李海月，程 澤，趙丹妮，王浩威，李德勇，張加波，宋曉東，趙琳娜

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094；3.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京100081）

近年來，隨著航空航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，空間可展開機(jī)構(gòu)在人類探索太空的活動(dòng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，如高精度天線、大功率太陽能電池陣及多自由度精密機(jī)械臂等廣泛應(yīng)用于航天器［1-5］?？臻g可展開機(jī)構(gòu)是航天器的重要組成部分，模擬其在太空微重力環(huán)境下的展開鎖定是地面微重力模擬展開試驗(yàn)的重要內(nèi)容。隨著空間可展開機(jī)構(gòu)逐漸向多維度、多自由度的方向發(fā)展，對地面微重力試驗(yàn)設(shè)備主動(dòng)適應(yīng)性［6-7］的要求也越來越高，既要求其能滿足多維度、多自由度的需求，還要求其具備精度高、阻力小和可靠性高的特點(diǎn)。

基于此，筆者通過對比目前比較成熟的微重力模擬展開試驗(yàn)方法，結(jié)合懸吊法和氣浮法，擬設(shè)計(jì)一種適用于三維空間展開機(jī)械臂的多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)，并對其進(jìn)行功能測試和模擬試驗(yàn)。

1 微重力模擬展開試驗(yàn)方法比較

地面微重力模擬展開試驗(yàn)方法主要有懸吊法［8-12］、落塔法、水浮法［13］和氣浮法［14-20］，其中應(yīng)用最為廣泛的是懸吊法。懸吊法利用繩索機(jī)構(gòu)、滑輪組和配重來實(shí)現(xiàn)重力卸載，具有結(jié)構(gòu)簡單、自由度高的優(yōu)點(diǎn)，但也具有摩擦阻力大、精度低、滯后運(yùn)動(dòng)和柔性抖動(dòng)耦合以及復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡適應(yīng)性差的缺點(diǎn)。隨著氣浮法日漸成熟，氣浮系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛，該系統(tǒng)雖具有阻力小、周期短、成本低、可靠性高和運(yùn)動(dòng)軌跡適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但對試驗(yàn)平臺平面度和光滑度的要求較高，以及只能適應(yīng)二維平面運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其在多維空間的應(yīng)用受到限制。落塔法的造價(jià)極其昂貴，水浮法的維護(hù)成本過高，且實(shí)用性差，導(dǎo)致二者的局限性強(qiáng)，應(yīng)用范圍小。

2 多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)

三維空間展開機(jī)械臂具有尺寸大、自由度高和運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜的特點(diǎn)，因此對應(yīng)的地面微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能滿足其對空間、可靠性、自由度和軌跡跟蹤精度的要求。通過對比上述幾種微重力模擬展開試驗(yàn)方法可知，懸吊法和氣浮法技術(shù)成熟度高，所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無時(shí)間限制且易于維護(hù)。綜合懸吊法和氣浮法的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠高效、高精度地實(shí)現(xiàn)三維空間展開機(jī)械臂的地面微重力模擬展開試驗(yàn)。

三維空間展開機(jī)械臂由大臂和小臂兩組臂桿組成?；谄溥\(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)提出以下要求：1）能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間展開機(jī)械臂的三維軌跡微重力模擬展開運(yùn)動(dòng)；2）對三維空間展開機(jī)械臂產(chǎn)生的氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力（由氣浮托架產(chǎn)生）小于機(jī)械臂重力的1‰，垂直方向阻力波動(dòng)量不超過機(jī)械臂重力的2%，展開方向附加阻力小于5 N；3）卸載效率高于95%。

本文所設(shè)計(jì)的多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)包括大臂垂直懸吊裝置和智能跟隨氣浮車等2個(gè)子系統(tǒng)，其中大臂垂直懸吊裝置用于卸載三維空間展開機(jī)械臂大臂的重力，智能跟隨氣浮車用于卸載機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺的重力。2個(gè)子卸載系統(tǒng)卸載的重力分別為402 N和1 225 N，所卸載荷的比例為24.7%和75.3%。三維空間展開機(jī)械臂的微重力模擬展開試驗(yàn)示意圖如圖1所示，具體流程如下：

1）在大臂基準(zhǔn)端與航天器模擬接口連接后，大臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)大臂繞根部關(guān)節(jié)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)指定角度后停止；

2）大臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)大臂繞根部關(guān)節(jié)軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)至與小臂位于同一水平面后停止；

3）小臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂繞其關(guān)節(jié)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)至與大臂平行后停止。

