航天制造中機械臂的發展與展望

呂舒婷 ， 李 淳 ， 周 賀 ， 吳 盟 ， 李 強 ， 梁高強 ， 靳向濤 ， 尹兆潔

（首都航天機械有限公司，北京 100071）

0 引言

航天制造工業是一個大國最高精尖的制造技術的體現，是一個國家探索太空領域的技術與產能的基石。20世紀70年代，中國航天制造業開始迅速發展，隨著科研的投入不斷增加，到21世紀后，各項航天技術壁壘不斷被突破，中國航天制造技術走向了新的高度。

在航天制造領域，航天器的裝配生產始終是檢驗航天器設計優劣的重要一環。設計公差是否合理，尺寸鏈是否閉合等問題會在航天器裝配環節全部暴露出來。隨著航天技術的不斷發展，航天器的設計外形越來越復雜，裝配的空間越來越狹小，給后期的裝配環節帶來了很大的難度與考驗。為保障航天生產中裝配生產的厚墻不倒，各類航天制造廠開始引入機械臂來輔助進行裝配生產。

隨著機器人技術的不斷發展，各類機械臂推陳出新。高負載自重比、操作更加靈活、穩定性和安全性更強的機械臂被研發出來[1-2]，為其在航天制造中的應用提供了可能。

1 機械臂的發展概述

機械臂是仿照人的上臂關節進行設計與制造的，有著結構緊湊、體積較小、相對工作空間大、可越障等特點。機械臂有6個主動關節來保障其具有6個空間自由度，能最大限度地進行靈活工作。一般情況下，機械臂的關節均為轉動型關節，其中，3個關節一般集中在“手腕”部，該設計方案可充分壓縮機械臂整體的體積[3]。

生產生活中常見的機械臂結構與原理存在一定的相似性，機械臂的主體結構為多關節結構，其運行由多個回轉部件、關節、支撐臂部件、可伸縮部件、抓手等組成，大部分機械臂工作過程類似于費力杠桿的工作過程。大部分機械臂包括以下機械結構：一是主體回轉機構，位于機械臂的最下方位置，由伺服電機、回轉支撐、蝸輪蝸桿、回轉軸等零部件組成，能夠實現水平方向的自由轉動；二是關節軸承，能夠實現兩個相連接支撐臂的空間轉動，包括俯仰擺動等；三是可伸縮氣缸液壓油缸或電缸，能實現手臂沿特定方向的伸縮功能；四是抓手結構，包括夾取、抓取、吸取等多種方式，所使用的驅動力和技術形式也多種多樣[4-5]。

1.1 國外機械臂的發展現狀

國外機械臂的發展時間較早，從20世紀40年代到目前為止已經有80多年的歷史了。生活因為機械臂的出現而變得多彩，現在可以通過一款機械臂來幫助人們完成任務，而不必自己動手。國外的機械臂研究現狀可以從以下兩種機械臂的概況來簡單介紹。

1.1.1 空間機械臂

空間機械臂是一個空間機電系統，這個系統由機電熱控共同組成，隨著空間技術（特別是航天飛機、空間站、空間機器人等）的飛速發展，空間機械臂在太空中的應用越來越廣泛。空間機械臂主要有兩大類：艙外機械臂、艙內機械臂。前者針對不同的工作任務需求，其自由度通常為5~10個，長度通常是幾米至十幾米，主要安裝載體是空間站、航天飛機以及小型飛行器。它的主要任務有運送目標、輔助進行對接、攝影、在軌建設、抓捕或者釋放衛星等，此外它還可以作為輔助設備，幫助航天員進行出艙活動。而后者具有尺寸小、運動范圍小等特點，它的主要任務是更換設備部件、裝配設備以及打撈空間漂浮物等。

德國宇航中心在20世紀90年代研制并成功發射了小型空間機械臂系統ROTEX。這種系統安裝了各種類型的執行機構和傳感機構，擁有8個自由度，能夠精準地完成1 m范圍內預設的操作。

