劉 艷，沈曉鵬，王 寅，劉永強(qiáng)，許成斌，施飛舟，甘克力

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109； 2.南京航空航天大學(xué)，南京 210016；3.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

1 引言

空間站轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的功能包括捕獲、連接、艙體轉(zhuǎn)動(dòng)等，其性能直接影響轉(zhuǎn)位能力［1-2］，全面了解和掌握轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲、連接、艙體轉(zhuǎn)動(dòng)等特性是實(shí)現(xiàn)空間站組建過(guò)程中可靠轉(zhuǎn)位的前提和必備條件，因此需要制定科學(xué)的測(cè)試方案，對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面測(cè)試，并對(duì)其性能特性進(jìn)行評(píng)估。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)是測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分，用于測(cè)試轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座之間的捕獲、連接特性。

現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備僅僅能夠設(shè)定六自由度初始位姿偏差，對(duì)產(chǎn)品捕獲范圍進(jìn)行考核；在捕獲完成后，產(chǎn)品連接過(guò)程主被動(dòng)端之間不施加外部載荷。而轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)由于在連接過(guò)程中存在與對(duì)接機(jī)構(gòu)動(dòng)作耦合作用而產(chǎn)生載荷，因此對(duì)主動(dòng)端轉(zhuǎn)臂與被動(dòng)端基座間連接能力進(jìn)行考核也是測(cè)試系統(tǒng)的重要功能。而降低加載誤差，提高加載準(zhǔn)確度是對(duì)產(chǎn)品連接過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)考核的關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)采用基于模型預(yù)測(cè)的前饋補(bǔ)償控制策略解決了連接加載過(guò)程力／力矩跟蹤精度要求高的難題［3］。

本文研究?jī)?nèi)容包括轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲、連接特性測(cè)試方案、測(cè)試系統(tǒng)實(shí)施、測(cè)試數(shù)據(jù)分析等，著重對(duì)捕獲偏差集中等效模擬方法、連接過(guò)程加載載荷隨動(dòng)控制方案進(jìn)行研究。

2 測(cè)試需求

2.1 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作過(guò)程

中國(guó)空間站轉(zhuǎn)位方案采用平面式轉(zhuǎn)位，即由兩平行的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)位到位，轉(zhuǎn)位前后艙體水平面保持一致，空間站轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)臂和基座兩部分，其中轉(zhuǎn)臂安裝于實(shí)驗(yàn)艙，基座安裝于節(jié)點(diǎn)艙。兩部分配合將艙體從軸向轉(zhuǎn)移到側(cè)向，避免了直接的側(cè)向?qū)樱瑢?duì)姿態(tài)控制系統(tǒng)的影響大為減?。?］。

平面轉(zhuǎn)位過(guò)程開始于實(shí)驗(yàn)艙主動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)的對(duì)接鎖解鎖，轉(zhuǎn)位過(guò)程如圖1 所示［4］。

圖1 平面轉(zhuǎn)位工作過(guò)程Fig.1 The work process of plane-transfer scheme

a）對(duì)接環(huán)推出至準(zhǔn)備轉(zhuǎn)位位置，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂從艙體上釋放，進(jìn)入準(zhǔn)備捕獲狀態(tài)，并向基座旋轉(zhuǎn)；

b）轉(zhuǎn)臂捕獲基座后，與基座剛性連接；

c）轉(zhuǎn)臂腕關(guān)節(jié)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；

d）轉(zhuǎn)臂肩關(guān)節(jié)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；

e）轉(zhuǎn)臂腕關(guān)節(jié)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；

f）對(duì)接機(jī)構(gòu)側(cè)向再對(duì)接，轉(zhuǎn)臂復(fù)位。

2.2 捕獲連接特性測(cè)試

本文捕獲特性測(cè)試是指在一定位姿偏差條件下轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲能力，在這個(gè)過(guò)程中既要求捕獲，又要求捕獲力滿足設(shè)定值；連接特性測(cè)試是指在捕獲完成后，在轉(zhuǎn)臂與基座之間施加設(shè)定的六維力／力矩載荷，考核轉(zhuǎn)臂與基座之間的連接能力。具體研究?jī)?nèi)容為轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲連接過(guò)程，即圖1b）過(guò)程的特性測(cè)試。要求試驗(yàn)臺(tái)x向偏差范圍為［-52，52］ mm，y向偏差范圍為［-37，37］ mm，z向偏差范圍為［-40，40］ mm，γ、θ、ψ角度偏差范圍為［-1.2°，1.2°］；要求產(chǎn)品在各種捕獲初始條件下，三向捕獲力均小于60 N；在連接過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)方向的力／力矩隨動(dòng)加載精度優(yōu)于20%。

