空间站机械臂关键技术研究

李大明，饶 炜，胡成威，王耀兵，唐自新，王友渔

(中国空间技术研究院总体部，北京100094)

1 引言

空间站机械臂是我国空间站建造、运营、维修及拓展等过程中不可或缺的关键设备之一［1］。它涉及机、电、热、光、控等多学科交叉耦合，高度集成且研制难度巨大［2］。与俄罗斯及美国等发达国家相比，我国在基础学科特别是材料、元器件、加工、制造及测试等方面还存在较大差距，因此瞄准国际航天技术前沿、攻克重大关键技术，是我国航天事业实现跨越式发展、缩小与世界先进水平差距的必由之路。空间站机械臂的研制为我国迅速发展空间机器人技术提供了一个良好的机遇，也使我国航天科技人员面临前所未有的巨大挑战。

从2007年起，中国空间技术研究院总体部全面启动了空间站机械臂的研发工作［3-5］，先后研制了空间站机械臂原理样机和工程样机，开展了大量的技术验证工作。目前已初步突破系统设计与分析、核心产品设计、系统仿真验证、整臂控制、功能测试、空间环境适应性验证等各个方面的关键技术。本文结合我国空间站机械臂任务要求，提出了机械臂技术解决方案，并阐述了关键技术攻关成果。

2 任务要求

依据我国空间站工程的建设方案，空间站机械臂在轨的主要任务包括:

1)空间站舱段转位与辅助对接:空间站三舱基本构型采用对接和转位的方式完成建造，实验舱先对接于核心舱节点舱的轴向端口，然后通过机械臂实现舱段分离、转位、再对接操作，对接于节点舱侧面;

2)悬停飞行器捕获与辅助对接:采用机械臂实现来访飞行器捕获，并将其转移至空间站停泊口或对接口处，完成来访飞行器与空间站对接;

3)支持航天员出舱活动:航天员通过脚限位器可以将自己固定于机械臂末端，在机械臂的支持下，进行大范围转移完成既定任务;

4)舱外各类负载搬运:通过机械臂实现不同负载的位置转移;

5)舱外状态检查:利用机械臂末端可移动能力及配置的视觉系统，实现空间站定期巡检，舱体表面图像传回舱内，供舱内航天员(或地面飞控人员)观察，判断舱壁健康状态;

6)舱外设备安装、更换或维修:航天员在舱内控制机械臂实现空间站平台、载荷等大质量设备的安装、更换或维修过程中搬运、机械对齐与连接等工作。

我国空间站需要配置核心舱机械臂和实验舱机械臂各一套，共同完成上述任务。其中核心舱机械臂规模大且承载能力强，能够完成大负载搬运、大范围转移、舱段转位对接等类型任务;实验舱机械臂灵活小巧，能够完成载荷安装等精细化操作任务［1］。

3 国内外空间站机械臂比较

最具代表性的空间站舱外机械臂是由加拿大和NASA联合研制的舱外移动服务系统［6］，主要包括一个大型遥操作臂系统(SSRMS)(长17.6 m、7个自由度)、一个特殊用途的灵巧操作臂(SPDM)(长3.5 m、15个自由度)以及移动基座。该系统初始安装在“国际空间站”的美国舱段上［7］。

此外，在“国际空间站”还配备了两个大型空间舱外机器人系统分布安装在俄罗斯舱和日本舱，即欧洲航天局研制的欧洲机械臂(ERA)［8］(长11.3 m，7个自由度)和日本研制的实验舱机械臂系统(JEMRMS)［9］(长9.9 m，6 个自由度，末端安装一个2 m长的6自由度小型灵巧机械臂)。

我国空间站核心舱机械臂具有7个自由度，臂长10.2 m，当前可实现性能指标与国际先进机械臂指标对比情况如表1所示［10］。由表可知，我国空间站核心舱机械臂在各项指标对比中均与国际先进水平相当，其中承载能力、精度和速度等关键指标处于国际领先水平。

