基于柔性直角坐標機器人的火箭連接器自動對接過程分析及試驗

李泳嶧，吳新躍，翟 旺，白文龍，李道平

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

在航天運載火箭發射支持系統中，地面的推進劑加注系統、供配氣系統的管路與運載火箭間需通過連接器進行對接，實現氣/液態介質進入或者流出火箭的功能。目前，連接器與箭上接口的對接工作多以人工方式完成為主，而箭上接口的位置、運動范圍及速度在外界風載等因素作用下持續變化，人工對接方式對操作人員及地面保障條件的要求高，尤其在緊急情況下，容易引發箭上推進劑貯箱壓力劇增后爆炸、發射設施損毀及人員傷亡等事故[1，2]。因此，開展連接器與箭上接口自動對接技術的研究對于提高航天發射支持系統、人員安全性，解決快速發射、發射準備流程可逆等需求具有重要意義。

美國、俄羅斯、中國等對運載火箭連接器自動對接技術、對接機構等開展了持續、深入的研究[3～8]。美國前期對土星Ⅴ、宇宙神5、X-33等型號運載火箭/飛行器開展了平衡臂式、伸縮式等臍帶自動對接裝置的研究[3]；2004年，肯尼迪航天中心、Rohwedder公司開發了遠程智能臍帶對接系統原理樣機，該對接系統可在6個自由度上移動，對接后被動隨動，并且具備人工操作等功能，可減少人為參與進行推進劑加注工作過程中潛在的危險，但目前無火箭發射應用的公開報道[4]；2007年，提出“自動對接地面臍帶連接器系統”研究計劃，用于保持可靠性，并減少地面臍帶連接的操作時間和投入人力[5]；2012年，肯尼迪航天中心針對戰神Ⅰ研制了由內板、外板等組成的線性臍帶對接鎖緊機構，外板用于與火箭連接，內板由人工推動將連接器與火箭對接[6]。俄羅斯的旋風號、天頂號運載火箭最早采用錐桿-傘導向式自動對接機構完成了連接器與火箭間的自動對接與分離，但由于其箭上接口均位于箭體尾部，與連接器相對靜止，對接難度較小[3～8]。中國在連接器自動對接技術的目標檢測、對接鎖緊機構、低溫密封、自動分離等方面積累了寶貴的經驗，對連接器自動對接技術特征進行了分類，并結合中國現役火箭總體技術特點提供了相關建議，此外針對六自由度機械臂式連接器自動對接系統的控制流程進行了深入研究[3，8，9]。

本文重點研究航天發射場中火箭連接器自動對接技術，并開展連接器自動對接系統的技術方案設計及試驗驗證，為其在后續運載火箭實際發射準備流程中的應用提供技術支撐。

1 連接器自動對接技術

1.1 連接器自動對接技術構成

在如圖1所示的航天發射場中，包括發射區、推進劑罐區、技術陣地等，其中發射區主要包括發射臺（含臍帶塔、擺桿）以及坐落于發射臺上的火箭等，罐區主要包括推進劑貯罐、管路等?；鸺七M劑輸送管路經罐區、發射區、臍帶塔后鋪設至火箭不同芯級對應的擺桿末端，通過連接器與箭上接口對接，實現推進劑加注或泄出火箭的功能。

連接器的主要工作過程如下：

a）在技術陣地人工操作完成連接器與箭上接口對接，隨火箭及發射臺轉移至發射區后，進行推進劑的加注；

b）推進劑加注完成后，連接器與箭上接口分離，擺桿打開；

c）判斷火箭發射狀態，滿足要求則點火發射，火箭升空；異常情況需推遲或中止發射時，擺桿重新合攏，人工完成連接器與箭上接口快速二次對接，進行推進劑泄出，排除火箭上推進劑貯箱內壓力過高引發爆炸的危險。

可見，火箭連接器自動對接技術主要用于解決上述發射準備流程中連接器與箭上接口在技術陣地的首次對接以及在發射區出現異常情況下的二次對接，以取代目前的人工對接方式，降低對操作人員及地面保障條件的要求。

圖1 火箭連接器自動對接技術構成示意Fig.1 Application Background of the Umbilical Connector Autonomous Mating Technology for Launch Vehicle