3 測(cè)試輸入分析

3.1 捕獲初始條件

如圖2 所示，在轉(zhuǎn)臂捕獲連接基座的過(guò)程中，轉(zhuǎn)臂和基座之間的相對(duì)位姿誤差主要有4 種：齒輪支架與實(shí)驗(yàn)艙位姿誤差、對(duì)接環(huán)推出的位姿誤差、主被動(dòng)對(duì)接環(huán)間隙引起的位姿誤差以及基座與核心艙位姿誤差。為了描述轉(zhuǎn)臂捕獲連接基座的相對(duì)位姿誤差，假定齒輪支架固定，將上述4 種誤差經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)艙、主動(dòng)對(duì)接環(huán)、被動(dòng)對(duì)接環(huán)、核心艙折算至基座，即基座實(shí)際位置相對(duì)于其理論位置存在6 個(gè)自由度位姿偏差（x、y、z、γ、θ、ψ）。

圖2 轉(zhuǎn)臂捕獲基座位姿誤差來(lái)源Fig.2 Position and attitude error sources of rotating arm capturing transposition socket

如圖3 所示，轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲初始條件是指轉(zhuǎn)臂捕獲連接機(jī)構(gòu)捕獲頭與基座接納錐端面第一次接觸時(shí)，捕獲頭與接納錐的相對(duì)位置和姿態(tài)，用基座接納錐實(shí)際位置坐標(biāo)系OJSxJSyJSzJS相對(duì)其理論位置坐標(biāo)系OJLxJLyJLzJL來(lái)描述。這些可能值的集合為捕獲初始條件范圍，包括位置初始條件和姿態(tài)初始條件。

圖3 捕獲初始條件定義Fig.3 The definition of initial capture condition

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)采用基于空間封閉矢量法，針對(duì)齒輪支架相對(duì)于實(shí)驗(yàn)艙、基座相對(duì)于核心艙、對(duì)接環(huán)推出誤差、主被動(dòng)對(duì)接環(huán)環(huán)間隙這4 個(gè)環(huán)節(jié)的誤差，形成零誤差條件和非零誤差條件下的空間封閉矢量鏈，并根據(jù)封閉矢量值為0 的特性，建立空間站轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂捕獲基座的相對(duì)位置姿態(tài)誤差模型，通過(guò)蒙特卡羅方法分析誤差，確定位姿誤差范圍［5］。

3.2 連接過(guò)程加載載荷

參見(jiàn)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)工作過(guò)程，轉(zhuǎn)臂與基座進(jìn)行連接時(shí)，對(duì)接機(jī)構(gòu)為柔性連接狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)臂與基座間存在位姿偏差，因此連接糾正位姿偏差的過(guò)程需要克服對(duì)接機(jī)構(gòu)的載荷。該六維力／力矩載荷值由動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果給出，綜合考慮了對(duì)接機(jī)構(gòu)力學(xué)特性制造偏差以及高低溫性能偏差。

在試驗(yàn)過(guò)程中是將各向載荷的最大值同時(shí)加載，因此相對(duì)實(shí)際在軌工作情況是加嚴(yán)考核，能夠保證產(chǎn)品通過(guò)測(cè)試即能滿足在軌工作需求。

4 測(cè)試方案

根據(jù)轉(zhuǎn)臂與基座之間捕獲偏差的綜合分析，轉(zhuǎn)臂與基座的捕獲初始條件可通過(guò)基座安裝位置來(lái)設(shè)置。將基座安裝于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)三維線運(yùn)動(dòng)和三軸角度運(yùn)動(dòng)功能，按給定的位置和角度指令進(jìn)行高精度的位置和角度伺服運(yùn)動(dòng)。以此為基礎(chǔ)，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)還能夠按照設(shè)定的力-力矩變化規(guī)律在產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)力-力矩的加載與伺服。

4.1 方案概述

根據(jù)位置控制和力-力矩伺服加載控制的需要，選用串聯(lián)式六自由度平臺(tái)作為基座安裝平臺(tái)。與并聯(lián)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)相比，串聯(lián)式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有控制算法簡(jiǎn)單、位置控制精度高等優(yōu)點(diǎn)［6］。串聯(lián)式六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可在平臺(tái)的下方構(gòu)建前后、左右、上下三自由度分別運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)機(jī)構(gòu)，在平動(dòng)機(jī)構(gòu)上方再安裝一套三軸相正交的角運(yùn)動(dòng)姿態(tài)轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)三維線運(yùn)動(dòng)和三軸角運(yùn)動(dòng)分別控制平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)。

