空間機械臂機電一體化關節控制設計探究

摘 要：在空間站中，空間機械手是非常重要的裝置，是空間站工作中不可或缺的裝置之一。因此，空間機械手的機械接頭的設計和控制尤為重要。在實際應用中，為了使空間機械手發揮更大的作用，有必要對機電一體化接頭的設計和控制進行詳細分析，以滿足其實際應用的需要。

關鍵詞：空間機械臂;機電一體化;關節控制;設計

隨著我國經濟實力和科技水平的不斷提升，我國的航天事業也得到了長足的發展，空間機械臂是空間站的重要組成部分，是維護設備和組建空間站的關鍵設備。機電一體化關節是空間機械手的關鍵組成部分，在空間機械手的應用中發揮著重要作用。機電一體化接頭的設計不僅影響空間機械手的控制精度，而且影響空間機械手的整體性能。因此，要對機電一體化關節的控制和設計予以高度的重視，以此來不斷的提升空間機械臂的集成性和可靠性。本文闡述了空間機械臂機電一體化關節的控制設計。

一、空間機械臂和機電一體化關節簡介

太空機械手是空間站的重要組成部分，主要由結構系統，機構系統，地面控制臺，在軌控制系統，移動基座系統，末端執行器系統，關節驅動控制系統等組成。空間機械手的臂和關節的結構連接到末端執行器系統，并且空間機械手裝置需要依靠關節的旋轉來完成相關的空間運動。空間機械臂在空間站中發揮著重要的作用，不但可以為空間站的建設和維護提供強大的助力，還可以為航天員提供相應的援助，以此來提升航天員的行動能力。另外，通過空間機械臂的應用，可以很有效的減少航天員的出倉次數，不但降低了航天員的作業風險，也提升了航天員在宇宙空間的安全性。

機電一體化關節是空間機械手的重要組成部分。空間機械手可以通過機電關節的速度，位置和力的閉環控制來完成多自由度旋轉運動。機電一體化關節的功能性很強，第一，能夠為空間機械臂提供操作的驅動力和負載能力。其次，機電一體化關節可以實現空間機械手的緊急制動。第三，機電關節還可以保護空間機械手的結構。第四，機電一體化關節可以有效地提高空間機械手的工作精度。第五，通過機電一體化關節，空間機械臂能夠和中央控制系統實現信息的交互。

二、空間機械臂機電一體化關節的設計

在設計機電一體化接頭的過程中，首先要確保機電一體化接頭具有傳動，制動，驅動，驅動控制，溫度信號采集，位置信號采集，速度信號采集和通信等功能。其次，要對機電一體化關節的重量和體積進行有效的控制。在滿足機電一體化關節功能需求的基礎上盡可能的實現關節的小型化和輕量化。另外，由于宇宙空間的環境較為特殊，機電一體化關節還應該具備較強的環境適應能力。

在實際的機電一體化關節設計過程中，首先，要根據實際的需求來制定出整體的設計方案。除了要重視前期的調研工作之外，還要科學合理的進行中心孔走線、傳感器和零部件選型以及冗余設計等工作。第二，按照實際的性能參數和功能要求來合理的分配性能指標，同時對零部件的接口和尺寸進行詳細的核對。第三，科學合理的對機電一體化關節的內部結構和電氣控制硬件進行設計。

三、空間機械臂機電一體化關節的設計的控制

（一）機電一體化關節的控制模式

在空間機械臂機電一體化關節控制過程中，想要實現對機電一體化關節的控制，必須要通過中央控制器發出信號指令，并完成所有的操作。在操作過程中，關節控制系統在機電一體化中發揮著重要的作用，而關節控制指的是控制系統的速度、電流以及位置等，并應用傳感器獲取關節信息的準確時速。此外，在對關節進行速度控制過程中，機電接頭控制、位置控制、轉矩控制和速度控制極為重要，關節控制系統使用電流、速度雙閉環結構對機電環路進行有效的控制，并且設定扭矩和電流控制器的回路，然后利用傳感器得到關節時速等信息數據，而且這些信息數據都是有依據的，并準確，值得今后在運用時得以借鑒。

（二）機電一體化關節的控制方法

在機電一體化中，關節控制的方法值得推薦，而關節控制的最重要的部件是電動機和減速器，在機電一體化中發揮著重要的作用，而且減速器與彈簧之間存在著等效的關系，兩者相互依存。此外，為了更好地做好控制系統的工作，要針對控制系統的實際情況采取不同的控制方法，對機電一體化的參數進行計算，并針對控制系統的關鍵環節建立相應的力學模型，對后續矢量進行準確的計算，得到準確的數據。在機電接頭的運動控制過程中，首先，要針對接頭的實際情況，對接頭的變化以及負載詳細的記錄，而數據的準確性主要依靠負載的穩定。其次，機電一體化關節的控制算法包括多方面的，主要包括：狀態空間反饋、PID控制加柔性補償以及計算力矩前饋，其中最主要的是PID控制加柔性補償，其應用范圍較為廣泛，得到了人們的青睞。所以，在使用過程中，一定要重視關節柔性的影響，降低關節振動的次數，并根據機電一體化工作的經驗，進行參數設置，經過多年來的發展，PID控制技術得到了很好的應用，不但具有一定的靈活性，而且控制效果較好，值得推廣。

四、結語

綜上所述，空間機械臂是空間站的重要組成部分，在航空領域中發揮著重要的作用。對于空間機械手，機電接頭不僅可以促進穩定高效的操作，還可以提高其性能。因此，一定要對機電一體化關節的控制和設計予以高度的重視。

參考文獻：

[1]胡素梅.空間機械臂機電一體化關節的設計與控制[J].電子制作，2014，01：54.

[2]羅俊.淺談機電一體化關節在空間機械臂中的設計和控制[J].山東工業技術，2014，13：156.

[3]孫敬，史士財，郭闖強，劉宏.空間機械臂在軌快換高精度模塊化關節的研制[J].四川大學學報（工程科學版），2012，01：209-214.

作者簡介：黃慶會（1980-），男，漢族，內蒙古赤峰人，本科，講師，研究方向為機電一體化技術。