1.2 技術特點及需求

通過分析，影響連接器與箭上接口對接過程的因素包括以下幾方面：

a）火箭、發射臺擺桿等大型結構在外界風載作用下均持續晃動，且距離地面越高，晃動現象越明顯，箭上接口相對連接器位置持續變化；

b）推進劑加注過程中，火箭自身質量增加，箭上接口隨火箭下沉；

c）低溫推進劑溫度較低，導致箭體結構變形及箭上接口位置變化。

因此，在火箭連接器的自動對接過程中，可以認為箭上接口相對連接器會沿6個方向進行運動，即X，Y，Z 3 個方向的平動以及 R（x），R（y），R（z）3 個方向的轉動，如圖2所示。

圖2 箭上接口、連接器坐標系示意Fig.2 Coordinate System between Launch Vehicle and Umbilical Connector

結合發射場實測數據，通常箭上接口沿X，Y水平方向的晃動范圍及速度較大，而沿Z方向的晃動范圍、速度以及 R（x），R（y），R（z）3 個方向的轉動范圍相對較小。箭上接口與連接器的持續晃動明顯增加了自動對接技術的實施難度。

參照目前人工完成火箭連接器對接步驟，實現連接器自動對接技術應首先解決以下技術需求：a）對接前對相對晃動的箭上接口位姿檢測技術；b）對接過程中連接器的位姿調整及控制技術；c）對接后加注過程中連接器與箭上接口的長時間隨動技術。

1.3 技術方案

針對火箭連接器自動對接的技術需求，梳理出連接器自動對接系統的功能需求應包括檢測功能、控制功能、位姿調整功能，并形成了如圖3所示的連接器自動對接系統技術方案，主要由檢測系統、控制系統、柔性位姿調整系統及連接器等組成。

圖3 連接器自動對接系統技術方案Fig.3 Technical Scheme of Umbilical Connector’s Autonomous Mating System

連接器自動對接系統的各部分功能如下：

a）檢測系統：實時、準確獲取自動對接系統中連接器與箭上接口的相對位置、速度等運動信息，并反饋至控制系統；

b）控制系統：根據檢測系統反饋的箭上接口運動信息，解算出連接器與箭上接口的位姿偏差信息，并輸出柔性位姿調整系統位姿調整的控制量；

c）柔性位姿調整系統：對接過程中根據控制系統輸出的控制量，對連接器的位姿進行實時調整，實現與箭上接口的位姿一致，完成對接后與連接器分離；

d）連接器：自動對接系統的工作對象。

由于連接器在自動對接過程中，箭上接口在持續晃動，自動對接系統的檢測、控制、位姿調整等環節的性能將影響連接器自動對接過程能否順利完成。目前，在工業自動化領域，高性能的檢測、控制設備應用廣泛，例如視覺傳感器、多維力傳感器、激光傳感器、運動控制卡、單片機等，可滿足響應快、精度高等需求。因此，如何通過柔性位姿調整系統實現連接器與箭上接口的位姿一致，是實現連接器自動對接的重要環節。

2 連接器自動對接系統設計

2.1 工業機器人概述

工業機器人是集機械、電子、控制、傳感器、人工智能等多學科于一體的現代自動化設備，目前已普遍應用于汽車、機械制造、零件分揀、倉庫堆垛等行業中，對于提高自動化水平、生產效率及經濟效益，改善工人勞動條件等方面作用明顯。通用工業機器人按機構特征可劃分為直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人、關節機器人等，各類機器人特點各異，應根據不同的應用場合及功能需求對機器人的形式進行選擇[9]。

其中，直角坐標機器人也稱為桁架機器人或龍門式機器人，通過本體部分的X，Y，Z軸提供3個獨立的自由度運動，完成空間點的定位工作，其次通過在末端增加球腕結構等方式，完成末端執行機構的姿態調整，基本滿足所有工業自動化任務，具有以下特點：組合結構形式多，適應性強，結構簡單；行程大、負載能力強；動態特性好、精度高；每個自由度間相互獨立，無耦合，空間夾角為直角，控制簡單；可靠性好、維護簡單等[9，10]。