當(dāng)三維空間展開機(jī)械臂的大臂、小臂水平轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，大臂垂直懸吊裝置和智能跟隨氣浮車需要與大臂、小臂一起運(yùn)動(dòng)；當(dāng)大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，智能跟隨氣浮車跟隨模擬負(fù)載水平移動(dòng)的同時(shí)其氣浮平臺跟隨小臂和模擬負(fù)載向上或向下移動(dòng)。在上述運(yùn)動(dòng)過程中，要求大臂垂直懸吊裝置和智能氣浮跟隨車具有較高的卸載能力和跟隨能力，其中卸載效率應(yīng)高于95%；要求大臂垂直懸吊裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力較小。

基于上述要求，在大臂垂直懸吊裝置上安裝力傳感器，對三維空間展開機(jī)械臂展開過程中的重力卸載情況進(jìn)行檢測，以實(shí)時(shí)判斷多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)的卸載能力是否在可控范圍內(nèi)；除此之外，在智能氣浮跟隨車上安裝位置傳感器，以對模擬負(fù)載的支撐位置和智能氣浮跟隨車車體的位置進(jìn)行檢測，并將位置誤差反饋給車體控制器以進(jìn)行位置補(bǔ)償，從而控制智能氣浮跟隨車的跟隨能力。

圖1 三維空間展開機(jī)械臂微重力模擬展開試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of microgravity simulation deployment test of three-dimensional space unfolding robotic arm

2.1 大臂垂直懸吊裝置

2.1.1 大臂垂直懸吊裝置的結(jié)構(gòu)

大臂垂直懸吊裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由搖臂架和懸吊裝置（由滑車、力傳感器、滑輪和同步帶構(gòu)成）組成。搖臂架轉(zhuǎn)軸與三維空間展開機(jī)械臂大臂根部關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)中心同軸安裝，并跟隨大臂的展開進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；搖臂架上部的三角結(jié)構(gòu)與下部的滑動(dòng)軸之間裝有微調(diào)旋鈕，通過微調(diào)旋鈕來調(diào)控滑動(dòng)軸的水平度；滑車通過4個(gè)小軸承在搖臂架的滑動(dòng)軸上滑動(dòng)。懸吊裝置與三維空間展開機(jī)械臂大臂通過同步帶連接，2條同步帶通過抱環(huán)實(shí)現(xiàn)大臂的懸吊；同步帶一端與滑輪連接，滑輪可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，以確保大臂繞自身軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)順暢；滑輪與滑車之間裝有力傳感器，可對三維空間展開機(jī)械臂微重力模擬展開試驗(yàn)過程中的卸載力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、采集，提高重力卸載的可靠性。

大臂垂直懸吊裝置可實(shí)現(xiàn)三維空間展開機(jī)械臂大臂在微重力條件下的展開運(yùn)動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)展開過程中，由于沒有配重，大臂垂直懸吊裝置的自身質(zhì)量較?。s為22 kg），且搖臂架轉(zhuǎn)軸和滑車間裝有軸承，確保了跟隨運(yùn)動(dòng)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，極大地減小了工裝對機(jī)械臂展開運(yùn)動(dòng)過程的影響。

圖2 大臂垂直懸吊裝置的結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structure composition of boom vertical suspension device

2.1.2 大臂垂直懸吊裝置的功能

大臂垂直懸吊裝置的主要功能如下：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)對三維空間展開機(jī)械臂大臂的重力卸載；

2）裝置輸出力可手動(dòng)調(diào)節(jié)，以確保卸載精度；

3）在試驗(yàn)過程中能夠利用力傳感器實(shí)時(shí)檢測重力卸載情況，并在試驗(yàn)結(jié)束后輸出重力卸載數(shù)據(jù)包；

4）在三維空間展開機(jī)械臂裝配完成后，能夠?qū)崿F(xiàn)與機(jī)械臂的快速連接和分離。

2.1.3 大臂垂直懸吊裝置的工作原理

在三維空間展開機(jī)械臂的微重力模擬展開試驗(yàn)中，大臂根部與航天器模擬接口連接，根據(jù)大臂抱環(huán)安裝位置，計(jì)算2個(gè)懸吊位置處的卸載力。當(dāng)懸吊裝置與大臂連接后，通過微調(diào)懸吊裝置中的調(diào)節(jié)裝置，將力傳感器的讀數(shù)調(diào)節(jié)到指定范圍內(nèi)；調(diào)節(jié)結(jié)束后，鎖定調(diào)節(jié)裝置。

