曾 磊,陳 明,孫 康,金 儼,朱 超,張昕蕊,劉 賓,熊明華

(空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

空間機(jī)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜,所處環(huán)境為微重力環(huán)境,并要求其具有高壽命、高可靠性。因此,在地面階段需要制定產(chǎn)品裝配及測(cè)試方案,模擬在軌真實(shí)狀態(tài),對(duì)產(chǎn)品裝配精度、內(nèi)應(yīng)力等進(jìn)行嚴(yán)格控制,充分模擬在軌失重狀態(tài),避免因上述問(wèn)題造成系統(tǒng)功能及性能測(cè)試結(jié)果失真或產(chǎn)品受損[1]。

空間機(jī)械臂作為中國(guó)空間站建造、運(yùn)營(yíng)、維修及拓展等過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一,研制成本高昂,難度和風(fēng)險(xiǎn)巨大,為保證在軌工作的可靠性,必須在地面階段充分模擬在軌工作狀態(tài),減小外界干擾,保證測(cè)量結(jié)果的有效性[2-4]。

空間機(jī)械臂產(chǎn)品傳動(dòng)環(huán)節(jié)機(jī)構(gòu)緊湊,各組成單機(jī)質(zhì)量大、精度高、運(yùn)動(dòng)范圍大。傳統(tǒng)的氣球吊掛、桁架等均無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求,且關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器等產(chǎn)品內(nèi)部串聯(lián)有位置及力/力矩傳感器,以檢測(cè)產(chǎn)品位置及力/力矩狀態(tài),其受外界干擾測(cè)試結(jié)果變化明顯,額外的裝配附加應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件自身的力傳感器數(shù)據(jù)失真,性能測(cè)試結(jié)果畸變,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失效甚至產(chǎn)品受損。如何在地面模擬在軌產(chǎn)品微重力狀態(tài),抵消重力對(duì)產(chǎn)品功能及性能影響極為關(guān)鍵。

相對(duì)傳統(tǒng)的剛性裝配,航天中柔性裝配技術(shù)越來(lái)越受到重視。在機(jī)構(gòu)產(chǎn)品及航天器裝配過(guò)程中可采取主動(dòng)柔順及被動(dòng)柔順2 種方式,其中被動(dòng)柔順采用彈性機(jī)構(gòu),主動(dòng)柔順采用力/力矩反饋等方式,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋受力狀態(tài),實(shí)現(xiàn)部件的無(wú)應(yīng)力裝配[5-8]。

傳統(tǒng)的懸掛方法存在很多外加干擾且精度有限,水浮法維護(hù)費(fèi)用較高且流體阻尼影響被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)性能,常規(guī)氣浮式仿真系統(tǒng)只能提供兩維空間的運(yùn)動(dòng)模型。本文提出了一種基于氣浮平臺(tái)的空間7 自由度機(jī)械臂地面無(wú)應(yīng)力裝配方法,實(shí)現(xiàn)了三維空間中7 個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的無(wú)應(yīng)力狀態(tài)裝配,對(duì)各組成單機(jī)采取獨(dú)立安裝及受力監(jiān)測(cè),利用氣足懸浮+懸吊的方法實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)的懸掛法、氣浮法[9],該方法抗外界干擾能力強(qiáng),精度高,運(yùn)動(dòng)范圍廣,經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證有效。本文從裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施和試驗(yàn)等方面,對(duì)裝配方法進(jìn)行了說(shuō)明。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)空間站大型機(jī)械臂具有7 個(gè)自由度,臂長(zhǎng)約10 m,如圖1 所示,主要包括7 個(gè)關(guān)節(jié)、2 根臂桿、1 個(gè)中央控制器、2 套末端執(zhí)行器以及一套視覺(jué)相機(jī)系統(tǒng),所有關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)的配置采用肩3+肘1+腕3(簡(jiǎn)稱(chēng)3+1+3 構(gòu)型)構(gòu)型方案。

圖1 空間機(jī)械臂構(gòu)型Fig.1 Configuration of space manipulator

該裝配系統(tǒng)利用氣懸浮原理抵消重力,在氣浮支撐工裝與氣浮平臺(tái)平面之間形成一層極薄的氣膜,使各運(yùn)動(dòng)組分浮起,實(shí)現(xiàn)在氣浮臺(tái)上低摩擦運(yùn)動(dòng)。該方法通過(guò)懸吊和配重實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和鉛垂自由度的零重力模擬,最終在氣浮平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的無(wú)應(yīng)力裝配。