2.2 總體方案設計

結合連接器自動對接技術需求特點，制定了連接器X，Y，Z 3個方向位置主動調整及R(x)，R(y)，R(z) 3個轉動方向位置被動適應調整的設計思路，首次設計了一種基于柔性直角坐標機器人的連接器自動對接系統，如圖4所示。

圖4 柔性直角坐標機器人式自動對接系統方案Fig.4 Umbilical Connector’S Autonomous Mating System Scheme Based on flexible rectangular robot

由圖4可知：

a）直角坐標機器人由底座、進退座、橫移座、升降座及各向導軌副組成，解決對接過程連接器與箭上接口在圖2中X，Y，Z 3個方向的位置誤差調整，為主動調整；

b）直角坐標機器人升降座末端設計了由多組氣彈簧組成的柔性機構，對接前對連接器進行定位，解決對接過程連接器與箭上接口在圖2中R（x），R（y），R（z） 3個轉動方向的小范圍偏差，對接后與連接器分離，為被動適應調整；

c）連接器與箭上接口的對接面設計了錐桿-傘式導向結構，輔助二者完成小位姿偏差時的插入、自動對接等流程；

d）由激光傳感器及相機組成的檢測系統安裝在直角坐標機器人上，對連接器與箭上接口在X，Y，Z 3個方向的位置誤差進行檢測，并反饋至控制系統進行隨動控制。

3 連接器自動對接過程及試驗分析

3.1 實物及工作過程

在圖 4連接器自動對接系統方案基礎上，研制了柔性直角坐標機器人式自動對接試驗系統，如圖5所示。

圖5 柔性直角坐標機器人式自動對接試驗系統實物Fig.5 Practical Umbilical Connector’s Autonomous Mating Experimental System Based on Flexible Rectangular Robot 1—箭體模擬裝置；2—箭上接口；3—連接器；4—柔性機構；5—升降座；6—橫移座；7—進退座；8—底座；9—檢測系統；10—靶標；11—控制系統

柔性直角坐標機器人式自動對接試驗系統主要包括柔性直角坐標機器人、箭體模擬裝置、箭上接口等。其中，直角坐標機器人主要由底座、進退座、橫移座、升降座、滾動直線導軌副、滾珠絲杠螺母副、交流伺服電機、柔性機構、連接器、控制系統、檢測系統、靶標等組成，設計指標如下：

a）直角坐標機器人X，Y，Z 3個平動方向的最大運動范圍為±120 mm，最大運動速度為200 mm/s；

b）柔性機構 R（x），R（y），R（z） 3 個轉動方向的位姿偏差適應量為±2.5°；

c）連接器與箭上接口間錐桿-傘導向結構在X向適應范圍為±20 mm，在 YZ面上導向適應范圍為±10 mm，均滿足3個轉動方向±2.5°偏差量要求。

柔性直角坐標機器人式自動對接試驗系統工作過程如下：

a）箭體模擬裝置動作，實現箭上接口在進退、橫移、升降3個方向的復合運動；

b）檢測系統通過箭體模擬裝置上的靶標獲得箭上接口相對直角坐標機器人及連接器在X，Y，Z 3個方向位置信息，并反饋至控制系統；

c）啟動直角坐標機器人，控制系統根據連接器與箭上接口的實時相對位置偏差信息，分別驅動直角坐標機器人在進退、橫移、升降方向進行位置調整，實現連接器與箭上接口在X，Y，Z 3個方向同步隨動；

d）推進柔性機構，在連接器與箭上接口間的錐桿-傘導向結構輔助作用下自適應二者小位姿偏差，完成連接器自動對接，柔性機構與連接器分離，直角坐標機器人復位；

e）連接器同箭上接口隨動，結束。

3.2 控制系統及控制流程

在上述柔性直角坐標機器人自動對接過程中，控制系統需根據檢測系統實時反饋的箭上接口與連接器在X，Y，Z 3個方向運動信息，對直角坐標機器人各運動軸的位置、速度等進行控制，屬于典型的閉環伺服控制，本文設計的控制系統主要結構如圖6所示，上、下位機間采用CAN總線通訊，下位機與檢測系統、各運動軸的交流伺服電機驅動器間采用CAN總線通訊，總線通訊速率約1 Mb/s，控制周期約15 ms，檢測系統采樣周期約15 ms，有效地保證了伺服控制的實時性和精度。