4 主要技术方案

如图1所示，核心舱机械臂由天、地两大部分组成。

表1 国内外机械臂性能对比Table 1 Performances of manipulators

图1 我国空间站机械臂系统构成Fig.1 Constitution of the space station manipulator of china

1)舱内部分

舱内部分由机械臂操作台和空间站为机械臂提供的接口组成，为机械臂提供电源、数据、指令、操作控制的保障。

2)舱外部分

锁紧释放机构用以完成机械臂发射或轨道机动阶段的锁紧和入轨或姿态稳定后的解锁释放。

机械臂本体由7个关节、2个末端执行器、2个臂杆、1个中央控制器以及1套视觉相机系统组成。关节的配置采用“肩3+肘1+腕3”方案，即肩部依次设置肩回转关节、肩偏航关节和肩俯仰关节，肘部设置肘俯仰关节，腕部依次设置腕俯仰关节、腕偏航关节和腕回转关节。这种对称的结构可在空间站舱体表面实现肩、腕互换的位置转移，即“爬行”。关节是机械臂的核心部分，是机械臂实现各种运动的直接执行部件。末端执行器能够实现对目标适配器的捕获、锁紧和释放，是完成抓握目标的主要工具。核心舱机械臂配备3台视觉相机，肩部、肘部、腕部各1台，肩部和腕部相机可对目标实现识别和位姿测量功能，肘部相机具有视频监视功能。臂杆是机械臂的结构部分，用来连接与支撑关节、末端执行器、中央控制器等部件。中央控制器是机械臂控制核心，依据在轨路径规划与算法或地面注入运动规划实现指定运动;它还集成了以太网络交换机，能够对视觉相机的视频信号进行集中管理。

目标适配器是末端执行器抓取的目标，布置在空间站舱体表面用于“爬行”，或布置在目标物体上用于抓取物体。

3)遥操作平台

地面系统主要由遥操作平台组成，实现天、地通信，用于机械臂在轨任务的地面规划以及运动控制，同时具有机械臂故障检测与在轨诊断的能力。

5 关键技术

结合我国空间站方案设计阶段的主要工作成果，对以高精度伺服控制技术、多约束路径规划技术等为代表的八大类关键技术逐一进行描述。

5.1 高精度伺服控制技术

影响机械臂精度的主要因素包括系统误差和随机误差，其中装配间隙、控制器误差以及环境因素等引起的随机误差难以消除，但是对于机械臂零部件机械加工误差、基座装配误差以及负载引起的误差等系统误差，可以通过标定及控制补偿等手段加以消除，从而实现机械臂末端高精度控制。

高精度伺服控制技术主要包括集中式和分布式两种控制形式［2］。考虑到机械臂多关节设备离散分布且单关节功能复杂的特点，如果采用集中控制需要解决电缆布线复杂、信号相互干扰以及分时控制一致性不强等问题，因此机械臂优选采用分布式控制方式。分布式控制采用单关节集成控制器方式，伺服控制可采用位置环、速度环、电流环反馈控制，并辅以动力学前馈补偿、摩擦力补偿等方法。将电机的驱动测量信号的采集处理、运动控制等功能直接解决在单个关节上，通过并行处理与工作可以有效避免相互干扰。

核心舱机械臂工程样机二维平动验收测试结果表明，机械臂末端定位精度约为20 mm，姿态定位精度约为0.4°。依据机械臂运动学仿真分析，预示机械臂在轨三维任务工况下的末端定位精度可优于45 mm，姿态定位精度可优于1°。

5.2 多约束路径规划技术

核心舱机械臂在采用通用逆运动学进行仿真规划的基础上，针对空间站姿态扰动、舱外布局设计、空间站避碰需求等约束条件，开展了路径规划优化技术研究。

针对机械臂和空间站几何形状，将机械臂可能发生碰撞杆件以及舱体分别进行简化处理，机械臂与空间站之间的碰撞检测归结为线段间距计算，以此判断是否发生碰撞。机械臂在运动过程中，实时进行碰撞检测，确保任务过程安全。

对于机械臂抓捕动作，采取分段路径规划策略，设立中间点，将中间点之后的运动设计为垂直于目标适配器锥杆的直线运动，以免同锥杆发生侧向碰撞;另外，根据空间站基座和空间机械臂关节速度之间的映射关系，以初始和终止关节角度/角速度/角加速度为条件，建立空间站基座位姿扰动和关节角速度关系的多项式或目标函数，在此基础上，应用相关算法进行最优路径求解，实现对基座姿态扰动最小化的路径规划;综合考虑机械臂任务期望目标位姿、机械臂当前构型及末端位置、机械臂所处环境等信息，采用最短距离规划算法完成机械臂空间最短路径选择。以上描述的抓捕碰撞力最小、基座扰动最小、转移时间最短的规划方法可应用于特定任务的顶层规划。

