太空機械臂關(guān)節(jié)的綜合設(shè)計

2023年7月6-9日,中國，濟南《世界智能控制和自動化第八次大會》太空機械臂關(guān)節(jié)一體化設(shè)計YuHe,JunJiang,ZhihongJiang,HuiLiandQiangHuang中國北京,北京理工大學電機工程學院,中國北京,中國空間技術(shù)研究院,he_yu1101@yahoo摘要-太空機械臂技術(shù)開展迅速并被廣泛應(yīng)用于太空探索的任務(wù)中。太空關(guān)節(jié)設(shè)計是太空機械臂的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過設(shè)計電機、控制模塊驅(qū)動模塊測量模塊和恒溫模塊作為一個整體，實現(xiàn)體積小重量輕快速反響的特點。本文展示了一種可以實現(xiàn)雙冗余檢測的同時也可以通過差異原那么提高位置檢測精度和抗干擾能力的的電機轉(zhuǎn)子和關(guān)節(jié)位置。此外,等溫設(shè)計采取聯(lián)合熱控制。最后,實驗數(shù)據(jù)顯示證明關(guān)節(jié)具有滿足太空機械臂要求的良好性能。索引詞-太空機械臂;一體化關(guān)節(jié);熱控制。1.前言太空機械臂是由關(guān)節(jié)和連桿機構(gòu)組成的。關(guān)節(jié)是太空機械臂執(zhí)行機構(gòu)它的主要功能是輸出給定的位置、速度和力矩。太空機械臂的關(guān)節(jié)通常是由機械結(jié)構(gòu)、傳動機構(gòu)和驅(qū)動元件組成。為了控制位置、速度和力矩，關(guān)節(jié)必須有傳感器,信號采樣電路、控制電路和驅(qū)動電路。此外,在太空環(huán)境下，太空機械臂的關(guān)節(jié)應(yīng)該有熱控制的局部。因此,太空機械臂是一個集采集機構(gòu)、傳感器、控制器和熱控制器于一體的機電系統(tǒng)[1].目前,太空機械臂關(guān)節(jié)存在的主要問題如下：由于關(guān)節(jié)內(nèi)部低的集成度造成的大體積、重量和低精度。目前,太空機械臂的傳動局部、驅(qū)動局部和傳感器通常都使用獨立的組件。每個組件都有獨立的殼包和安裝外表,所以關(guān)節(jié)的集成度很低。依據(jù)關(guān)節(jié)的機制,一些組件的殼包和安裝外表是沒必要的。此外,這些都增加了關(guān)節(jié)的體積和重量,降低了關(guān)節(jié)的裝配精度。2)太間機械臂關(guān)節(jié)復雜的外部接口導致了集成的復雜,和可靠性降低。關(guān)節(jié)的傳感器、控制電路和驅(qū)動電路通常安裝在關(guān)節(jié)的外側(cè),且傳感器信號電線,動力電線和控制電線需要帶出,所以關(guān)節(jié)外部接口的復雜,增加了集成的困難。由于關(guān)節(jié)的任何改變都可能影響整個機械手的設(shè)計,當每一次設(shè)計一個新的太空機械臂,都需要重新設(shè)計關(guān)節(jié)和相應(yīng)的傳感器,控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)。它增加了開發(fā)周期和本錢,并且大量的資源將用于重復的工作3)關(guān)節(jié)的功耗主要集中在馬達和驅(qū)動電路,所以它們和它們附近地方的溫度要比其他地方高。如果這個問題得不到解決,尤其是在太間,將會由于大的溫差導致關(guān)節(jié)變形,降低關(guān)節(jié)的精確度為了解決這些問題,于2001年安裝在國際太空站的加拿大2號機械臂[2]-[11]、于2005年德國航空航天中心制造的ROKVIS[12]-[15],由哈爾濱工業(yè)大學與德國航空航天中心在2007年制造的高度集成模塊化的太空機械臂[16]和由北京郵電大學于2007年制造的模塊化太空機械臂都使用了模塊化設(shè)計的方法模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)了太空機械臂的機械系統(tǒng),傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的集成。所有的電纜都是通過模塊化關(guān)節(jié)的中心孔,這樣可以減少電路集成的困難。通過使用模塊化關(guān)節(jié),很容易就能制造太空機械臂。