根據(jù)機(jī)械臂3+1+3 構(gòu)型,將機(jī)械臂從布局上切分為肩部、肘部、腕部3 個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)區(qū)域,且對(duì)3 個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)區(qū)域根據(jù)裝配及試驗(yàn)需要選擇其中至少1 個(gè)作為固定端,其余部分作為活動(dòng)端,以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)測(cè)試需求;此外,將俯仰運(yùn)動(dòng)設(shè)置在水平二維平面內(nèi)完成,以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的大范圍運(yùn)動(dòng)。結(jié)合機(jī)械臂地面試驗(yàn)構(gòu)型以及艙上收攏壓緊構(gòu)型,將機(jī)械臂分成了4 個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)組分(鑒于肩部運(yùn)動(dòng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)空間局促,對(duì)肩部運(yùn)動(dòng)區(qū)域再切分),如圖2 所示,包括:肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組分、肩部平動(dòng)組分、肘部平動(dòng)組分、腕部運(yùn)動(dòng)組分[10-12],此外,還有臂桿氣浮支撐部分。各組分運(yùn)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立,便于開(kāi)展工裝獨(dú)立設(shè)計(jì)。

圖2 空間機(jī)械臂裝配系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of space manipulator assembly system

氣浮支撐裝置分為4 部分:肩部轉(zhuǎn)動(dòng)、肩部平動(dòng)組分支撐工裝,肘部平動(dòng)、腕部運(yùn)動(dòng)組分支撐工裝,此外還有臂桿支撐部分工裝。針對(duì)每個(gè)組分分別進(jìn)行氣浮支撐裝置設(shè)計(jì),確保每組分均可實(shí)現(xiàn)微重力受力狀態(tài)。在氣浮支撐工裝與各單機(jī)連接環(huán)節(jié)之間設(shè)計(jì)力傳感器,用以檢測(cè)單機(jī)受力,實(shí)現(xiàn)各組分間的柔性裝配。

支撐工裝采取氣浮及懸吊方式,通過(guò)氣浮力/懸吊拉力抵消重力影響。經(jīng)分析比較,采取多孔質(zhì)氣足設(shè)計(jì),相比傳統(tǒng)的小孔節(jié)流氣足以及表面節(jié)流氣足等方式,氣足表面壓力分布均勻,物體懸浮更加穩(wěn)定[13-14],而且使得應(yīng)力集中等問(wèn)題大為緩解,并提高了承載能力以及氣足過(guò)縫能力。

裝配時(shí),首先完成各組分的獨(dú)立裝配,然后進(jìn)行各組分的連接,在組分內(nèi)產(chǎn)品對(duì)接及各組分連接前后均進(jìn)行產(chǎn)品受力變化監(jiān)測(cè)及調(diào)整,確保產(chǎn)品不受裝配應(yīng)力影響,實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力裝配;對(duì)各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié),還需進(jìn)行許用角度范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)測(cè)試,確認(rèn)并調(diào)節(jié)產(chǎn)品的平衡狀態(tài)。

2.1 肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組分支撐工裝

肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組分支撐工裝圖3)用于實(shí)現(xiàn)肩部末端執(zhí)行器和肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的柔性裝配;支持肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)帶動(dòng)肩部末端執(zhí)行器進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)動(dòng);支持組合體繞肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定軸軸線(xiàn)(即肩部偏航關(guān)節(jié)動(dòng)軸軸線(xiàn))的轉(zhuǎn)動(dòng)。裝配時(shí),將肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及肩部末端執(zhí)行器組合體與回轉(zhuǎn)部分工裝整體調(diào)整為靜平衡狀態(tài),即組合體可繞回轉(zhuǎn)軸隨遇停止。

圖3 肩部轉(zhuǎn)動(dòng)組分支撐工裝圖Fig.3 The component brace tool for shoulder rolling movement

肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與肩部末端執(zhí)行器均設(shè)有獨(dú)立的姿態(tài)調(diào)整環(huán)節(jié)及力傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié),以實(shí)現(xiàn)柔性裝配。肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過(guò)圖 4 所示進(jìn)行產(chǎn)品位姿微調(diào),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多自由度的位姿調(diào)節(jié);肩部末端執(zhí)行器通過(guò)圖 5 所示進(jìn)行產(chǎn)品位姿調(diào)整。肩部末端執(zhí)行器通過(guò)滾動(dòng)環(huán)下壓在滾輪上,實(shí)現(xiàn)末端繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。2 臺(tái)產(chǎn)品底部各設(shè)置有4 個(gè)壓力傳感器,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配后的受力狀態(tài)監(jiān)測(cè);分別針對(duì)單機(jī)對(duì)接前后的受力狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)及調(diào)整,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品受力的監(jiān)測(cè)及柔性調(diào)節(jié),確保對(duì)接前后受力變化不超過(guò)許用量值。

圖4 肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.4 The adjust mechanism of shoulder roll joint

圖5 肩部末端執(zhí)行器位姿調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.5 The adjust mechanism of shoulder end effector

2.2 肩部平動(dòng)組分支撐工裝

肩部平動(dòng)組分支撐工裝用于實(shí)現(xiàn)肩部偏航關(guān)節(jié)以及肩部俯仰關(guān)節(jié)的柔性裝配。首先將肩部偏航關(guān)節(jié)托架降至最低位置,將肩部偏航關(guān)節(jié)安裝在如圖 6 所示的關(guān)節(jié)托架上,通過(guò)4組關(guān)節(jié)支架、力傳感器以及微調(diào)支架將關(guān)節(jié)與底部支架固連;將肩部俯仰關(guān)節(jié)與吊板及轉(zhuǎn)動(dòng)軸承連接,并調(diào)節(jié)肩部俯仰關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、肩部偏航關(guān)節(jié)同軸,將肩部偏航關(guān)節(jié)升起與肩部俯仰關(guān)節(jié)對(duì)接。

圖6 肩部平動(dòng)組分支撐工裝圖Fig.6 The component brace tool for shoulder movement

肩部偏航關(guān)節(jié)下方設(shè)有4 個(gè)獨(dú)立的壓力傳感器,同時(shí)考慮肩部偏航關(guān)節(jié)與肩部俯仰關(guān)節(jié)的對(duì)接行程,偏航關(guān)節(jié)連接工裝高度可調(diào),利用多組雙螺旋螺桿實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體高度調(diào)節(jié),如圖 7 所示。肩部俯仰關(guān)節(jié)通過(guò)4 組拉力傳感器與吊板連接,吊板中心設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸承,通過(guò)接口零件的位置調(diào)整,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)與軸承軸線(xiàn)的同軸,如圖8 所示。完成同軸調(diào)節(jié)后,肩部偏航關(guān)節(jié)上升,與肩部俯仰關(guān)節(jié)對(duì)接。

圖7 肩部偏航關(guān)節(jié)調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.7 The adjust mechanism of shoulder yaw joint

圖8 肩部俯仰關(guān)節(jié)調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.8 The adjust mechanism of shoulder pitch joint

2.3 肘部平動(dòng)組分支撐工裝

肘部平動(dòng)組分支撐工裝用于實(shí)現(xiàn)肘部俯仰關(guān)節(jié)和中央控制器的柔性裝配。肘部平動(dòng)組分原理與肩部平動(dòng)組分相似,如圖 9 所示,采用高度方向?qū)臃绞竭M(jìn)行裝配,通過(guò)如圖 10所示的中央控制器高度升降調(diào)整環(huán)節(jié)進(jìn)行對(duì)接調(diào)整;與肩部平動(dòng)組分支撐工裝不同的是,中央控制外表面電纜布局及走線(xiàn)復(fù)雜,回轉(zhuǎn)包絡(luò)較大,故未采用吊板設(shè)計(jì)形式,而是采取2層氣浮盤(pán)氣浮支撐的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)中央控制器零重力狀態(tài),下層氣浮盤(pán)供氣將上層氣浮盤(pán)連同中央控制器浮起。這既能保證對(duì)中央控制器的重力抵消,又能實(shí)現(xiàn)肘部俯仰關(guān)節(jié)與中央控制器之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)摩擦。