5.3 多柔体系统动力学建模与分析技术

空间机械臂在轨运动时，其臂杆及关节的柔性及振动对机械臂的动态特性(如定位精度、平稳性等)影响较大，甚至影响系统安全性，因此机械臂柔性动力学建模与分析技术是系统设计及在轨任务验证的重要基础。

针对核心舱机械臂任务特点，根据关节中电机、行星减速器等部件的工作原理建立关节动力学模型，考虑摩擦、间隙、刚度、负载变化影响等非线性因素;同时采用有限元方法建立臂杆模态模型，建立带柔性钢丝绳的末端执行器动力学模型，用于机械臂捕获过程的仿真验证。

在空间站方案设计阶段，针对核心舱机械臂转位与辅助对接两个实现难度大的核心任务进行了重点研究。我国空间站采用了周边式对接机构［11］，这类对接机构虽在主动对接的互换性、对接后的偏离校正等方面具有一定优势，但是这类对接机构在主动环、被动环中心存在偏差时，需要的对接力较大，这对于核心舱机械臂来说是难以做到的。核心舱机械臂采用视觉闭环方法减少对接前两对接口中心偏差，从而大幅减小对接过程中所需要的推力;对接过程中，核心舱机械臂采用力控制方法辅助对接任务方案可行。

5.4 目标识别与测量技术

核心舱机械臂目标识别与测量依靠视觉相机系统完成。视觉相机实现视场范围内已知尺寸、形状、分布和数量等信息的视觉标记快速、可靠的检测和连续跟踪，并实时连续输出特定观测目标与机械臂特定组件之间高精度的相对位姿关系，即目标坐标系与组件坐标系之间的变换关系，包括旋转矩阵和平移向量，提供机械臂控制系统或航天员做出操作判断。在目标识别与测量方面，完成如下成果:

1)确定相机标定方案。为保证测量功能的实现并满足测量精度的要求，需要通过标定过程获取相机成像模型中的所有未知参数，包括表示相机内部结构的内部参数和相机空间位姿的外部参数。

2)确定目标识别技术方案。核心舱机械臂视觉相机对装配有特定人工视觉标记的合作目标进行识别。

3)确定目标测量方案。采用双目相机测量，根据相机模型和图像特征的匹配结果，求解出标记在双目视觉系统坐标系下坐标，再建立与标记在目标坐标系下坐标的一一对应关系，进而计算得到目标位姿。

5.5 核心机构部件设计技术

核心机构部件主要包括关节和末端执行器。

关节设计难度一方面是传动及轴系结构复杂且精度要求高，需要综合考虑布局及测量等方面的影响，另一方面还要考虑产品装配工艺性及在轨维修性等方面的影响。最终核心舱机械臂关节采用机、电、热高度集成的一体化设计方案，由完全备份的电机组件、减速器、双通道旋变、轴系、控制器、电源模块、热控组件等几部分组成。电机组件主要由直流无刷电机、制动器和双通道旋变组成;减速器采用双驱动齿轮减速和多级行星减速的传动形式;控制器同时集成关节运动控制和热控控制两部分功能。整机刚度约为1×106N·m/rad，与加拿大臂同类产品相当。

核心舱机械臂具备“爬行”功能，并可与实验舱机械臂合作，进行空间作业，这需要机械臂应具备与目标物之间高刚度连接功能，同时还能够进行电连接。要实现空间自动电器连接，首先应保证被连接物之间的高精度对接，然后再进行电连接，并要求电连接器也应具备一定容差功能。由这些功能需求确定末端执行器由捕获模块、拖动模块、四个锁紧模块、壳体组件、配电组件、控制器、六维力传感器等组成，实现对安装有目标适配器的目标物实施抓取、释放功能。

5.6 活动部件长寿命润滑设计

为了保持设计寿命内润滑性能稳定，满足工作任务要求，对活动部件的润滑方式及材料进行充分选型:

1)在高速轻载传动机构润滑方面，设计采用了脂润滑材料;

2)在低速重载机构润滑方面，设计采用固体润滑材料;

