空间机械臂关节维修性设计与验证_朱超.pdf

空间机械臂关节维修性设计与验证朱 超，张 运，李德伦，高翔宇，高 奔，展文豪（.空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，北京空间飞行器总体设计部，北京；天津市宇航智能装备企业重点实验室，天津航天机电设备研究所，天津；人因工程国防科技重点实验室，中国航天员科研训练中心，北京）摘要：空间机械臂维修性对机械臂可靠性和长寿命具有非常重要的意义。在研究国际空间站机械臂在轨维护维修任务和关节产品特点的基础上，结合中国空间站机械臂特点，设计了一种四方协同作业 次出舱的机械臂关节维修方案，通过搭建虚拟维修仿真平台开展了维修仿真验证，完成了模拟维修场景下机械臂关节的维修试验，充分验证了机械臂关节维修的可操作性、可达性、可视性、安全性和流程合理性。关键词：多人协同；空间机械臂关节；维修性设计；试验验证；航天员中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：人因工程国防科技重点实验室一般基金项目（）第一作者：朱超，男，硕士，工程师，研究方向为空间机器人人机协同。：，（.，；，；，）：，：；引言 在国际空间站的建造和全面应用阶段，航天员通过执行舱外活动完成了各种在轨服务任务。从 年 月 日到 年 月 日，共进行了 次国际空间站组装和维护的舱外活动，舱第 卷 第 期 年 月 载 人 航 天 DOI:10.16329/ki.zrht.2023.01.004外活动时间累积 ，平均每次时长约 。为保障国际空间站机械臂的正常工作，先后组织航天员进行 次出舱作业任务，其中 次对机械臂关节进行润滑维护和关节更换。国际空间站针对单个（）设备维修时，需要将机械臂分步逐个进行拆卸，流程复杂，时间较长，效率不高。关节是空间机械臂的核心部件之一，承担着机械臂大范围运动的重要功能。一旦关节出现故障，整个空间机械臂难以发挥作用。因此，空间机械臂关节的维修系统设计与验证研究具有重要意义。国内还未见针对空间机械臂关节的维修性系统性研究。针对国际空间站机械臂维修问题，结合中国空间站机械臂特点，本文设计了一种空间机械臂关节维修方案，可完成机械臂关节、末端、中央控制器等关键部件的在轨更换。该方案可作为空间机械臂等大型、复杂产品的维修设计与验证工作的参考。关节维修性设计与分析.关节系统设计 关节是空间机械臂的核心部件之一，是机械臂灵活运动的基础，具有集成度高、系统复杂、输出力矩大、温度自主控制、控制模式丰富、支持在轨维修等特点。关节设计采用了模块化设计、中心孔走线的思想，关节与关节、末端执行器、臂杆、中央控制器的连接均采用了快速连接装置，接口标准统一，便于维修。关节设计有主份、备份 套驱动与控制电路。主份控制器、主份电源模块、主份电机组件、主份传感器与主份加热回路组成主份驱动与控制电路，备份控制器、备份电源模块、备份电机组件、备份传感器与备份加热回路组成备份驱动与控制电路，两条驱动与控制电路独立工作。关节外形、关节的连接关系如图、图 所示。.维修性接口设计 为减少维修工具，提高维修效率，机械臂关节对外接口采用快速连接装置。快速连接装置包括公组件和母组件两部分，在母组件上安装有 组膨胀螺栓。如图 所示，通过膨胀螺栓膨胀力矩加载实现关节与关节、末端、臂杆等单机的连接，图 机械臂关节示意图 图 机械臂关节连接关系示意图 当膨胀螺栓插入并锁紧膨胀时，快速连接公组件和母组件锁紧，两相连单机连接；当膨胀螺栓拧松拔出时，快速连接公组件和母组件脱离，两相连单机分离。快速连接装置上预留维修装置安装接口，用于维修装置的安装固定，同时在快速连接装置上设计了角度标识，用于在轨维修时识别关节角度。如图 所示。.维修工具设计 机械臂关节的维修主要通过航天员出舱携带维修专用工具开展工作，非常考验工具的功能性能，以及在轨工作的可靠性。维修工具要实现关节的拆装，以及整个机械臂的连接固定。机械臂关节的维修工具包括专用维修装置和专用拆卸工具两部分。