàn)軸向?qū)樱缓笸ㄟ^轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)移動(dòng)到側(cè)向?qū)涌趯?shí)現(xiàn)對(duì)接［1-2］。

機(jī)械臂操作組建方案是利用空間機(jī)械臂直接捕獲、抓取艙體到側(cè)向?qū)涌?，然后進(jìn)行對(duì)接。 實(shí)際上是先實(shí)現(xiàn)空間交會(huì)，將需要對(duì)接的航天器停泊在空間站附近的預(yù)定位置（與空間站相對(duì)距離不變，相對(duì)速度為零），然后由空間站移動(dòng)運(yùn)輸服務(wù)中心的機(jī)械臂伸出去抓獲，通過操作機(jī)械臂，緩慢縮短兩者之間的相對(duì)距離，直至兩者的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲成功。 國際空間站采用此種組建方案［3］。

中國空間站基本的“T”字構(gòu)型與和平號(hào)“十”字構(gòu)型類似，因此也采用轉(zhuǎn)位組建方案。 但是俄羅斯和平號(hào)空間站采用的是翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)組裝方案，這一方案在艙體轉(zhuǎn)位到位后，艙體姿態(tài)會(huì)發(fā)生90°的翻轉(zhuǎn)。

為了解決艙體轉(zhuǎn)位前后姿態(tài)翻轉(zhuǎn)問題，本文創(chuàng)新性地提出了平面式轉(zhuǎn)位方案，即實(shí)驗(yàn)艙在同一平面內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)位，由于質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡也處在一個(gè)平面，轉(zhuǎn)位動(dòng)作對(duì)空間站組合體的姿態(tài)擾動(dòng)較小，更易于空間站的姿態(tài)控制。 本文研究用于中國空間站組裝建造的平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，內(nèi)容包括任務(wù)與功能分析、構(gòu)型與布局設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)原理、工作過程等。 同時(shí)將平面式轉(zhuǎn)位方案與機(jī)械臂和翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位方案進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證中國空間站的組裝建造路徑的可靠性。

2 任務(wù)與功能分析

2.1 任務(wù)分析

中國空間站由核心艙、實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ3個(gè)模塊組成，同時(shí)配套載人飛船和貨運(yùn)飛船作為乘員和物品運(yùn)輸?shù)闹С窒到y(tǒng)［4-5］，圖1 為空間站組合體構(gòu)型示意圖。

圖1 中國空間站組合體構(gòu)型Fig.1 Schematic diagram of China Space Station assembly

根據(jù)中國空間站系統(tǒng)規(guī)劃，空間站核心艙的節(jié)點(diǎn)艙基體為一球形，如圖2 所示。 在球形基體上幾何對(duì)稱布置6 個(gè)擴(kuò)展口，其中1 個(gè)擴(kuò)展口延伸連接核心艙主艙體，Ⅰ象限徑向?qū)涌?、Ⅱ／Ⅳ象限?cè)向?qū)涌诤颓岸溯S向?qū)涌诎惭b有被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)，Ⅲ象限為出艙口，其中Ⅱ、Ⅳ象限2 個(gè)側(cè)向?qū)涌谟糜? 個(gè)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位后的停泊口。 來訪航天器前端安裝有主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)和空間站節(jié)點(diǎn)艙的軸向?qū)印?/p>

圖2 節(jié)點(diǎn)艙構(gòu)型Fig.2 Schematic diagram of node module configuration

空間站平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)任務(wù)要求能夠?qū)?shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ從軸向?qū)涌谵D(zhuǎn)位至相應(yīng)的側(cè)向?qū)涌?，同時(shí)艙體象限在轉(zhuǎn)位前后保持不變，稱為平面轉(zhuǎn)位［6］。 艙體象限保持不變是指正常飛行姿態(tài)下，在轉(zhuǎn)位前后實(shí)驗(yàn)艙對(duì)地象限保持不變。如圖3 所示，以核心艙Ⅰ象限對(duì)地為正常飛行姿態(tài)，在轉(zhuǎn)位前后實(shí)驗(yàn)艙均是Ⅰ象限對(duì)地。 而和平號(hào)空間站翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位則會(huì)在轉(zhuǎn)位后對(duì)地象限變?yōu)閷?shí)驗(yàn)艙Ⅱ或Ⅳ象限。