3)在薄壁轴承润滑方面，针对薄壁轴承重力环境下自变形、内外圈受结构影响较大等特点，采用内外圈沟道溅射固体润滑材料;

4)在润滑材料空间环境适应性及防护方面，针对各种润滑材料，特别是非密封且暴露在舱外环境的润滑材料，进行空间环境适应性试验，验证了润滑材料可满足空间长寿命要求。

5.7 双臂组合操作技术

核心舱机械臂和实验舱机械臂具有串联在一起组合工作的模式，组合操作技术主要包括组合接口设计和组合控制策略两个方面:

1)组合接口设计。考虑到核心舱机械臂与实验舱机械臂的直径不同，设计了锥台形转接件，转接件两侧可分别与核心舱机械臂、实验舱机械臂进行机械连接，实现两臂的串联组合。在核心舱机械臂或实验舱机械臂独立工作时，转接件悬挂于空间站舱体表面;另外，为了减少空间站出舱电缆的需求，核心舱机械臂设计有实验舱机械臂所需的测控接口及信息接口，在两臂组合时实现电气连接。

2)组合控制方案。为提高组合臂控制的可靠性和安全性，组合臂采用分时独立控制的方案，即核心舱机械臂运动时，实验舱机械臂不动;核心舱机械臂到达指定位置后制动，为实验舱机械臂提供基座，之后实验舱机械臂进行相应精细化操作。

5.8 地面试验验证技术

对于核心舱机械臂这种大型空间机构系统，地面上难以采用全物理测试方式验证其在轨实际运动功能，建议采取数字仿真、半物理试验及物理试验相结合方式，以期全面覆盖机械臂在轨任务:

1)数字仿真。利用部件测试、机械臂二维测试数据校正数字机械臂模型，使得模型表现出的运动特性与物理产品相逼近;采用全数字模型实施在轨任务验证。

2)半物理试验。机械臂除控制系统外的部分采用数字模型，控制系统采用物理产品，两者交互，对控制系统实施全任务的测试，确保控制系统设计正确。

3)物理试验。采用气浮平台与悬吊系统相结合方式，实现机械臂二维平面内测试与验证，获得机械臂运动特性数据，与数字模型相互验证。

6 结论

空间站机械臂对我国空间站建造与运营起着至关重要的作用，在空间站工程推动下，已完成空间站机械臂高精度伺服控制、多约束路径规划、多柔体系统动力学建模与分析、目标识别与测量、核心机构部件设计、活动部件长寿命润滑、双臂组合操作、地面试验验证共八大类关键技术攻关，具备了工程化实施条件。

［1］周建平.我国空间站工程总体构想［J］.载人航天，2013，19(2):1-10.

［2］于登云，孙京，马兴瑞.空间机械臂技术及发展建议［J］.航天器工程，2007，16(4):1-8.

［3］张凯锋，周晖，温庆平，等.空间站机械臂研究［J］.空间科学学报，2010，30(6):612-619.

［4］于登云，潘博，孙京.空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展［J］.航天器工程，2010，19(2):1-10.

［5］张晓东.空间柔性机械臂控制策略研究［D］.北京:北京邮电大学，2008.

［6］Stieber M E，Trudel C P，Hunter D G.Robotic system for the international space station［C］//Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation Albuquerque，New Mexico，1997:3068-3073.

［7］Gibbs Graham，Sachdev Savi.Canada and the international space station program:overview and status［J］.Acta Astronautica，2002，51(1):591-600.

［8］Mozzon J M，Crausaz A，Favre E，et al.Torque Control Design of the European Robotic Arm［C］//Proceedings of the 50th European Space Conference，Tarragona，Spain，1998:335-342.

［9］Shiraki K，Ozawa K，Matsueda T，et al.JEMRMS development status［C］//Proceedings of the 44th Congress of the International Astronautical Federation，Graz，Austria，1993:1-5.

［10］Patten L，Evans L，Oshinowo L，et al.International Space Station Robotics:A Comparative Study of ERA，JEMRMS and MSS［C］//Proceedings of the 7th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation‘ASTRA 2002’ ESTEC，Noordwijk，The Netherlands，2002:1-8.

［11］秦文波，陈萌，张崇峰，等.空间站大型机构研究综述［J］.上海航天，2010，27(4):32-42.