由圖3所示的大臂受力情況可知，2個(gè)懸吊位置處的卸載力為：

式中：F為大臂重力；F1、F2分別為2個(gè)懸吊位置處的卸載力；L為重力的力臂；L1、L2分別為2個(gè)卸載力的力臂。

圖3 大臂受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of force on the boom

2.2 智能跟隨氣浮車

2.2.1 智能跟隨氣浮車的結(jié)構(gòu)

智能跟隨氣浮車由支撐平臺、車體支撐及驅(qū)動(dòng)組件、氣浮平臺、氣浮托架、重力平衡子系統(tǒng)和測控系統(tǒng)（圖中未顯示）等組成，如圖4所示，其各結(jié)構(gòu)的組成如表1所示。

圖4 智能跟隨氣浮車的結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Structure composition of intelligent follow air floatation vehicle

智能跟隨氣浮車有2套氣浮支撐系統(tǒng)（由氣浮平臺和氣浮托架組成），氣浮支撐系統(tǒng)具有摩擦阻力小的優(yōu)點(diǎn)。雙氣浮支撐系統(tǒng)的使用進(jìn)一步降低了三維空間展開機(jī)械臂模擬展開時(shí)的氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，可有效提高氣浮托架的運(yùn)動(dòng)跟隨能力，這對保證微重力模擬展開試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性具有重要意義。

表1 智能跟隨氣浮車各結(jié)構(gòu)的組成Table 1 Composition of each structure of intelligent follow air floatation vehicle

2.2.2 智能跟隨氣浮車的功能

智能跟隨氣浮車的主要功能如下：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)對三維空間展開機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺的重力卸載。

2）在試驗(yàn)過程中，能夠在空間上對模擬負(fù)載的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行三維立體跟隨。

3）對三維空間展開機(jī)械臂進(jìn)行多重安全保護(hù)，確保工作異常狀態(tài)下機(jī)械臂及模擬負(fù)載的安全。

2.2.3 智能跟隨氣浮車的工作原理

在智能跟隨氣浮車工作過程中，車體支撐組件為智能跟隨氣浮車整車、三維空間展開機(jī)械臂小臂和模擬負(fù)載提供氣浮支撐，驅(qū)動(dòng)組件跟隨氣浮托架，實(shí)現(xiàn)對氣浮車的運(yùn)動(dòng)跟隨；重力平衡子系統(tǒng)對三維空間展開機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺進(jìn)行重力卸載，并對小臂回轉(zhuǎn)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟隨；測控系統(tǒng)用于監(jiān)測和反饋2個(gè)氣浮支撐系統(tǒng)的位置偏差。

1）重力卸載。

重力平衡子系統(tǒng)利用三維空間展開機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺的重力，配重重力以及運(yùn)動(dòng)摩擦阻力三者間的平衡實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺的重力卸載。在三維空間展開機(jī)械臂大臂和小臂水平展開過程中，重力平衡子系統(tǒng)處于靜平衡狀態(tài)；當(dāng)小臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力平衡子系統(tǒng)通過增減砝碼來形成動(dòng)平衡狀態(tài)。

當(dāng)模擬負(fù)載向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)摩擦阻力與機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺的重力方向一致，減小配重的砝碼質(zhì)量，并施加微小初速度，打破重力平衡子系統(tǒng)的靜平衡，形成向上運(yùn)動(dòng)的動(dòng)平衡狀態(tài)。此時(shí)：

式中：Ff為運(yùn)動(dòng)摩擦阻力；Fm為配重重力；Fp為三維空間展開機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺的總重力。

當(dāng)模擬負(fù)載向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)摩擦阻力與三維空間展開機(jī)械臂小臂、模擬負(fù)載和氣浮平臺的重力方向相反，增大配重的砝碼質(zhì)量，并施加微小初速度，打破重力平衡子系統(tǒng)的靜平衡，形成向下運(yùn)動(dòng)的動(dòng)平衡狀態(tài)。此時(shí)：

重力平衡子系統(tǒng)中配重與氣浮平臺通過拉力繩相連。為防止拉力繩斷裂，造成三維空間展開機(jī)械臂和智能跟隨氣浮車的損壞，特采用雙拉力繩進(jìn)行保護(hù)。在進(jìn)行雙拉力繩冗余設(shè)計(jì)時(shí)，采用抗拉強(qiáng)度較大的拉力繩，一旦其中一條拉力繩斷裂，另一條拉力繩能瞬間被拉直，繼續(xù)保證重力平衡子系統(tǒng)兩端配重和氣浮平臺可靠連接。