圖3 平面式轉(zhuǎn)位Fig.3 The diagram of plane-transfer scheme

核心艙配置轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)被動(dòng)端稱為基座，實(shí)驗(yàn)艙配合轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主動(dòng)端稱為轉(zhuǎn)臂［7］。 利用平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間站實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的組建，過程如下：

1）實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與核心艙的節(jié)點(diǎn)艙建立軸向?qū)樱?/p>

2）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙之間建立剛性連接；

3）實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙解除軸向?qū)樱?/p>

4）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)將實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ轉(zhuǎn)位至節(jié)點(diǎn)艙側(cè)向?qū)涌冢?/p>

5）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)狀態(tài)保持，實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙建立側(cè)向?qū)樱?/p>

6）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)解除實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ與節(jié)點(diǎn)艙之間的剛性連接。

實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的組裝過程與實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ相同，轉(zhuǎn)位至另一側(cè)向?qū)涌凇?具體過程如圖4 所示。

圖4 利用平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間站實(shí)驗(yàn)艙組建過程Fig.4 The construction process of the China Space Station module by the plane-transfer mechanism

2.2 功能分析

根據(jù)任務(wù)要求，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)功能分解如圖5 所示：①在將實(shí)驗(yàn)艙從軸向轉(zhuǎn)位到側(cè)向的動(dòng)作之前，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座之間需要進(jìn)行捕獲和連接；②在轉(zhuǎn)臂和基座建立了可靠的剛性連接之后，將實(shí)驗(yàn)艙從軸向?qū)涌谵D(zhuǎn)位到側(cè)向?qū)涌冢虎墼趥?cè)向?qū)涌?，為了克服?duì)接機(jī)構(gòu)側(cè)向捕獲過程中的作用力，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需要具有位置保持功能，以支持對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)側(cè)向捕獲；④在對(duì)接機(jī)構(gòu)側(cè)向?qū)硬东@完成后，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)主被動(dòng)端之間應(yīng)具有解鎖、分離功能，解除實(shí)驗(yàn)艙與節(jié)點(diǎn)艙之間的約束后對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)側(cè)向剛性連接。

圖5 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)功能分解Fig.5 Functional decomposition of transfer mechanism

3 平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)位過程自由度設(shè)計(jì)

平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)艙與節(jié)點(diǎn)艙之間建立剛性連接后，將實(shí)驗(yàn)艙從軸向到側(cè)向的轉(zhuǎn)位過程中，根據(jù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度的不同，會(huì)有多種轉(zhuǎn)位路徑。 在確定平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案時(shí)，以簡(jiǎn)單可靠、機(jī)構(gòu)自由度最少的平面式轉(zhuǎn)位為原則進(jìn)行轉(zhuǎn)位功能的路徑設(shè)計(jì)。 本文對(duì)實(shí)驗(yàn)艙從軸向平面式轉(zhuǎn)位到側(cè)向所需的最少運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行分析。

3.1.1 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度

定義安裝在實(shí)驗(yàn)艙上的轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)為肩關(guān)節(jié)，另一端轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)為腕關(guān)節(jié)。 轉(zhuǎn)臂連接基座后，轉(zhuǎn)臂軸線與實(shí)驗(yàn)艙軸線夾角為α，稱為連接角。 從實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位前后的位置可知，肩關(guān)節(jié)需要繞實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)動(dòng)角度為2α。 轉(zhuǎn)位過程中腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為β，稱為轉(zhuǎn)位角，如圖6 所示。

圖6 艙體轉(zhuǎn)位角Fig.6 Angle of space station module rotation

由幾何關(guān)系可知，β＝2α＋90°，即將實(shí)驗(yàn)艙由軸向口轉(zhuǎn)至側(cè)向口，肩關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動(dòng)2α，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙的翻轉(zhuǎn)；腕關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動(dòng)2α＋90°，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)艙的擺動(dòng)。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)艙、節(jié)點(diǎn)艙及對(duì)接機(jī)構(gòu)尺寸，連接角和轉(zhuǎn)位角根據(jù)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在艙體上的安裝布局尺寸具體確定。

為了分別實(shí)現(xiàn)空間站實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ的組建，配置方案如下：