圖9 肘部平動(dòng)支撐工裝圖Fig. 9 The component brace tool for elbow movement

圖10 肘部平動(dòng)支撐工裝調(diào)整環(huán)節(jié)示意圖Fig.10 The adjust mechanism of elbow movement component

肘部俯仰關(guān)節(jié)下方同樣設(shè)計(jì)有4 處力傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)以及位姿調(diào)整環(huán)節(jié)。對(duì)中央控制器氣浮盤(pán)采取分體式拼裝形式,避免與產(chǎn)品的裝配干涉;同時(shí)氣浮盤(pán)下方設(shè)置可升降螺桿,實(shí)現(xiàn)中央控制器高度調(diào)節(jié),并完成肘部俯仰關(guān)節(jié)的對(duì)接。

2.4 腕部運(yùn)動(dòng)組分支撐工裝

腕部運(yùn)動(dòng)組分支撐工裝用于實(shí)現(xiàn)腕部俯仰關(guān)節(jié)、腕部偏航關(guān)節(jié)、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與腕部末端執(zhí)行器的柔性裝配。如圖 11 所示,裝配時(shí),腕部俯仰關(guān)節(jié)、腕部偏航關(guān)節(jié)裝配原理與肩部平動(dòng)組分相似;對(duì)腕部末端執(zhí)行器與腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)先分別采用平行四邊形相似吊架機(jī)構(gòu)進(jìn)行懸吊安裝,再進(jìn)行二者對(duì)接裝配;最后再將上述組合體對(duì)接。腕部俯仰關(guān)節(jié)通過(guò)關(guān)節(jié)連接支架、力傳感器等與底部托板固連;腕部偏航關(guān)節(jié)通過(guò)懸吊架抵消其重力,吊點(diǎn)上部連接有力傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力狀態(tài);腕部末端、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)跟隨腕部偏航關(guān)節(jié)繞腕部俯仰關(guān)節(jié)軸線(xiàn)共同回轉(zhuǎn),自身調(diào)整為靜平衡狀態(tài)。

圖11 腕部運(yùn)動(dòng)支撐工裝圖Fig.11 The component brace tool for wrist movement

腕部運(yùn)動(dòng)組分為機(jī)械臂軸線(xiàn)高度最高處,綜合考慮裝配及壓緊構(gòu)型,產(chǎn)品下方壓緊面一側(cè)接口不可占用,故采取氣浮+懸吊方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝配,對(duì)于腕部俯仰關(guān)節(jié),仍采取四點(diǎn)支撐方式進(jìn)行安裝固定。產(chǎn)品下方設(shè)置4 個(gè)力傳感器;對(duì)于腕部偏航關(guān)節(jié),采取單軸懸吊方式進(jìn)行安裝,其懸吊回轉(zhuǎn)軸與上方搖臂軸線(xiàn)、底部肩部俯仰關(guān)節(jié)軸線(xiàn)進(jìn)行同軸調(diào)整,并預(yù)留對(duì)接高度行程,便于與腕部俯仰關(guān)節(jié)對(duì)接;對(duì)腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及腕部末端執(zhí)行器,分別與對(duì)應(yīng)的相似吊架安裝并進(jìn)行靜平衡調(diào)節(jié)后進(jìn)行產(chǎn)品對(duì)接,并整體與腕部偏航關(guān)節(jié)連接,在氣浮工裝上配置活動(dòng)配重,與該部分重力匹配,消除重力影響。

2.5 位姿調(diào)整原理

以肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)節(jié)為例對(duì)調(diào)節(jié)方法及原理進(jìn)行說(shuō)明,肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖 12所示,調(diào)節(jié)原理圖如圖 13 所示。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括4組水平微調(diào)機(jī)構(gòu)和4 組高度微調(diào)機(jī)構(gòu),依次對(duì)各處進(jìn)行編號(hào)區(qū)分;4 個(gè)高度微調(diào)機(jī)構(gòu)分布在水平微調(diào)機(jī)構(gòu)的底部。其中水平微調(diào)機(jī)構(gòu)包括3 個(gè)雙螺紋調(diào)節(jié)螺桿、壓力傳感器、滾珠托板、滾珠保持架、滾珠和滾動(dòng)滑板。通過(guò)雙螺紋調(diào)節(jié)螺桿可以將滾動(dòng)滑板進(jìn)行高度調(diào)節(jié),同時(shí)滾動(dòng)滑板在滾珠上能夠自由低摩擦移動(dòng),以適應(yīng)肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的水平面內(nèi)低摩擦移動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖12 肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成圖Fig.12 The composition of shoulder roll joint adjustment mechanism