专用维修装置主要包括分离机构和随动机构两大部分，可以实现故障关节沿着两个垂直方向的分离与对接的同时保持整臂的构型和刚度。专用拆卸工具主要为快速连接的膨胀螺栓拆卸工具，如图 所示。.关节维修性分析 空间机械臂关节维修存在以下难点：第 期 朱 超，等 空间机械臂关节维修性设计与验证图 空间机械臂关节维修性接口 图 关节角度标识 图 空间机械臂关节维修专用工具 ）关节维修需要考虑航天员舱外作业能力的约束，比如连续作业时长、最大输出力矩、可达作业范围、可视性等因素；）关节维修实施需要考虑机械臂构型、空间站姿态、航天员协同作业和天地协同等多方面能力的约束；）空间机械臂关节维修性需要开展维修性设计和地面试验验证，两方面相互递进，相互迭代。维修性设计根据设计要求，开展需求分析，制定维修策略和维修方案，开展详细设计、故障处置、接口设计、工具设计、流程设计和维修构型设计等。维修性验证，则根据制定的维修方案，进行验证规划，依次开展仿真分析、着服验证和水下试验等，从而发现问题进行设计改进，完善维修性设计方案。关节维修性设计.维修策略设计 机械臂关节维修采用预防性维修为主、修复性维修为辅的策略。维修级别、维修周期主要根据发生故障的概率以及维修准备条件而定，机械臂肘部关节最为关键，肩部和腕部关节可以通过肩腕互换来完成在轨任务，因此，肘关节的维修优先级最高，其次是肩部和腕部关节。机械臂关节维修流程分为故障识别与处置、维修准备和维修实施 个阶段，如图 所示。图 机械臂关节维修策略设计 ）故障识别与处置。当发生一级故障时调整关节参数，当关节输出力矩下降不满足任务需求时，提高交轴电流的限制值，确保具有足够的输出力矩；发生二级故障时切换至关节备份，当关节主份驱动与控制电路发生故障时，切换至关节备份驱动与控制电路；当发生三级故障时进行维修。当关节备份驱动与控制电路下，输出力矩与传动效率均出现下降，影响任务执行时，或者寿命超期服役时，需要视情况开展维修关节任务。）维修准备。主要分为维修作业区域选择和维修构型准备两部分。维修区域应使得 个航天员分别站在脚限位器和小臂上，或者都站在脚限位器上，完成关节的维修工作。维修构型为驱动机械臂运动，使得被维修关节移动至维修区域内。）维修实施。主要包括工具与备件转移、维修工具安装、故障关节拆卸、备份关节安装、测试载 人 航 天第 卷与撤收等工作。.维修原则 由于机械臂关节维修的复杂性，在开展维修方案设计之前，明确以下原则：）安全性原则。需要天地协同，名航天员协同操作，确保机械臂安全、人员安全与空间站安全；）可行性原则。维修区域要在舱表条件较好、航天员与小臂均可达的区域开展；）可分性原则。关节维修复杂，关节的维修工作应该可以根据航天员作业能力等分成若干次执行；）可评价原则。尽量在 个关节故障时视情况开展维修任务，此关节维修后，可以进行测试评价维修效果。.故障判据与处置 当机械臂关节在轨工作出现以下故障时，视情况开展关节维修的故障识别与处置程序：）主份驱动与控制电路无法正常工作。当以下任一功能出现故障时，判定为关节主份驱动与控制电路无法正常工作。包括主份驱动与控制电路中的速度或者位置功能失效、力矩或者电流感知功能失效、温度感知功能失效、温度控制功能失效、电机控制功能失效、供电功能失效和通信功能失效；）主份电机组件故障。主要指关节主份电机无法正常运动，或者主份电机输出力矩下降，提高限流后仍任不能输出 力矩；）关节传动效率下降或者卡滞，通过增加限流的方法无法使得关节输出 力矩。.关节维修方案 当机械臂关节出现严重故障时，假设每次仅发生单重故障，即只发生 个关节故障，其他关节仍然可以加电转动。此时，机械臂统一进行处置，先暂停当前作业，通过机械臂 维修故障项目快速进行故障定位并进行诊断，若无法定位或处置，则通过爬行或直接变成预防性维修构型，开展航天员出舱的维修工作。关节维修采用了四方协同操作配合，地面指挥或提醒、舱内航天员控制机械臂运动、舱外 名航天员作业，次出舱完成维修的方案。四方协同工作既可降低舱外未知环境造成的危险性，又可保证任务安全可靠、高效。