2）運(yùn)動(dòng)跟隨。

智能氣浮跟隨車的運(yùn)動(dòng)軌跡是直線和弧線的耦合，需要同時(shí)檢測X、Y方向的位置偏差，因此需要通過2個(gè)二維平面?zhèn)鞲衅鳒y量車體2個(gè)點(diǎn)的位移差來獲得其移動(dòng)速度。沿垂直運(yùn)動(dòng)方向，在智能氣浮跟隨車上并排安裝2個(gè)PSD（position sensitive detector，位置傳感器），其中PSD發(fā)射端安裝在氣浮托架上，接收端安裝于氣浮平臺上。以PSD接收端面板幾何中心為原點(diǎn)，建立平面二維坐標(biāo)系XOY。2個(gè)PSD連線中心點(diǎn)所處的中心軸線與全向移動(dòng)輪系所處的中心軸線的初始位置一致，即坐標(biāo)原點(diǎn)處。PSD的結(jié)構(gòu)示意圖和布置方式分別如圖5和圖6所示。

圖5 PSD的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of PSD

圖5中，I1、I2、I3、I4分別表示PSD的4個(gè)電極的光電流，x、y表示光點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)4個(gè)電極的光電流，可求得：

圖6 PSD的布置方式Fig.6 Layout of PSD

通過光點(diǎn)與PSD的位置關(guān)系獲得2個(gè)PSD的坐標(biāo)為（x1、y1）、（x2、y2），由此可獲得智能跟隨氣浮車在單位時(shí)間Δt內(nèi)的位置偏差Δx、Δy，以及其車體中心的移動(dòng)速度vx、vy，可表示為：

智能跟隨氣浮車的跟隨誤差包括水平跟隨誤差和豎直跟隨誤差，其中水平跟隨誤差可以通過PSD采集的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。由于豎直運(yùn)動(dòng)與水平運(yùn)動(dòng)具有相關(guān)性，豎直跟隨誤差可以根據(jù)水平跟隨誤差計(jì)算得到，表示為：

式中：σsz為豎直跟隨誤差；σsp為水平跟隨誤差；α為三維空間展開機(jī)械臂大臂的回轉(zhuǎn)角度，4.37°≤α≤90°。

智能跟隨氣浮車工作過程中的展開方向附加阻力由兩部分組成：一是整車隨動(dòng)氣足的氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力；二是展開方向上氣浮平臺傾角波動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)滑力。傾角波動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)滑力是指由于氣浮平臺傾角變化造成氣浮平臺承托平面與重力方向不垂直，從而產(chǎn)生沿氣浮平臺承載面方向的分力。如圖7所示，側(cè)滑力的計(jì)算公式如下：

式中：Fch為側(cè)滑力；Gcp為三維空間展開機(jī)械臂小臂和模擬負(fù)載的重力；Gtp為氣浮托架的重力；β為波動(dòng)傾角。

因此，智能跟隨氣浮車的展開方向附加阻力為：

式中：Fzl為展開方向附加阻力；Fqf為整車隨動(dòng)氣足的氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

大臂垂直懸吊裝置作為航天器最常用的重力卸載設(shè)備，其可靠性已進(jìn)行過多次驗(yàn)證。但是，智能跟隨氣浮車作為一個(gè)新開發(fā)的設(shè)備，需對其進(jìn)行功能測試和負(fù)載試驗(yàn)。功能測試用于驗(yàn)證智能跟隨氣浮車的使用精度，負(fù)載試驗(yàn)用于驗(yàn)證由大臂垂直懸吊裝置和智能跟隨氣浮車構(gòu)成的微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。

3.1 功能測試

為測試智能跟隨氣浮車的功能，對其跟隨速度、氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力（由氣浮托架產(chǎn)生，下文同）、垂直方向阻力波動(dòng)量和展開方向附加阻力進(jìn)行測試。

1）跟隨速度測試。

三維空間展開機(jī)械臂的最大展開速度為0.04 r/min，按照跟隨速度是2倍以上展開速度的要求，智能跟隨氣浮車的跟隨速度需大于0.08 r/min。將三維空間展開機(jī)械臂的展開速度分別設(shè)定為0.07，0.08和0.09 r/min，測試不同展開速度下智能跟隨氣浮車的跟隨速度，結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明智能跟隨氣浮車能夠在2倍展開速度下保持運(yùn)動(dòng)跟隨。

表2 不同展開速度下智能跟隨氣浮車的跟隨情況Table 2 Following situation of intelligent follow air floatation vehicle under different deployment speeds

2）氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力測試。

模擬負(fù)載放置在智能跟隨氣浮車的氣浮托架上后，使用測力計(jì)測量氣浮托架沿X、Y方向緩慢運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。三維空間展開機(jī)械臂小臂和模擬負(fù)載的總質(zhì)量為122.5 kg，按照氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力不應(yīng)超過產(chǎn)品重力的1‰的要求可知，氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力應(yīng)小于1.22 N。對智能跟隨氣浮車X、Y方向的氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力進(jìn)行3次測量，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，智能跟隨氣浮車的最大氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力為0.92 N，滿足使用要求。