圖13 肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位姿調(diào)節(jié)原理圖Fig.13 The schematic design of shoulder roll joint adjustment

4 組水平微調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肩部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在x軸方向的位移調(diào)整及繞z軸的偏航角度調(diào)整;4個(gè)高度微調(diào)機(jī)構(gòu)同時(shí)或差動(dòng)上升/下降,可實(shí)現(xiàn)對(duì)所需要裝配的零部件在高度z方向上的位移調(diào)整,以及繞x軸的滾轉(zhuǎn)角度、繞y軸的俯仰角度調(diào)整;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)精度達(dá)到0. 2 mm,姿態(tài)調(diào)節(jié)精度達(dá)2＇,通過(guò)該調(diào)節(jié)方法可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的精密調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度高,使所需要裝配的零部件與被裝配零部件的接口對(duì)準(zhǔn),通過(guò)裝配前后力傳感器的變化控制,實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力裝配。此外,通過(guò)氣足支撐部位螺桿的整體升降,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大行程高度調(diào)節(jié)。

2.6 零重力補(bǔ)償精度分析

影響補(bǔ)償精度的誤差主要來(lái)自2 個(gè)方面:①力傳感器自身測(cè)量誤差;②氣浮平臺(tái)水平度誤差。力傳感器測(cè)量精度為滿(mǎn)量程的0.05%,氣浮平臺(tái)采取T 字形拼接方式,最大限度減小拼縫,且每塊獨(dú)立臺(tái)面均設(shè)有獨(dú)立支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行微調(diào),實(shí)現(xiàn)水平度優(yōu)于3″,設(shè)關(guān)節(jié)質(zhì)量為m,補(bǔ)償精度為ε,質(zhì)量最大單機(jī)底部由4 個(gè)60 kg 量程的力敏感器支撐測(cè)量,誤差源多,量程大此處誤差為最大值,有如式(1)所示計(jì)算結(jié)果:

結(jié)果求得ε=99.74%。分析結(jié)果顯示零重力補(bǔ)償精度滿(mǎn)足1±5%指標(biāo)要求。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)摩擦的影響預(yù)留了1%,對(duì)產(chǎn)品剛度的影響預(yù)留1%,因此,綜合評(píng)估零重力補(bǔ)償精度約為97.7%。

3 地面裝配實(shí)施

基于裝配系統(tǒng)開(kāi)展了空間機(jī)械臂的氣浮臺(tái)上組裝,先后進(jìn)行了單組分裝配、單機(jī)運(yùn)動(dòng)測(cè)試、多組分對(duì)接與運(yùn)動(dòng)測(cè)試。

3.1 裝配流程

空間機(jī)械臂總裝先按照組件的形式,將各單機(jī)及其上安裝的組件裝配成組合體,然后再按照從肩部到腕部的順序開(kāi)展裝配;裝配工作在氣浮平臺(tái)上進(jìn)行,借助氣浮零重力裝置,采用從肩部到腕部裝配的順序進(jìn)行。總裝原則如下:

1)借助氣浮零重力裝置,從肩部開(kāi)始,順次安裝到腕部;

2)零重力裝置的組裝順序應(yīng)與機(jī)械臂的裝配流程密切配合,以保證機(jī)械臂的裝配精度;

3)末端執(zhí)行器與腕部相機(jī)以組合體的形式安裝到氣浮支撐工裝上;

4)中央控制器、肘部相機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)以組合體的形式安裝到氣浮支撐工裝上;

5)氣浮零重力裝置上安裝力傳感器,在機(jī)械臂各部件裝配前后進(jìn)行對(duì)比和監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的無(wú)應(yīng)力裝配;