1.1.2 關節型機械臂

Segway公司已經研制出了一種家用輕型機器人RMP200，能夠在相對較小的室內進行移動。日本也在20世紀80年代對農業采摘機械臂進行了研究。1984年，日本Kyoto大學研制出了一個5自由度的關節型機械臂。1993年，Kondo等研制出了帶有機械手、視覺傳感器的7自由度機械臂，在農業機械方面作出了很大的貢獻，也為其他制造生產行業提供了參考。

1.2 國內機械臂的發展現狀

國內機械臂的發展較晚，但是發展速度非常快。近年來，隨著《中國制造2025》《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》《機器人產業發展規劃（2016—2020年）》等相關政策的大力支持，國內的機械臂技術水平與應用能力有了顯著的提升，在各類生產線上有著廣泛的應用。與傳統的機械臂相比，我國自主研發的機械臂有著成本低、重量輕、占地面積小等優點[6-7]。

越疆科技劉培超及其團隊對機械臂內部嵌套的系統進行了優化，使得PC端的鼠標、手機、App、腦電波控制、語音控制可對機械臂進行控制，讓機械臂的使用更加人性化。除此之外，該團隊設計的系統控制精度更高，可使機械臂寫毛筆字、切香腸、畫畫等。

近年來，我國的空間機械臂發展十分迅速。在國家“863計劃”的大力支持下，哈爾濱工業大學研制出了6個旋轉關節的試驗七號空間機械臂，6個旋轉關節分別為旋轉、俯仰、俯仰、旋轉、俯仰、旋轉功能，樣機如圖1所示[8]。之后，哈爾濱工業大學與其他單位聯合對天宮二號空間機械臂的在軌維修技術進行了論證與研制，并最終取得了神舟十一號飛船與天宮二號實驗室組合的圓滿成功[9-10]。

圖1 試驗七號機械臂樣機

2 一種新型的機械臂技術

機械臂根據協同工作方式分為單機械臂和雙機械臂。單機械臂機器人已在我國航天制造業中廣泛應用，如沖壓、鑄造、焊接、裝配等。但是在遇到復雜且裝配精度要求更高的制造場合時，單機械臂在工作中會受到很大的限制。因此，雙機械臂技術應運而生[11]。

雙機械臂技術是一種新型的機械臂技術，起步較晚，但是發展前景較好，一直是一個熱門研究內容，受到國內外學者的廣泛關注。對于雙機械臂，機械問題不是太過于重要，控制響應方面才是該機械臂的重點。在對雙機械臂進行控制設計前，需對機械臂空間的運動學以及協同空間進行分析，并進行正逆求解，所以雙機械臂的設計歸根到底是一個數學問題。對雙機械臂的空間協同分析內容如下。

2.1 建立本體坐標系

根據北京理工大學王夢的求解方式，即后置坐標系建立方法[12]，以兩個3軸機械臂構成的雙機械臂為例，建立11個雙機械臂的空間連桿坐標系，分別為：建立坐標系的示意圖如圖2所示，該坐標系命名為D-H坐標系。

圖2 D-H坐標系示意圖

之后根據D-H矩陣公式來計算，求解機械臂末端在運動情況下的位姿公式，如公式（1）所示。D-H矩陣公式是Denavit與Hartenberg提出的一種4×4矩陣公式，用來描述機械臂各個連桿的空間關系，并推導出機械臂末端位姿狀態。

2.2 進行協同空間分析

雙機械臂可看作是兩個單機械臂的協調工作，工作空間包含單機械臂的工作空間和雙機械臂的協調工作空間兩種。通過蒙特卡洛法[13]進行計算，進行協同空間分析，求解方法如下：

1）建立單機械臂末端作用點在基坐標系中的位置向量表達式。

2）利用隨機函數進行隨機點的設定，得到機械臂的關節變量偽隨機值。

3）將N個關節變量代入兩個機械臂末端點，求解末端點的坐標集合。

4）結合末端點的坐標集合，構建兩個機械臂空間的協同運動算法。

3 總結

隨著國內航天制造業的快速發展，對航天器配套產品的需求量越來越大，機器代替人工來進行高效工作的趨勢越來越明顯。高效、穩定的機械臂將會是航天制造業中不可或缺的一類機械，而雙機械臂的出現為更加高效、精準的生產提供了一個新的發展方向，未來的航天制造業必將發展得更為迅速。