為了測(cè)量轉(zhuǎn)臂與基座之間的作用力，同時(shí)在轉(zhuǎn)臂和基座之間加載預(yù)設(shè)的六維力，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)還需要配置六維力傳感器，用以測(cè)量產(chǎn)品與平臺(tái)連接間所承受的三維力和三軸力矩。通過(guò)力控制回路實(shí)現(xiàn)六自由度平臺(tái)跟隨產(chǎn)品在力和力矩恒定情況下的六自由度運(yùn)動(dòng)。

4.2 串聯(lián)式六自由度試驗(yàn)平臺(tái)

轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲連接特性測(cè)試試驗(yàn)是將轉(zhuǎn)臂和基座分別安裝于安裝平臺(tái)上，如圖4 所示，模擬轉(zhuǎn)臂和基座分別安裝在2 個(gè)不同的艙體上，轉(zhuǎn)臂安裝平臺(tái)和基座安裝平臺(tái)間的初始位姿由轉(zhuǎn)臂和基座間無(wú)偏差理想情況下的位姿確定。

圖4 轉(zhuǎn)臂和基座安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of rotating arm and transposition socket

基座安裝平臺(tái)為串聯(lián)式六自由度試驗(yàn)平臺(tái)，如圖5 所示?；惭b平臺(tái)坐標(biāo)系Oxyz為右手定則坐標(biāo)系，坐標(biāo)系原點(diǎn)O為3 個(gè)角度設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸的正交點(diǎn)。整個(gè)串聯(lián)式試驗(yàn)平臺(tái)從下向上依次可設(shè)置z、y、x3 個(gè)方向位置和γ、θ、ψ3 個(gè)角度位姿偏差，姿態(tài)角順序?yàn)?-2-3（根據(jù)捕獲初始條件計(jì)算時(shí)的姿態(tài)角順序確定），這樣即可通過(guò)調(diào)整基座接納錐中心坐標(biāo)系實(shí)際位姿相對(duì)其理論位姿來(lái)設(shè)置捕獲初始條件，用以考核轉(zhuǎn)臂與基座之間不同初始條件下的捕獲連接特性。

圖5 串聯(lián)式六自由度試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.5 Motion diagram of a series 6-DOF test platform

4.3 力隨動(dòng)加載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)組成如圖6 所示，系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集、電氣控制箱、六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、六維力傳感器、電荷放大器、伺服放大器、電機(jī)以及用于角度和位置測(cè)量的碼盤和光柵傳感器。

圖6 捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)組成原理圖Fig.6 Schematic diagram of system composition of a series 6-DOF test platform

捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)具有2 種工作模式：①位置伺服工作模式，整機(jī)臺(tái)控制系統(tǒng)需要對(duì)基座安裝平臺(tái)進(jìn)行位置控制，通過(guò)采集六維力傳感器測(cè)量信號(hào)，轉(zhuǎn)換得到平臺(tái)所承受的六維力；②力伺服工作模式，需要控制基座安裝平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，使六維力安裝平臺(tái)的載荷也就是基座與轉(zhuǎn)臂連接面之間的載荷達(dá)到給定的六維力，并在轉(zhuǎn)臂與基座連接過(guò)程中按照給定的六維力載荷進(jìn)行隨動(dòng)。

力／力矩加載隨動(dòng)控制系統(tǒng)如圖7 所示，對(duì)于力／力矩伺服系統(tǒng)而言，位置控制回路是其內(nèi)回路，設(shè)定力與反饋力的偏差信號(hào)，通過(guò)力隨動(dòng)加載控制器產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)基座六自由度安裝平臺(tái)帶動(dòng)基座隨動(dòng)，基座與轉(zhuǎn)臂之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生連接力。從信號(hào)傳遞通路角度來(lái)看，力加載控制系統(tǒng)的前向通路環(huán)節(jié)多且傳遞函數(shù)階數(shù)高，對(duì)力／力矩指令的響應(yīng)速度較慢，在動(dòng)態(tài)、變化的加載條件下很難實(shí)現(xiàn)對(duì)力和力矩信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤。

圖7 采用前饋補(bǔ)償?shù)牧虞d隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Diagram of force load servo control system structure adopting feed-forward compensation

為改善連接過(guò)程測(cè)試系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品加載的性能，力／力矩加載隨動(dòng)控制系統(tǒng)采用了一種基于模型預(yù)測(cè)的前饋補(bǔ)償控制策略［7］。