6)機(jī)械臂裝配過(guò)程與精測(cè)密切配合,保證最終的裝配精度。

3.2 裝配調(diào)整原則

相鄰有裝配關(guān)系的單機(jī)以力控制為主、位置控制為輔策略進(jìn)行調(diào)試,裝配完成后,通過(guò)快速連接組件連接的各單機(jī)(臂桿組件除外)相互之間不得存在大于30 N 的相互作用力。通過(guò)裝配前后傳感器數(shù)據(jù)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),包括:

1)裝配對(duì)接前產(chǎn)品精測(cè),滿(mǎn)足高度及姿態(tài)偏差要求,并記錄產(chǎn)品各力傳感器數(shù)據(jù);

2)產(chǎn)品間對(duì)接裝配,記錄對(duì)接后各力傳感器數(shù)據(jù);

3)觀(guān)測(cè)各力傳感器數(shù)據(jù)變化,判斷需要調(diào)整的產(chǎn)品自由度;

4)根據(jù)圖13 所示原理進(jìn)行相應(yīng)位姿調(diào)節(jié),直至力傳感器數(shù)據(jù)變化滿(mǎn)足要求;

5)再次精測(cè)對(duì)接后產(chǎn)品的位姿,開(kāi)展下一組分的對(duì)接裝配。

此外,還需注意:①對(duì)于質(zhì)量較大的單機(jī),提前開(kāi)展質(zhì)量特性測(cè)試,確認(rèn)質(zhì)心位置分布,以便開(kāi)展質(zhì)心配置調(diào)節(jié);②對(duì)于參與靜平衡調(diào)節(jié)的工裝配件,提前進(jìn)行稱(chēng)重,修正模型后,在模型中先進(jìn)行靜平衡配平模擬仿真,再進(jìn)行實(shí)物迭代;③對(duì)于氣浮平面,定期進(jìn)行標(biāo)定檢查,避免由于臺(tái)面的不平造成試驗(yàn)結(jié)果的失真。

3.3 裝配精測(cè)方法

各部件進(jìn)行裝配前,需將產(chǎn)品基準(zhǔn)引出,便于后續(xù)裝配及測(cè)試過(guò)程中復(fù)現(xiàn)。對(duì)于關(guān)節(jié),其具有固定端靜軸線(xiàn)與輸出端動(dòng)軸線(xiàn),均需標(biāo)定,精測(cè)方法如下:

1)各部組件裝配前,完成靜軸線(xiàn)標(biāo)定。選取提前預(yù)留的固定端外圓柱面粘貼精測(cè)靶點(diǎn),利用精測(cè)設(shè)備測(cè)量各精測(cè)靶點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo),并將各精測(cè)靶點(diǎn)投影至固定端端面處,擬合各投影點(diǎn)圓心,過(guò)圓心的法線(xiàn)即為該部組件的靜軸線(xiàn);記錄各精測(cè)靶點(diǎn)與靜軸線(xiàn)的對(duì)應(yīng)恢復(fù)關(guān)系。

2)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)在裝配前,完成動(dòng)軸線(xiàn)標(biāo)定。在輸出軸端面處粘貼精測(cè)靶點(diǎn),驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)繞自身動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng),每隔指定角度暫停,利用精測(cè)設(shè)備測(cè)量靶點(diǎn)坐標(biāo)。關(guān)機(jī)完成整周轉(zhuǎn)動(dòng)后,利用全部測(cè)點(diǎn)擬合平面和圓心,從圓心位置引出面的法線(xiàn)即是動(dòng)軸線(xiàn);記錄各精測(cè)靶點(diǎn)與動(dòng)軸線(xiàn)的對(duì)應(yīng)恢復(fù)關(guān)系。

3)裝配過(guò)程中,通過(guò)測(cè)量正在裝配的部組件精測(cè)靶點(diǎn)坐標(biāo)復(fù)現(xiàn)各軸線(xiàn)空間位姿,來(lái)計(jì)算相應(yīng)部組件之間位置關(guān)系和相對(duì)于裝配基準(zhǔn)的參數(shù),并且反饋和指導(dǎo)裝配過(guò)程的操作。

4)裝配完成后,通過(guò)測(cè)量所有部組件靶點(diǎn)復(fù)現(xiàn)各軸線(xiàn)空間位姿,來(lái)計(jì)算各個(gè)部組件的坐標(biāo)系,從而完成D-H參數(shù)的計(jì)算。