然而,模塊化設(shè)計方法只是離散組件的集成,它沒有同時從整體上設(shè)計和構(gòu)思每個關(guān)節(jié)的系統(tǒng)[17]-[20]。我們對太空機械臂提出一個能夠克服模塊化設(shè)計缺點的高內(nèi)聚和低耦合的一體化聯(lián)合設(shè)計方法。在關(guān)節(jié)中高內(nèi)聚是高度整合的,低耦合是關(guān)節(jié)的簡單的外部接口。高內(nèi)聚和低耦合的目的簡化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),優(yōu)化設(shè)備配置,提高性能,減少重量和體積,提高關(guān)節(jié)的可靠性。目前的設(shè)計方法是通過差異原那么用安裝在電機軸上的雙重旋轉(zhuǎn)變壓器來改善關(guān)節(jié)位置檢測精度,抗干擾能力,實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置檢測和關(guān)節(jié)位置檢測雙冗余。使用溫度控制和等溫設(shè)計來實現(xiàn)關(guān)節(jié)溫度均化和改善關(guān)節(jié)的工作性能2.一體化關(guān)節(jié)的說明書在太空環(huán)境中,溫度變化劇烈和電磁輻射非常劇烈。在發(fā)射的過程中,太空機械臂不得不承受來自振動、過載、和火箭噪音的影響,所以要求組件的可靠性和太空機械臂關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性非常高旋轉(zhuǎn)變壓器是一個復雜的位置和速度檢測裝置。它可以適用于所有可以使用旋轉(zhuǎn)編碼器的場合,也可以應(yīng)用于熱,冷濕、高速和劇烈振動等旋轉(zhuǎn)編碼器不能工作的場合,。此外,旋轉(zhuǎn)變壓器提供了絕對位置信息,并快速響應(yīng),所以旋轉(zhuǎn)變壓器非常適合于太空環(huán)境。永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子是永久磁鐵,所以沒有勵磁損耗。轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生熱量,因此提高了電動機的效率。永磁同步電動機的電樞繞組纏繞在定子上。定子產(chǎn)生的熱量可以通過電機外殼轉(zhuǎn)移,這樣可以減少軸承的溫度梯度。永磁同步電動機沒有換向器刷,所以沒有電刷磨損,以及電刷電弧放電。永磁同步電動機具有良好的機械性能和直流電機速度控制的性能,與此同時,永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠,壽命長,低速性能好等優(yōu)點,所以永磁同步電動機是一個理想的太空機械臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動器為了獲得大的輸出轉(zhuǎn)矩,良好的散熱性能和調(diào)速性能,可靠的位置檢測,一體化關(guān)節(jié)選擇永磁同步電動機和諧波減速器作為驅(qū)動方式,并選擇旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測裝置。太空機械臂一體化關(guān)節(jié)系統(tǒng)圖如圖1所示。太空機械臂將控制信號發(fā)送到關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)接收控制信號后,根據(jù)控制信號和反響傳感器信號,關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服電機的控制和驅(qū)動電路。通過諧波減速器,關(guān)節(jié)輸出給定的位置、速度和力矩圖.1一體化關(guān)節(jié)的系統(tǒng)圖在設(shè)計過程中,根據(jù)一體化關(guān)節(jié)的性能要求,從所有組件整體的同步規(guī)劃和設(shè)計角度來看,所有的組件在結(jié)構(gòu)和性能要實現(xiàn)精確匹配;關(guān)節(jié)消除冗余安裝外表和機械結(jié)構(gòu),因此關(guān)節(jié)實現(xiàn)了高內(nèi)聚,并使控制系統(tǒng),傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、太空環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、線路、傳動機構(gòu)和相關(guān)的機構(gòu)集成為一個整體。