混合方法微重力空間機械臂地

周鵬舉　王生玉

摘 要：根據車站的結構特點，我們可以用來組裝7自由度機械手，在空間基礎上的浮選和靜態均衡，搭配地面微重力的知識，建議使用浮選法達到重力補償7自由度機械手的中間空間段和靜平衡機制設計。有了這個混合仿真的方法來構建地面微重力實驗系統，實現了7自由度空間三維臂運動可用于定位測試空間精度以及捕獲等實驗研究的目標。

關鍵詞：空間機械臂；微重力環境；靜態平衡機制：DAF

一、介紹

近些年來，科技發展日新月異，人們對于外太空的探索步伐也隨著航天技術的進步開始了更加大踏步的向前發展。在外太空建立空間工作站，但是由于人類自身體能的限制，所以要求完成高難度任務的空間站機器人就變成了大眾所趨的研究方向。機器人的出現不僅可以合作或代替宇航員，還能夠發揮幫助執行空間站的組裝、維護等功能。部分機器人更可以改變傳統的在軌運行，并執行燃料供應、捕獲宇宙飛船和其他監測器的運行軌跡軌等功能。

空間機械臂是空間機器人系統的重要組成部分。我們在進行發射行動之前，一定要做到失重條件下環境的精確逼真模擬，這樣才能獲得嚴密的實驗數據和測試結果，從而確保空間機械臂準確執行任務軌道。發展到現在為止，我們國家的空間站機器人的主要模擬研究方法采用的是水浮法、吊絲法等等。

浮選法是利用氣體腳（也稱為空氣軸承），該空間平面的機械手臂支撐光滑浮選之時，利用氣體腳噴射反作用力以抵消手臂的重力。這種方法最大的好處就是精簡化的操作方式、承受能力也很強、還有定位明確性精準等等。尤其是在二維平面上，使用浮選能方法是為了達到良好的實驗結果。 MDA公司開發的CanadannZ臂和歐洲航天局ESA開發的時代手臂，被用來進行相應的實驗研究，作為在地上浮選法實驗的研究對象。但是，浮選法只適用于以下條件：空間機械臂在一個二維平面微重力試驗，難以對移動的微重力條件下的三維空間力進行試驗。水浮指模擬微重力中，加入在水中重臂浮力，從而使空間引力達到平衡。馬里蘭大學游俠機器人開發了實驗系統，使用地下水浮動模擬微重力環境。然而，在水上運動的空間機械臂，水浮用于密封空間機械臂的方法嚴苛，因此需要對系統EC進行大整治。吊絲重量的方法是通過采用配重輪重心來補償空間機械臂重力，它使用一個垂直向上的懸拉力來平衡重力空間的機械臂。

卡內基·梅隆SMZ開發的測試系統和北京控制系統工程研究所研制的艙外自由移動機器人系統，它們都采用了吊絲配重法。吊絲配重的方法雖然可以實現太空重力補償臂，但該系統十分復雜。通過添加輔助連桿機構和彈簧靜來平衡機制，使重力勢能和彈性勢能的能量之和保持不變，為了實現重力補償的制度體系，使用靜態平衡機制，以減少自己的聯合負荷移臂產生的引力，從而提高手臂的使用效率。

我們可以參考使用靜態平衡機構設計的手臂和腿部康復醫療設備機械，它們就是采用了平行四邊形和彈簧助力，但系統設計中只有2自由度機械手的研制實現了重力補償的系統設置。所以我們可以用7自由度機械手進行空間站組裝（擁有約7自由度的空間機械臂DOF）。它提出了一種基于地面的微重力浮選方法，靜平衡混合仿真使用該方法來構建地面微重力實驗系統，在7自由度的空間下來實現機器人臂的三維運動，還可以實現在結束時使用高端定位精度測試的想法以及符合條件并接觸地面碰撞的動力學分析實驗等目的。

二、7-DOF機械手系統

7-DOF在軌道上的自由度機械手的太空任務包括：空間站組裝和維修、飛船盤旋捕獲和輔助對接。其次是要幫助航天員出艙執行任務以及護理艙外科學實驗載荷等等。為了順利完成上述任務，就必須進行一個可行的地面微重力環境下的定位精度測試。

三、混合模擬為基礎的浮選和靜平衡

3.1混合模擬微重力地計劃

綜合分析現有浮選法、水浮子和吊絲配重法，它們各具優勢和劣勢。結合空間7自由度機械手的結構特點，本文建議在浮選和靜力平衡的基礎上的進行混合仿真方法試驗以及7自由度機械手在地面微重力實驗系統中的空間設計。

3.2機械臂的組成部分

一般情況下，我們可以看到自由機械臂的相關組成部分：腕（接頭5至7和端接頭致動器）和肩部（關第1節、 2和重力補償的端部執行器關節運動）。

4仿真研究

4.1仿真模型

我們在試驗中成功實現了空間自由度機械手重量仿真模型力補償。7-DOF其中的空間自由度房間手臂、靜平衡機制由桿尼泊爾臨時創設的ngineer模具才得以導入ADAMS軟件，它的質量屬性和動態在ADAMS軟件中得以設置機械參數；再加入兩個彈簧，每個彈簧的一端連接到主體的點，而另一端連接到相應系統的中心點。

與此同時，在ADAMS軟件中，我們還建立了7自由度空間機械重量損失模型臂。在研究的過程中，我們也發現為了分析實驗的順利進行，這個模型也將是我們進行其他相關實驗的堅實基礎。

4.2結論分析

從我們的試驗模擬結果來看：重力環境，通過重力補償，使各關節空間所需的驅動力矩線幾乎重合，從而模擬出一個逼真的失重環境。因此，從關節力輸出瞬間的角度來看，這種方法可以被認為是整個7自由度空間手臂在失重環境下的最好體現。

5、結束語

（1）在本文中，我們主要總結了有7自由度機械手的空間結構特征，以及基于浮選和地面微重力混合方法下靜平衡方法的引入建議。這種方法在 7-DOF自由度機械手自由度空間復雜的結構中，起到了運輸固定的作用，在分解成五個自由度和兩個度的自由度運動0.7組合的同時，自由度的空間機械臂也采用浮選法實現重力補償的中間部分，和跨越肩和腕機構一起實現靜平衡重力的填充補償。

（2）對于沿著合理對稱軸的有關鏈路質量分布研究，我們應該根據該手腕（肩）的設計，只需要一個靜態平衡假設彈簧的添加，這樣一來就能大大降低了整個機械臂系統的復雜性。另外，由于該組儀表彈簧機構的質量更輕，以及更小的附加慣性，也極大的體現了這種機械臂設計的優點。

（3）在實際的操作系統中，出現從重心離軸鏈路或從系統中心距的彈簧連接點偏差小于1cm的情況時，經過試驗我們得知，該方法能夠達到更好的重力補償重力填充補償效果。一旦出現這樣的現象：整個誤差值大于1厘米小于10厘米的時候，地面微重力實驗系統設計雖然無法獲得所需的重力補償效果，但仍然能夠實現7自由度空間機械三維運動臂的定位精度測試，以及相關問題的研究。

（4）如本文中所使用的，研究的結果將是7的空間機自由度內置機械臂放在地面微重力實驗系統下，并且在提供了理論依據步驟的基礎上將進一步細化靜態平衡機構和特種軸承的設計，并對系統和修剪重心的測量方法采取進一步的研究。