第一次出舱转移 名航天员、维修设备和工具到维修作业点，完成维修前的场景搭架，包括安装脚限位器和舱外操作台，以及安装维修备件和维修工具；第二次出舱 名航天员到达维修作业点，分别站在关节故障件两侧，开展故障件的拆卸，以及维修备件的安装，主要工作为 颗膨胀螺栓的拆装、个电连接器的拆装，以及关节专用维修装置的安装拆卸；第三次出舱航天员将故障件带回，并撤收搭建的维修场景。维修构型图如图 所示。图 机械臂关节维修构型图 .维修性时间规划 机械臂关节维修工作时间规划需要结合地面试验、现有的出舱作业时间进行评估，并考虑一定的余量，规划 次出舱作业的工作内容和工作时间，如表 所示，具体内容如下。表 机械臂关节的维修出舱任务清单 任务时间设备主要工作第一次出舱 脚限位器、操作台关节备件、维修装置膨胀螺栓专用拆卸工具场景搭架第二次出舱.舱外电动工具维修操作第三次出舱.无测试撤收）航天员第一次舱外作业主要是维修准备工作，包括出舱口设备安装与转运，设备转移，约 左右；）航天员第二次舱外作业时出舱口携带固定维修设备花费.，通过小机械臂转移至作业第 期 朱 超，等 空间机械臂关节维修性设计与验证点花费.，拆卸热控供电设备.，维修装置安装花费.，分离关节花费，转移故障关节花费.，转移备份关节花费.，对接备份关节花费 ，加电测试花费.，总计.；）航天员第三次出舱作业主要工作内容为测试与撤收，拆卸维修装置 ，运动测试 ，通过小机械臂转移回舱口.，出舱口安装设备花费.，预留.处置突发故障，总计.。.维修过程中的热控设计 为保证关节维修备件出舱后的热控功能，需要采取措施，保证维修备件出舱后可以维持至少 的工作温度，在舱外长时间存储对于关节是一个难题。利用关节产品原有的温度继电器 个通路，通过在 产品表面上设计 接插件，通过 针孔方式同供电电源和加热片连接提供并联的供电通路，对维修备件进行主动热控，满足产品的热控要求。同时，为了满足主动供电需求，在空间站舱体上设置有专门的维修区域，上面设计有维修用机电热接口，方便航天员进行操作，如图 所示。维修性验证.维修性验证规划 为验证机械臂关节在轨维修方案的正确性、维修流程的合理性、维修装置的可行性，获取维修过程的重要数据，需要对其开展相应的维修性验证规划，包括维修性仿真验证、着服试验和水槽试验，如表 所示。其中，维修仿真主要对航天员出舱和回舱路径、具体维修操作可行性分析，找出地面试验需要重点关注的项目，地面验证主要验证穿航天服情况下的关键典型动作的可行性，水槽试验主要对作业全流程进行验证。.维修性仿真验证 关节维修仿真需要完成两部分工作：是维修构型仿真分析；是维修过程中典型动作的可达性分析。在维修仿真分析过程中，依据机械臂关节出舱任务规划进行详细流程设计，利用 仿真软件搭建了一套虚拟维修仿真平台，对每步操作进行维修性指标的分配（比如可达性、操作力、操作空间、可视性、操作反馈、防飘、防误、操作标识图 机械臂关节保温措施 等指标）进行仿真分析。首先，针对不同关节进行维修构型的仿真；然后，逐个操作步骤按照不同指标进行验证，通过多轮仿真迭代，确定最终的维修构型，以及整个维修任务的可行性，维修构型仿真如图 所示。表 机械臂关节的维修性验证规划 维修环节维修仿真地面验证水槽试验航天员 备件出舱维修演练维修操作故障件 工具回舱通过建立空间站、机械臂、航天员、维修工具等模型，构建完整的关节维修虚拟场景，针对机械臂关节 维修中的典型操作如膨胀螺栓拆卸、舱外电动工具拆装等进行详细的仿真分析，如图 所示。仿真结果表明，针对关节维修具体操作，如膨胀螺栓拆卸、舱外电动工具拆装等操作满足航天员的可视性、可达性、可操作性、安全性等指标要求。载 人 航 天第 卷图 机械臂关节维修构型仿真 图 机械臂关节维修操作仿真 .地面着服验证 为验证关节维修性设计的正确性，在地面开展了着服维修试验验证。针对机械臂肘关节真实在轨维修流程进行验证试验，模拟航天员在轨真实操作。利用关节模拟件搭建维修场景。试验人员站于关节两侧完成挂便携式安全带、关节转动、膨