簡單的機械接口和標準的電氣接口使得太空機械臂設(shè)計只需考慮關(guān)節(jié)的外部接口,因此降低了太空機械臂設(shè)計的難度,縮短了太空機械臂的開發(fā)周期。圖2是太空機械臂高內(nèi)聚低耦合的結(jié)構(gòu)圖。圖.2太空機械臂的高內(nèi)聚、低耦合綜合關(guān)節(jié)如圖3所示,一體化關(guān)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)包括兩個軸系統(tǒng):關(guān)節(jié)軸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子軸系統(tǒng),兩個軸系統(tǒng)安裝在同一軸上。驅(qū)動關(guān)節(jié),被驅(qū)動關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)支撐共同組成一體化關(guān)節(jié)的軸系統(tǒng)。關(guān)節(jié)的軸系統(tǒng)是由諧波減速器驅(qū)動的。諧波減速器的剛性輪安裝在驅(qū)動關(guān)節(jié),柔性輪安裝在被驅(qū)動關(guān)節(jié)。永磁同步電機的定子安裝在驅(qū)動關(guān)節(jié)。旋轉(zhuǎn)變壓器的一個定子安裝在驅(qū)動關(guān)節(jié),另一個安裝在被驅(qū)動關(guān)節(jié)。電機軸系統(tǒng)包括電機、電機軸和電機支撐、電機轉(zhuǎn)子,諧波減速器的諧波發(fā)生器和兩個轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)變壓器都安裝在電機軸上。圖3機械結(jié)構(gòu)的綜合如圖3所示,根據(jù)一體化關(guān)節(jié)特定的要求,電機、旋轉(zhuǎn)變壓器和諧波減速器同時作為一個整體設(shè)計,并且所有的結(jié)構(gòu)都一體化組成關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。電機繞組和旋轉(zhuǎn)變壓器只保存核心和線圈,并用關(guān)節(jié)的外殼作為自己的外殼。電機轉(zhuǎn)子,兩個旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子和諧波減速器的諧波發(fā)生器都集成在相同的電機軸上。控制電路和驅(qū)動電路安裝在驅(qū)動關(guān)節(jié)里面,并且電纜通過中央小孔連接驅(qū)動關(guān)節(jié)和被驅(qū)動關(guān)節(jié)。一體化的設(shè)計方法可以使關(guān)節(jié)的所有組件精確匹配,也能增加關(guān)節(jié)的結(jié)合力、減輕關(guān)節(jié)重量和減小關(guān)節(jié)的體積。一體化關(guān)節(jié)的外部接口包括電氣接口和機械接口。簡單的機械接口和標準電氣接口讓空間機械臂的設(shè)計只需考慮關(guān)節(jié)的外部接口,因此降低了太空機械臂的設(shè)計難度和縮短了它的開發(fā)周期空間機械臂關(guān)節(jié)的所有組件都是集成在關(guān)節(jié)里的,所以外部接口大大簡化。因此,太空機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計,電路設(shè)計和線路設(shè)計難度大大減小。一體化關(guān)節(jié)提供了一個標準接口。電氣接口包括控制接口和電源接口?？刂平涌谑褂肅AN總線,電氣接口使用24v直流電,所以電氣接口只需6根線。一體化關(guān)節(jié)的機械接口很簡單。因為它不需要考慮傳感器的安裝線路,只需要提供安裝平面連接連桿。機械接口必須有一個中心孔讓導線通過。圖4表示太空機械臂一體化關(guān)節(jié)的組成。使用一體化的關(guān)節(jié)組成一個太空機械臂可以大大節(jié)省開發(fā)時間和本錢,縮短太空機械臂的開發(fā)周期,提高機械臂的可靠性。圖4太空機械臂一體化關(guān)節(jié)的組成3.