在節(jié)點(diǎn)艙上布置2 套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座，基座軸線位于節(jié)點(diǎn)艙軸向口軸線與側(cè)向口軸線的平分線上，與軸向口軸線夾角為45°，如圖7 所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)艙上2 個(gè)基座安裝位置示意圖Fig.7 Schematic installation of two sockets on the node module

轉(zhuǎn)臂安裝于實(shí)驗(yàn)艙上，轉(zhuǎn)臂軸線與基座軸線處于同一平面內(nèi)，安裝高度一致，如圖8 所示。

在空間站組建過程中，初始應(yīng)預(yù)先設(shè)定實(shí)驗(yàn)艙上轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與節(jié)點(diǎn)艙上轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座的對(duì)應(yīng)位置，從而能夠由軸向?qū)涌谙蝾A(yù)定的側(cè)向?qū)涌谵D(zhuǎn)位。

根據(jù)工程任務(wù)規(guī)劃，實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ在完成軸向?qū)雍?，由轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位至節(jié)點(diǎn)艙Ⅳ象限停泊口，實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ在完成軸向?qū)雍螅赊D(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)位至節(jié)點(diǎn)艙Ⅱ象限停泊口。

對(duì)應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)艙停泊口，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)位旋轉(zhuǎn)方向不同，圖9 和圖10 分別為實(shí)驗(yàn)艙Ⅰ和實(shí)驗(yàn)艙Ⅱ轉(zhuǎn)位過程中肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向。

3.1.2 軸向運(yùn)動(dòng)自由度

對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接框上裝有導(dǎo)向板、導(dǎo)向銷、導(dǎo)向套、分離推桿和鎖系，導(dǎo)向板為空間交錯(cuò)分布，導(dǎo)向銷與分離推桿在圓周上非均布，如圖11 所示［8］。 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)如果在主被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)拉緊時(shí)實(shí)現(xiàn)捕獲連接，并在此狀態(tài)下將艙體直接擺動(dòng)到側(cè)向?qū)⒈厝怀霈F(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉，需要使實(shí)驗(yàn)艙與節(jié)點(diǎn)艙兩對(duì)接機(jī)構(gòu)端面分開一定距離。 鑒于對(duì)接機(jī)構(gòu)具有對(duì)接環(huán)推出拉回功能［9］，在轉(zhuǎn)位前該推出運(yùn)動(dòng)自由度可由主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)將對(duì)接環(huán)推出實(shí)現(xiàn)，因此不需要轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)自由度。

圖10 實(shí)驗(yàn)艙II 轉(zhuǎn)位時(shí)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)方向Fig.10 Direction of joint rotation when Experiment Module II is rotated

3.2 機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)

圖11 導(dǎo)向板及銷（套）干涉檢查Fig.11 Guide plate and pin（sets） interference check

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由主動(dòng)端和被動(dòng)端配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位功能，主動(dòng)端是指主動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)施轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)間捕獲、連接和解鎖功能的轉(zhuǎn)臂部分；被動(dòng)端是指配合主動(dòng)端完成轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)間捕獲、連接和解鎖功能的基座部分。

主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂和被動(dòng)端基座在節(jié)點(diǎn)艙和實(shí)驗(yàn)艙上的安裝方式分為2 種：①轉(zhuǎn)臂裝在實(shí)驗(yàn)艙上，基座裝在節(jié)點(diǎn)艙上；②基座裝在實(shí)驗(yàn)艙上，轉(zhuǎn)臂裝在節(jié)點(diǎn)艙上。 主被動(dòng)端這2 種不同的構(gòu)型方式導(dǎo)致機(jī)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)方案以及可靠性水平的不同。 本文分3 種不同方案進(jìn)行分析比較，在方案對(duì)比中機(jī)構(gòu)自由度是指作用于艙體轉(zhuǎn)動(dòng)所需最小自由度。由于連接、解鎖、位置保持功能的實(shí)現(xiàn)不受機(jī)構(gòu)構(gòu)型的影響，因此不針對(duì)此3 項(xiàng)功能進(jìn)行對(duì)比分析。