由圖7 可見(jiàn)，與常規(guī)的力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，本文測(cè)試系統(tǒng)力控制器增加了受力信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)的前向通路，作用于整機(jī)臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)，能夠快速驅(qū)動(dòng)整機(jī)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而提高力／力矩跟蹤的能力。在連接過(guò)程中，由于基座與轉(zhuǎn)臂導(dǎo)向板間存在碰撞、導(dǎo)向校正等現(xiàn)象，基座連接面上所產(chǎn)生的六維力／力矩信號(hào)之間彼此耦合，所以不能簡(jiǎn)單地利用力的偏差信號(hào)作為前饋信息驅(qū)動(dòng)整機(jī)臺(tái)運(yùn)動(dòng)?？紤]連接過(guò)程中轉(zhuǎn)臂連接機(jī)構(gòu)連接速度較慢，因此在有限時(shí)間內(nèi)整機(jī)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、力反饋信號(hào)和力偏差信號(hào)之間存在一定非線性關(guān)系，可以用于預(yù)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式與力信號(hào)之間變化規(guī)律。力加載控制系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制理論，根據(jù)過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)整機(jī)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、力反饋信號(hào)與力偏差信號(hào)的變化規(guī)律，擬合特性臺(tái)力偏差信號(hào)與運(yùn)動(dòng)方向之間的非線性關(guān)系，產(chǎn)生前饋信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)基座安裝平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，前向通路信號(hào)由于經(jīng)過(guò)力閉環(huán)和位姿閉環(huán)控制，能夠快速消除前饋通道的力／力矩偏差，提高基座安裝平臺(tái)對(duì)力／力矩指令跟蹤的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。產(chǎn)品連接過(guò)程運(yùn)動(dòng)速度小于1 mm／s，實(shí)測(cè)捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)的力伺服帶寬為3 Hz，能夠滿足力加載隨動(dòng)要求。

5 測(cè)試臺(tái)實(shí)施

5.1 捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)搭建

空間站轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)外觀造型見(jiàn)圖8。搭建六自由度試驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)轉(zhuǎn)臂模擬工裝對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行功能性能調(diào)試，經(jīng)調(diào)試合格即可進(jìn)行產(chǎn)品的測(cè)試試驗(yàn)。

圖8 捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)外觀造型圖Fig.8 Appearance of the test platform

5.2 捕獲特性測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試完成后，進(jìn)行了轉(zhuǎn)臂和基座產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)，見(jiàn)圖9。圖中轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂包括肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、捕獲連接機(jī)構(gòu)，基座安裝于六自由度平臺(tái)的上端面中心位置。捕獲過(guò)程中，轉(zhuǎn)臂在肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)作用下，旋轉(zhuǎn)捕獲基座，六維力傳感器測(cè)量捕獲過(guò)程的捕獲力，捕獲完成后基座解鎖，轉(zhuǎn)臂在肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下向外旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)臂與基座實(shí)現(xiàn)分離。

圖9 捕獲連接特性測(cè)試試驗(yàn)Fig.9 Test of capture and connection characteristics

圖10 為捕獲段試驗(yàn)曲線。捕獲過(guò)程是轉(zhuǎn)臂捕獲頭鎖舌、轉(zhuǎn)臂捕獲傳感器、基座捕獲傳感器先后壓入的過(guò)程，因此從捕獲頭與基座接觸開始即產(chǎn)生捕獲力。

圖10 捕獲段局部放大圖Fig.10 The local magnification of capture test curve

1）0 s 時(shí)，試驗(yàn)開始，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開始旋轉(zhuǎn)，向捕獲方向運(yùn)動(dòng)；

2）67 s 時(shí)，轉(zhuǎn)臂捕獲頭與基座開始接觸捕獲，x、y、z向力值即為捕獲力；

3）153 s 時(shí)，轉(zhuǎn)臂捕獲傳感器觸發(fā)，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停止旋轉(zhuǎn)，捕獲完成。

在產(chǎn)品拉偏工況下，即x向偏差范圍為［-52，52］ mm，y向偏差范圍為［-37，37］ mm，z向偏差范圍為［-40，40］ mm，各向角度偏差γ、θ、ψ范圍為［-1.2°，1.2°］，各項(xiàng)組合偏差共54 個(gè)工況，捕獲力統(tǒng)計(jì)如表1 所示。所有工況產(chǎn)品的捕獲力最大值為24 N，均滿足小于60 N 的指標(biāo)要求，測(cè)試系統(tǒng)滿足測(cè)試需求。