表3 智能跟隨氣浮車氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力測試結(jié)果Table 3 Test results of air flotation friction resistance of intelligent follow air floatation vehicle單位：N

3）垂直方向阻力波動(dòng)量測試。

模擬負(fù)載放置在智能跟隨氣浮車上后，通過增減砝碼來調(diào)整配重質(zhì)量，以使其剛好緩慢移動(dòng)。配重每移動(dòng)200 mm調(diào)整一次砝碼質(zhì)量，并對當(dāng)前砝碼質(zhì)量進(jìn)行記錄。三維空間展開機(jī)械臂小臂和模擬負(fù)載的總質(zhì)量為122.5 kg，按照垂直方向阻力波動(dòng)量不得超過產(chǎn)品重力的2%的要求可知，垂直方向阻力波動(dòng)量應(yīng)小于24.5 N。通過分析表4中的砝碼質(zhì)量可知，智能跟隨氣浮車垂直方向阻力波動(dòng)量不大于9.2 N，滿足使用要求。

表4 智能跟隨氣浮車垂直方向阻力波動(dòng)量測試結(jié)果Table 4 Test results of vertical resistance fluctuation of intelligent follow air floatation vehicle

4）展開方向附加阻力測試。

在三維空間展開機(jī)械臂大臂展開、大臂回轉(zhuǎn)、小臂和模擬負(fù)載展開三種工況下分別對智能跟隨氣浮車進(jìn)行展開方向附加阻力測試，結(jié)果如表5所示。測試結(jié)果表明智能跟隨氣浮車展開方向附加阻力的最大值為4.74 N，滿足小于5 N的要求。

表5 智能跟隨氣浮車展開方向附加阻力測試結(jié)果Table 5 Test results of additional resistance in the deploymentdirection ofintelligentfollow air floatation vehicle 單位：N

3.2 微重力模擬展開試驗(yàn)

利用本文研制的多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)，對某三維空間展開機(jī)械臂進(jìn)行了地面微重力模擬展開試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖8所示。在試驗(yàn)過程中，完成了該三維空間展開機(jī)械臂在水平和豎直兩個(gè)相交平面內(nèi)的三維空間展開運(yùn)動(dòng)。共進(jìn)行2次模擬展開試驗(yàn)，大臂垂直懸吊裝置上2個(gè)力傳感器測得的數(shù)據(jù)如表6所示。由表6中數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)微重力模擬展開試驗(yàn)過程中，即三維空間展開機(jī)械臂從初始狀態(tài)到全部展開鎖定的過程中，2個(gè)力傳感器測得的卸載力變化較小，總卸載力最大變化了13 N，卸載質(zhì)量為39.2～40.8 kg。三維空間展開機(jī)械臂的總質(zhì)量約為40.2 kg，通過計(jì)算可知多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)的重力補(bǔ)償精度為1.47%～2.59%，表明該系統(tǒng)可滿足重力卸載效率優(yōu)于95%的要求。

圖8 某三維空間展開機(jī)械臂的微重力模擬展開試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.8 Microgravity simulation deployment test site of a three-dimensional space unfolding robotic arm

4 總結(jié)

大型空間可展開機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于太陽能電池陣、空間天線、星載雷達(dá)及空間站等眾多空間領(lǐng)域，與之相匹配的地面微重力模擬展開試驗(yàn)技術(shù)也受到越來越多的關(guān)注。地面微重力模擬展開試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步可推動(dòng)大型空間可展開機(jī)構(gòu)的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一種基于懸吊法和氣浮法的多自由度微重力模擬展開試驗(yàn)系統(tǒng)，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間展開機(jī)械臂的三維軌跡微重力展開，而且對機(jī)械臂產(chǎn)生的氣浮運(yùn)動(dòng)摩擦阻力（由氣浮托架產(chǎn)生）小于機(jī)械臂重力的1‰，垂直方向阻力波動(dòng)量不超過機(jī)械臂重力的2%，展開方向附加阻力小于5 N，卸載效率高于95%，能夠最大程度地驗(yàn)證機(jī)械臂的各項(xiàng)性能指標(biāo)，這可為多自由度空間可展開機(jī)構(gòu)的地面模擬展開試驗(yàn)研究提供重要參考。

表6 三維空間展開機(jī)械臂微重力模擬展開試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Microgravity simulation deployment test results of three-dimensional space unfolding robotic arm 單位：kg