淺談機電一體化關節(jié)在空間機械臂中的設計和控制

羅　俊

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西　景德鎮(zhèn)　333403）

淺談機電一體化關節(jié)在空間機械臂中的設計和控制

羅俊

（景德鎮(zhèn)陶瓷學院，江西景德鎮(zhèn)333403）

【摘要】空間機械臂是空間站的重要組成部分，因此，對機械臂關節(jié)的設計和控制問題進行研究十分重要。根據空間站的建設要求，基于機電一體化技術對為機械臂的關節(jié)進行設計，對滿足機械臂的可靠性、集成性和智能性特點具有積極的意義。

【關鍵詞】空間站；機械臂；關節(jié)；機電一體化

1　前言

隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，空間機械臂在空間站建造、設備維護和科學實驗中起到了積極的作用，是空間站實現在軌組裝和維護的關鍵設備。由于太空中特殊環(huán)境和我國科技水平的制約，對空間機械臂的設計與控制問題的研究一直是該領域的熱點問題。其中機電一體化關鍵作為機械臂的關鍵組成部分，對空間機械臂的控制精度有著重要的影響。根據空間站的建設要求，基于機電一體化技術對為機械臂的關節(jié)進行設計，對滿足機械臂的可靠性、集成性和智能性特點具有積極的意義。

2　機電一體化關節(jié)的總體設計

2.1機械臂的構成

空間機械臂主要包括地面控制臺、在軌控制系統、末端作業(yè)工具系統、移動基座系統、視覺系統、末端效應器系統、結構與機構系統、關節(jié)及其驅動控制系統八個部分。其中，關節(jié)、臂桿等結果與末端的效應器連接，然后通過關節(jié)旋轉來實現機械臂的空間運動。

2.2機械臂和關節(jié)的功能要求

根據空間站的設計要求，機械臂需要完成如下功能：（1）協助空間站的維護、建設和維修，保證空間站的正常運轉；（2）為航天員提供援助以增強其行動能力和安全性，減少其出艙次數；（3）最大限度降低航天員作業(yè)風險，進行環(huán)境的安全檢查。

關節(jié)是機械臂的重要組成部分，通過關節(jié)的速度、位置和力閉環(huán)控制，進而實現機械臂的旋轉運動和多自由度運動，關節(jié)的功能要求包括：（1）為機械臂提供操作負載與驅動能力；（2）為機械臂提供緊急制動功能，以及結構保護和運動角度限制等功能；（3）實現機械臂的高精度測量和控制；（4）實現機械臂與中央控制系統間的信息交互功能；（5）關節(jié)局部損壞或功能失效時，提供方便的在軌拆卸安裝接口。

2.3機電一體化關節(jié)設計方案

因為機電一體化關節(jié)需要實現傳動、制動、驅動、驅動控制、溫度信號采集、位置和速度信號采集和通訊等多種功能，同時關節(jié)的重要和體積也受到嚴格的限制，因此在設計過程中要克服在滿足功能要求的前提下盡可能的小型化、輕量化特點，并要求關節(jié)具備足夠的環(huán)境適應性和可靠性。為了克服這些難點，機電一體化關節(jié)的集成設計步驟主要包括如下幾步：（1）以調研為基礎，確定機電一體化關節(jié)的整體設計方案，主要包括零部件和傳感器的選型、中心孔走線以及冗余設計方案等；（2）首先根據實際的功能要求和性能參數分配零件的性能指標，要仔細核對關節(jié)內所有位置零部件的尺寸和接口；（3）進行關節(jié)內部結構和電氣控制硬件的設計；（4）設計關節(jié)的控制算法，并編寫相應的控制軟件；（5）完成關節(jié)結構和相應軟件的生產后，要對關節(jié)的性能和功能進行測試。

3　機電一體化關節(jié)控制研究

3.1關節(jié)控制模式

根據中央控制器的指令，關節(jié)控制主要實現如下三種模式：

3.1.1位置控制

進行位置控制時，關節(jié)控制系統會從中央控制器位接收位置指令，然后使用速度、電流和位置三閉環(huán)結構，對速度、電流和位置控制器進行環(huán)路設置，最后再通過傳感器得到關節(jié)轉速、電機等效電流和末端位置等信息，以此作為控制環(huán)路的閉環(huán)反饋。

3.1.2速度控制

進行速度控制時，關節(jié)控制系統會從中央控制器接收速度指令，然后使用電流、速度雙閉環(huán)結構，對速度和電流控制器進行環(huán)路設置，然后再通過傳感器對關節(jié)轉速與電機等效電流進行采集和計算，以此作為控制環(huán)路的閉環(huán)反饋。

3.1.3力矩控制

力矩控制是系統柔順控制的一種備份模式，關節(jié)控制系統會從中央控制器接收力矩指令，然后使用電流和力矩雙閉環(huán)結構，對力矩和電流控制器進行環(huán)路設置，最后通過傳感器對關節(jié)的輸出力矩和電機等效電流進行采集和計算，以此作為控制環(huán)路的閉環(huán)反饋。

3.2關節(jié)控制方法

3.2.1關節(jié)模型

機電一體化關節(jié)包括伺服電動機與諧波減速器兩部分，其中，減速器柔輪與具有一定剛度的扭轉彈簧等效。由于系統控制會受到摩擦和外界干擾的影響，因此首先建立關節(jié)系統的力學模型。根據該模型，可以對后續(xù)矢量控制等參數進行計算設置。

3.3.2矢量控制過程

關節(jié)控制系統包括速度環(huán)、電流環(huán)和位置環(huán)三部分，是一個三閉環(huán)的調節(jié)系統。關節(jié)運動的控制過程要保證運動在不同負載和變負載擾動下都保持平穩(wěn)性，鑒于關節(jié)運動較低的速度和對關節(jié)位置動態(tài)響應能力的較低要求，其控制算法要重點解決關節(jié)的柔性影響，以實現振動的抑制控制，即降低振動的幅值和次數。

柔性關節(jié)扭轉振動抑制涉及到級聯動力特性、高精度定位控制設計和低速非線性摩擦補償等問題。另外，機械臂的位型和負載變化也會造成機械臂關節(jié)空間的轉動慣量出現時變的特性。運動控制算法主要包括狀態(tài)空間反饋、計算力矩前饋和PID控制加柔性補償等。其中，PID技術能夠根據經驗對參數進行設置，靈活性較高，因此控制性能良好，目前很多成型產品都采用了經典的線性PID增量控制算法。如果對動態(tài)響應的要求不高，則可以使用PI控制方式對轉速、電流和位置閉環(huán)進行控制，摩擦模型一般使用動態(tài)模型進行模擬，并在控制器上進行補償。除此之外，考慮到諧波減速器的剛度要求，需要進行柔性扭轉控制補償，并使用變參數PI設計，尤其是在負載面對大范圍變動的情況下，控制系統要先根據實際情況對多個控制參數進行設定，然后在線切換調整，以保證機械臂的運動平穩(wěn)性要求。

4　結論

本文從設計和控制兩個方面對機電一體化的空間機械臂關節(jié)進行了介紹。關節(jié)是機械臂的重要組成部分之一，隨著我國空間技術的發(fā)展，基于機電一體化技術的空間機械臂關節(jié)設計和控制技術必將得到進一步的完善和拓展。

【參考文獻】

［1］張慧芳.空間機械臂鎖緊裝置設計與分析［D］.哈爾濱工業(yè)大學.2006.

【作者簡介】

羅俊（1983—），男，江西撫州人，碩士，講師，機械設計。