表1 試驗(yàn)捕獲力Table 1 Capture forces comparison of simulation and test

5.3 連接特性測(cè)試分析

在連接過(guò)程中以對(duì)接機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)耦合特性作為連接試驗(yàn)時(shí)加載載荷的輸入值。試驗(yàn)涉及到試驗(yàn)臺(tái)工作模式的切換，在轉(zhuǎn)臂捕獲基座時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)為位置伺服工作模式，在轉(zhuǎn)臂連接基座時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)為力伺服工作模式。在轉(zhuǎn)臂與基座解鎖分離過(guò)程中，試驗(yàn)臺(tái)為位置伺服工作模式。連接過(guò)程六維力測(cè)試曲線如圖11 所示。

圖11 轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)連接加載載荷曲線Fig.11 The connect load curve of the transfer mechanism

1）0～217 s 時(shí)間段，即試驗(yàn)開始階段，轉(zhuǎn)臂和基座建立接觸和連接的過(guò)程，隨著轉(zhuǎn)臂捕獲連接機(jī)構(gòu)拉緊，轉(zhuǎn)臂和基座導(dǎo)向板開始接觸，并建立起各個(gè)方向上的位置約束；

2）217～229 s 時(shí)間段，六維力隨動(dòng)加載載荷趨于穩(wěn)定；

3）229 s～試驗(yàn)結(jié)束，即轉(zhuǎn)臂與基座解鎖分離的過(guò)程，為試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)位位置伺服模式。

加載與加載目標(biāo)值對(duì)比情況見(jiàn)表2，連接過(guò)程試驗(yàn)臺(tái)加載載荷達(dá)到了基座安裝面的預(yù)設(shè)載荷；各個(gè)方向加載載荷精度優(yōu)于18%，滿足加載載荷精度不超過(guò)20%的要求。

表2 連接加載性能分析Table 2 Performance analysis of connection loading

5.4 測(cè)試等效性分析

在捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)中主要由以下幾個(gè)方面影響產(chǎn)品測(cè)試的等效性，包括產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)沖擊、試驗(yàn)臺(tái)位置精度、試驗(yàn)臺(tái)力測(cè)量精度、重力平衡附加影響，具體分析如下：①測(cè)試過(guò)程中無(wú)論是捕獲過(guò)程還是連接過(guò)程，產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)速度均較慢，由于速度沖擊產(chǎn)生的力測(cè)量的誤差可以忽略不計(jì)；②在試驗(yàn)前，對(duì)六自由度試驗(yàn)平臺(tái)的位置精度利用激光測(cè)量?jī)x進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)臺(tái)精度在1 mm和0.1°范圍內(nèi)；③在試驗(yàn)前利用砝碼對(duì)六維力傳感器的精度進(jìn)行標(biāo)定，保證力測(cè)量精度在0.5 N范圍內(nèi)；④如圖12 所示，臂桿處需平衡重力G為800 N（臂桿重81.6 kg），臂桿重力平衡固定點(diǎn)B與肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心A之間距離L為0.75 m，重力平衡繩與鉛垂線夾角為α。因?yàn)樵诓煌跏紬l件下，肩關(guān)節(jié)捕獲的角度范圍在5°以內(nèi)，為方便計(jì)算，在小角度范圍內(nèi)假設(shè)力F一直垂直于臂桿，重力平衡在肩關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的附加力矩為G×tanα×L×sinα，在捕獲范圍內(nèi)α最大值為24°，該位置是重力平衡力F產(chǎn)生的分力在圖9 肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處的附加力矩最大值為109 Nm，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)能力為1200 Nm，因此重力平衡的附加力矩僅為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的9%，不影響捕獲連接機(jī)構(gòu)的捕獲連接特性測(cè)試，重力平衡附加力矩對(duì)捕獲連接特性測(cè)試無(wú)影響。

圖12 重力平衡產(chǎn)生的附加力矩分析Fig.12 Analysis of additional moment caused by gravity balance

綜上所述，捕獲連接特性測(cè)試系統(tǒng)能夠保證測(cè)試的等效性和正確性。

6 結(jié)論

本文利用封閉矢量法以及仿真分析法確定捕獲初始條件和連接加載載荷的分析方法，提出了利用六自由度串聯(lián)平臺(tái)進(jìn)行位姿設(shè)定的方法以及基于模型預(yù)測(cè)的前饋補(bǔ)償控制策略實(shí)現(xiàn)六維力／力矩的隨動(dòng)加載控制方法，滿足了捕獲初始偏差設(shè)定和連接面載荷隨動(dòng)加載的測(cè)試需求。

本文方法可為各種對(duì)接機(jī)構(gòu)產(chǎn)品測(cè)試提供參考。