冗余度檢測普通關(guān)節(jié)有兩個位置檢測傳感器,一個安裝在電機軸上,另一個是安裝在關(guān)節(jié)軸上。這兩個傳感器分別檢測電機狀態(tài)和關(guān)節(jié)的位置。因為電機和關(guān)節(jié)通過減速機聯(lián)系,電機的旋轉(zhuǎn)角度和關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角之間的比率關(guān)節(jié)是n:1。當電機的位置檢測傳感器失靈,關(guān)節(jié)的位置檢測傳感器不得不檢測電機的位置來控制電機。然而,關(guān)節(jié)位置檢測傳感器檢測到的電機位置的精度只有正常位置精度的1/n。因此,當普通關(guān)節(jié)的電機位置檢測傳感器失靈,控制精度將非常低。圖5兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的位置如圖5所示,這兩個旋轉(zhuǎn)變壓器都是安裝在電機軸上。一個旋轉(zhuǎn)變壓器的定子是安裝在驅(qū)動關(guān)節(jié)的殼體上;另一個旋轉(zhuǎn)變壓器的定子是安裝在諧波減速器的柔輪上。根據(jù)這兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝位置,有以下的關(guān)系是安裝在驅(qū)動關(guān)節(jié)上的旋轉(zhuǎn)變壓器測量的旋轉(zhuǎn)角度，是安裝在被驅(qū)動關(guān)節(jié)上的旋轉(zhuǎn)變壓器測量的旋轉(zhuǎn)角度;n諧波減速器的減速比,是關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角。由關(guān)系(1),我們知道這兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角是相關(guān)的,當一個旋轉(zhuǎn)變壓器失靈時,另一個旋轉(zhuǎn)變壓器也能準確的檢測失靈旋轉(zhuǎn)變壓器所檢測的位置。因此,關(guān)節(jié)的冗余和電機位置的檢測到達了。由關(guān)系(2),我們知道關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度是兩個旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出之差。如果兩個旋轉(zhuǎn)變壓器是相同的類型和相同批次,他們的性能和工作環(huán)境是相似的,由差異原理,關(guān)節(jié)位置檢測受外部環(huán)境干擾減少和位置檢測精度提高四、熱控制熱控制目的是讓關(guān)節(jié)能在太空環(huán)境中正常的工作。這不僅意味著關(guān)節(jié)總體溫度必須控制在一定范圍內(nèi),而且關(guān)節(jié)所有組成局部之間溫度的差異如殼體、電機轉(zhuǎn)子、定子、電機軸承、關(guān)節(jié)軸承、諧波減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器、控制電路和驅(qū)動電路必須控制在一定范圍內(nèi)。不僅要考慮軌道的熱流量,也要考慮到關(guān)節(jié)工作產(chǎn)生的熱量。由于簡單的形狀,關(guān)節(jié)外部熱控制變得更容易。本文中,傳統(tǒng)的熱控制設(shè)計包括主動控制同時也介紹了被動控制。主動控制方法是通過電熱器來維持溫度的控制方法。而被動控制方法控制是通過熱涂層和散熱器來維持溫度。A：溫度范圍控制根據(jù)飛行數(shù)據(jù),航天器外表溫度在低地球軌道是-50℃~90℃。為了控制關(guān)節(jié)工作在照射區(qū)域和背光區(qū)域的溫度在適宜的范圍(20℃),需要考慮以下三點:1)大局部的熱量由電路、電機定子、軸承、諧波減速器產(chǎn)生的。這些熱量應(yīng)該首先考慮。2)需要建立一個模型來計算關(guān)節(jié)在照射區(qū)域和背光區(qū)域的溫度;3)需要采用能夠調(diào)整關(guān)節(jié)溫度的熱控制方法。圖6表示關(guān)節(jié)的熱模型。(a)關(guān)節(jié)的外殼〔b)關(guān)節(jié)的組件圖6關(guān)節(jié)的熱模型b.恒溫控制太空機械臂一體化關(guān)節(jié)包括電機、諧波減速器、軸承等零件。