1）方案A。 主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗(yàn)艙上，被動(dòng)端基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上，如圖12（a）所示。 捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和實(shí)驗(yàn)艙翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)艙擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)軸為基座的旋轉(zhuǎn)中心。 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為2 自由度機(jī)構(gòu)。

圖12 機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析Fig.12 Analysis of the mechanism configuration

2）方案B。 主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂安裝在節(jié)點(diǎn)艙上，被動(dòng)端基座安裝在實(shí)驗(yàn)艙上，如圖12（b）所示。 捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和實(shí)驗(yàn)艙翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)艙擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為2 自由度機(jī)構(gòu)。

3）方案C。 主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂安裝在節(jié)點(diǎn)艙上，被動(dòng)端基座安裝在實(shí)驗(yàn)艙上，如圖12（c）所示。 捕獲、分離的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)艙翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由被動(dòng)端基座實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)艙擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)為3 自由度機(jī)構(gòu)。

從以下方面進(jìn)行不同構(gòu)型對(duì)比：①轉(zhuǎn)臂功能；②基座結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度；③機(jī)構(gòu)在軌運(yùn)動(dòng)時(shí)間及可靠性要求；④完成空間站系統(tǒng)組建各個(gè)艙體上所需的轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)配套。 如表1 所示。

表1 構(gòu)型分析表Table 1 Configuration analysis table

綜合分析，由于平面式轉(zhuǎn)位方案一套轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)僅能對(duì)應(yīng)一個(gè)側(cè)向?qū)涌?，因此系統(tǒng)總體配置均是2 套轉(zhuǎn)臂＋2 套基座。 但是若2 套轉(zhuǎn)臂均布置在節(jié)點(diǎn)艙上，將占用節(jié)點(diǎn)艙較大空間。 在各系統(tǒng)配套質(zhì)量可以接受的情況下，第一種構(gòu)型配置方案，即方案A 為最優(yōu)的構(gòu)型方案，轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗(yàn)艙上，基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。 該方案系統(tǒng)自由度最少，并且在提前入軌的節(jié)點(diǎn)艙上配置的是僅用于結(jié)構(gòu)承載的基座，系統(tǒng)可靠性高。

3.3 布局及原理設(shè)計(jì)

平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)具體組成及機(jī)械原理如圖13 所示。 其機(jī)械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臂、基座兩部分組成，轉(zhuǎn)臂安裝在實(shí)驗(yàn)艙上，基座安裝在節(jié)點(diǎn)艙上。 轉(zhuǎn)臂由肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和捕獲連接機(jī)構(gòu)組成，其中捕獲連接機(jī)構(gòu)中的萬向擺動(dòng)組件頭部的捕獲錐頭與基座鎖鉤配合實(shí)現(xiàn)捕獲連接功能。 肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙2 自由度的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在肩關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)中安裝有電磁制動(dòng)器，在轉(zhuǎn)位到位后鎖定電磁制動(dòng)器，確保在側(cè)向?qū)舆^程中，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)處于鎖定狀態(tài)。 基座與轉(zhuǎn)臂配合完成動(dòng)作。

圖13 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)布局及原理圖Fig.13 Layout and schematic diagram of transfer mechanism

3.4 優(yōu)點(diǎn)及局限性分析

與機(jī)械臂轉(zhuǎn)位相比，利用平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位過程中，對(duì)航天器的位置和姿控精度要求沒有使用機(jī)械臂進(jìn)行側(cè)向?qū)訒r(shí)高；同時(shí)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)臂體長(zhǎng)度小，自由度少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠安全可靠地完成艙體從軸向到側(cè)向?qū)涌诘霓D(zhuǎn)位任務(wù)。 但是轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在完成轉(zhuǎn)位任務(wù)的同時(shí)，也具有一定的局限性，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)功能單一，僅用于艙體軸向與側(cè)向之間的轉(zhuǎn)位，而不具有操作各種試驗(yàn)載荷的功能。

與翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)對(duì)比，平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)位前后艙體對(duì)地象限不會(huì)發(fā)生變化，翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)位前后艙體對(duì)地象限會(huì)發(fā)生90°的翻轉(zhuǎn)，在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)備不允許進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的情況下需要使用平面式轉(zhuǎn)位方案。 但是節(jié)點(diǎn)艙上一套翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座可以實(shí)現(xiàn)軸向?qū)涌谂c相鄰2 個(gè)側(cè)向?qū)涌诘霓D(zhuǎn)位任務(wù)，而節(jié)點(diǎn)艙上一套平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)基座僅能實(shí)現(xiàn)軸向?qū)涌谂c相鄰一個(gè)側(cè)向?qū)涌谥g的轉(zhuǎn)位任務(wù)。

4 工作過程設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位組裝過程需要轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與對(duì)接機(jī)構(gòu)交互工作配合實(shí)現(xiàn)。 實(shí)驗(yàn)艙與節(jié)點(diǎn)艙軸向?qū)涌谕ㄟ^周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖緊、密封并完成貨物轉(zhuǎn)運(yùn)后，實(shí)驗(yàn)艙準(zhǔn)備進(jìn)行轉(zhuǎn)位任務(wù)。

轉(zhuǎn)位過程如圖14（a）～（f）所示。

圖14 平面式轉(zhuǎn)位組建方案轉(zhuǎn)位工作過程Fig.14 The working process of plane-transfer scheme

1）在轉(zhuǎn)臂與基座捕獲前，使對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲鎖鎖緊、對(duì)接鎖解鎖。 對(duì)接環(huán)推出至準(zhǔn)備轉(zhuǎn)位位置，即推出至避免干涉的位置，進(jìn)行轉(zhuǎn)臂和基座的捕獲。 此時(shí)節(jié)點(diǎn)艙與實(shí)驗(yàn)艙之間通過對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲鎖鎖緊來保持連接狀態(tài)。 轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲初始條件主要由對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接環(huán)推出偏差決定，而不依賴于兩飛行器之間的位置姿態(tài)控制精度，因此在轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲能力覆蓋捕獲偏差范圍的條件下能夠保證轉(zhuǎn)臂和基座的可靠捕獲。

2）轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)捕獲基座并剛性連接。

3）對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲鎖解鎖，對(duì)接環(huán)拉回，以解除實(shí)驗(yàn)艙與節(jié)點(diǎn)艙之間對(duì)接機(jī)構(gòu)的約束。 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)艙完成規(guī)劃的腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)45°。

4）肩／腕關(guān)節(jié)同時(shí)旋轉(zhuǎn)117°。

5）腕關(guān)節(jié)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)45°的轉(zhuǎn)位路徑后，實(shí)驗(yàn)艙到達(dá)側(cè)向?qū)涌凇?到位精度優(yōu)于2°，關(guān)節(jié)各轉(zhuǎn)動(dòng)角度根據(jù)幾何布局以及避免運(yùn)動(dòng)過程的干涉為原則確定。 在側(cè)向?qū)涌?，通過轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座之間的剛性連接來保證節(jié)點(diǎn)艙與實(shí)驗(yàn)艙之間的相對(duì)位置，使對(duì)接機(jī)構(gòu)可靠捕獲。 在此過程中轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)需提供對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接環(huán)推出捕獲鎖捕獲過程的支反力。

6）對(duì)接機(jī)構(gòu)側(cè)向捕獲完成后，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座間解鎖復(fù)位，對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接環(huán)拉回，對(duì)接鎖鎖緊完成剛性連接密封。

上述轉(zhuǎn)位過程對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的協(xié)同交互配合關(guān)系如圖15 所示，圖中虛線框內(nèi)為周邊式對(duì)接結(jié)構(gòu)動(dòng)作。

圖15 對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)協(xié)同配合關(guān)系Fig.15 Coordination relationship between docking and transfer mechanisms

5 結(jié)論

本文針對(duì)中國空間站系統(tǒng)規(guī)劃，進(jìn)行了平面式轉(zhuǎn)位方案的設(shè)計(jì)，為空間站工程提供參考，具體如下：

1）基于中國空間站構(gòu)型，進(jìn)行了平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)任務(wù)和功能分析。

2）對(duì)平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)自由度、機(jī)構(gòu)原理及布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確定了轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)方案，同時(shí)對(duì)比了平面式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂、翻轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)之間的差異。

3）結(jié)合周邊式對(duì)接機(jī)構(gòu)的工作過程，給出了對(duì)接與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)協(xié)同工作的工作過程和工作時(shí)序。