3.4 裝配實(shí)施控制結(jié)果

機(jī)械臂部組件數(shù)量較多,相鄰組件之間均具有較高的精度要求,包括高度差、軸線(xiàn)夾角等;此外裝配過(guò)程中還需要滿(mǎn)足減載效率要求,保證各單機(jī)之間不受較大的相互作用力,造成應(yīng)力損傷等。

對(duì)單機(jī)初始裝配狀態(tài)、整臂裝配完成后以及氣浮臺(tái)上運(yùn)動(dòng)測(cè)試狀態(tài)的重力抵消情況進(jìn)行整理,裝配完成后狀態(tài)如圖 14 所示,運(yùn)動(dòng)過(guò)程力傳感器數(shù)據(jù)如表 1 所示。通過(guò)對(duì)比,重力抵消偏差優(yōu)于5%。通過(guò)結(jié)果可以看出,通過(guò)控制裝配過(guò)程中的裝配應(yīng)力狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了空間站機(jī)械臂氣浮臺(tái)上運(yùn)動(dòng)測(cè)試全過(guò)程的各單機(jī)受力的精確控制,減小了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)測(cè)試過(guò)程的裝配應(yīng)力干擾。

圖14 機(jī)械臂裝配完成狀態(tài)圖Fig. 14 The status of space manipulator assembly completion

表1 空間機(jī)械臂裝配系統(tǒng)對(duì)各關(guān)節(jié)重力補(bǔ)償精度比對(duì)Table 1 The summary of sensor data in space manipulator monitoring system

4 裝配性能驗(yàn)證

機(jī)械臂組裝后狀態(tài)如圖 15 所示。在氣浮臺(tái)上開(kāi)展了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證,包括單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)試、多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)測(cè)試,以及機(jī)械臂多模式運(yùn)動(dòng)測(cè)試、多任務(wù)試驗(yàn)測(cè)試等。試驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),各傳感器顯示受力狀態(tài)正常,重力抵消偏差優(yōu)于5%;對(duì)地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)與在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì),各傳感器數(shù)據(jù)吻合,一致性較好。

圖15 機(jī)械臂三維運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)圖Fig. 15 The status of space manipulator three-dimensional movement

該裝配系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)大范圍平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),以空間機(jī)械臂爬行試驗(yàn)過(guò)程為例,試驗(yàn)過(guò)程中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)順暢,角度曲線(xiàn)波動(dòng)較小,試驗(yàn)運(yùn)行良好,如圖 16 所示。

圖16 機(jī)械臂爬行試驗(yàn)各關(guān)節(jié)角度Fig. 16 The angles of space manipulator joints in climbing test

5 結(jié)論

本文提出了一種空間機(jī)械臂地面無(wú)應(yīng)力裝配方法,將機(jī)械臂按照構(gòu)型及自由度劃分為4 個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)部分,通過(guò)氣浮支撐裝置的合理設(shè)計(jì),支持空間多自由度機(jī)械臂各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的大范圍運(yùn)動(dòng),且可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的收攏折疊狀態(tài),可為我國(guó)后續(xù)空間多自由度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的地面裝配提供參考借鑒。該裝配系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

1)基于多點(diǎn)支撐力反饋的裝配方法,通過(guò)對(duì)活動(dòng)部件設(shè)計(jì)力傳感器,實(shí)施監(jiān)視各活動(dòng)部件的受力狀態(tài),根據(jù)對(duì)接前后力傳感器測(cè)量的支持力的變化,判斷裝配接口之間的相互作用力;

2)通過(guò)對(duì)裝配流程的分解,解耦了各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的相互關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)了小組分的功能及運(yùn)動(dòng)分解,以及最后整臂的全部對(duì)接,實(shí)現(xiàn)了多自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立切分;

3)該系統(tǒng)卸載效率高、支撐關(guān)節(jié)大范圍轉(zhuǎn)動(dòng),解決了運(yùn)動(dòng)空間重疊以及空間三維運(yùn)動(dòng)的的難題,滿(mǎn)足空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)測(cè)試要求;

4)系統(tǒng)摩擦小,機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)順暢無(wú)卡滯,對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)測(cè)試附加誤差小;

5)該系統(tǒng)具備空間機(jī)械臂在軌任務(wù)的地面三維全物理運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證能力。