如果關(guān)節(jié)的內(nèi)部溫度場不均勻,將導致傳輸間隙的增加,影響關(guān)節(jié)性能,也會導致傳輸組件卡死。關(guān)節(jié)的內(nèi)外表和關(guān)節(jié)組件的外外表高涂有高發(fā)射率涂層來加強關(guān)節(jié)的輻射傳熱,并且降低了在關(guān)節(jié)組件之間的溫差。永磁同步電動機和控制電路是主要熱源并且他們安裝在關(guān)節(jié)的殼體上;關(guān)節(jié)殼體可以直接傳遞熱量。為了減少驅(qū)動關(guān)節(jié)和被驅(qū)動關(guān)節(jié)在背光區(qū)域的溫差,驅(qū)動關(guān)節(jié)外表使用了一片電熱塊。圖7和圖8表示了在恒溫控制設(shè)計后關(guān)節(jié)溫度計算的結(jié)果。(a)照射區(qū)域外殼溫度(b)照射區(qū)域組件溫度圖7照射區(qū)域關(guān)節(jié)溫度(a)背光區(qū)域外殼溫度(b)背光區(qū)域組件溫度圖8背光區(qū)域關(guān)節(jié)溫度五、實驗一體化關(guān)節(jié)的控制和驅(qū)動電路包括控制器,控制信號檢測裝置,電動機位置檢測裝置、關(guān)節(jié)位置檢測裝置,電機驅(qū)動信號功率放大器控制系統(tǒng)的控制器是TMS320LF2407A控制器,控制命令由CAN總線傳輸。電機位置信號,關(guān)節(jié)位置信號和電機電流信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器到達控制器。永磁同步電動機的驅(qū)動模式是SVPWM。一體化關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng),如圖9所示,由控制電路板,電機驅(qū)動電路板和旋轉(zhuǎn)變壓器電路板。三個電路板由觸針連接,所以連接是可靠的。圖9一體化關(guān)節(jié)的控制和驅(qū)動電路關(guān)節(jié)驗證實驗包括關(guān)節(jié)剛度實驗和關(guān)節(jié)負荷實驗,結(jié)果如表一所示(輸出轉(zhuǎn)矩是25.2N?m)表一關(guān)節(jié)性能的測試結(jié)果性能參數(shù)實驗結(jié)果剛度19.2速度20.5如圖10和圖11所示，我們使用PID控制方法進行關(guān)節(jié)控制性能試驗。圖10表示參考和反響曲線,可以看出關(guān)節(jié)的輸出軌跡可以準確地跟蹤期望軌跡。跟蹤誤差曲線如圖11所示,穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差只有0.01?圖10關(guān)節(jié)的輸出軌跡曲線圖11關(guān)節(jié)的位置控制誤差六、結(jié)論從整體的角度和所有關(guān)節(jié)組件在消除外表和傳統(tǒng)機械臂結(jié)構(gòu)冗余的結(jié)構(gòu)和性能相互匹配上看，一體化關(guān)節(jié)的所有組件都是同步的規(guī)劃和設(shè)計,并且太空機械臂關(guān)節(jié)能實現(xiàn)高內(nèi)聚和精度高的性能。在一體化關(guān)節(jié)中,兩個安裝在電機軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器同時規(guī)劃,它實現(xiàn)了電動機轉(zhuǎn)子和關(guān)節(jié)位置的雙冗余檢測,也改善了不同模式的位置檢測精度和抗噪聲能力,降低關(guān)節(jié)尺寸和簡化的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。此外,在熱控制和等溫設(shè)計下，關(guān)節(jié)實現(xiàn)了溫度平衡,解決太空真空散熱的問題。實驗結(jié)果驗證了本文提出的研究方案,并且展示了一體化關(guān)節(jié)能滿足太空機械臂輕質(zhì)量、高剛度和高系統(tǒng)精度的性能,能運用于太空機械臂。參考文獻[1]YimM,RoufasK,DuffD,etal,“模塊化可重構(gòu)機器人在太空中的應(yīng)用，〞《自主機器人》,2003,14(2),225-237頁.

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