圖6 控制系統組成示意Fig.6 Composition of Control System

結合柔性直角坐標機器人式自動對接系統工作原理，連接器自動對接過程可分為準備、三軸跟蹤隨動、對接3個階段，其中三軸跟蹤隨動階段采用了進退、橫移、升降分步順序執行+持續判斷的控制流程，并且各軸交流伺服電機的控制量由PID控制器計算輸出，控制流程如下：

a）根據錐桿-傘導向結構在 YZ面上導向能力為±10 mm，設定滿足連接器自動對接條件的理論位姿誤差e0；

b）通過檢測系統、靶標獲得連接器相對箭上接口的實時位置信息，并計算獲得實時位姿誤差e；

c）進退座動作，進入對接工作區后，由實時跟蹤誤差經PID控制器比例環節、積分環節、微分環節計算，輸出進退軸交流伺服電機轉速的控制量，實現連接器與箭上接口在進退方向位姿一致；

d）橫移座、升降座分別按步驟c模式動作，實現連接器與箭上接口在橫移、升降方向位姿一致；

e）持續比較連接器與箭上接口在進退、橫移、升降3個方向實時位姿誤差e與理論位姿誤差e0，判斷滿足自動對接條件時柔性機構動作，完成連接器自動對接流程。

柔性直角坐標機器人在進退、橫移、升降3個運動軸的交流伺服電機的控制量為轉速，初步采用的控制策略如式（1）：

式中 V(n)為第n時刻電機轉速，r/min；e(n)，e(n-1)為第n、n-1時刻實時位姿誤差，mm；Kp，Ki，Kd為PID控制器比例系數、積分系數、微分系數[11～13]。

4 結果與分析

在完成上述柔性直角坐標機器人自動對接試驗系統的調試后，開展了系列連接器自動對接試驗，通過改變箭體模擬裝置的進退、橫移、升降方向的運動參數，獲得箭上接口不同的運動規律，驗證采用柔性直角坐標機器人完成連接器自動對接的功能及性能，初步的試驗結果如表1所示。

由表 1可知，該柔性直角坐標機器人各項功能正常，通過檢測系統準確獲得直角坐標機器人及連接器相對箭上接口的相對位置誤差信息后，由控制系統分步實現連接器在進退、橫移、升降方向與箭上接口的小位置誤差情況下的同步隨動，并通過柔性機構、錐桿-傘式導向結構的輔助作用，完成連接器與箭上接口的自動對接、分離流程。

表1 柔性直角坐標機器人自動對接試驗結果Tab.1 Autonomous Mating Experimental Results Based on Flexible Rectangular Robot

由表1還可以看出，柔性直角坐標機器人與箭上接口的三向平均位置誤差隨目標合成運動速度的增加而呈上升趨勢，位置誤差從合成運動速度±20 mm/s時的±2.2 mm上升至±120 mm/s時的±9.0 mm，其原因為在基于反饋的PID控制模式中，測量、比較、執行等環節的響應時間會引入恒定的系統誤差，并隨測量值的變化頻率增加而增大。

連接器與箭上接口同步隨動性能的下降，將影響二者的自動對接過程，后續應對該柔性直角坐標機器人的控制模式、流程、參數進行改進，提高位置跟蹤精度，以滿足運載火箭實際發射中連接器自動對接技術的需求。

5 結 論

a）連接器自動對接技術對提高航天發射支持系統、人員安全性，解決快速發射、發射準備流程可逆等需求具有重要意義；

b）通過對連接器自動對接技術應用場合及技術需求分析，提出由檢測系統、控制系統及柔性位姿調整系統等組成的連接器自動對接系統技術方案，并設計了一種基于柔性直角坐標機器人的連接器自動對接系統方案，解決了連接器與箭上接口相對晃動情況下的自動對接技術問題；

c）研制了柔性直角坐標機器人自動對接試驗系統，開展了在箭上接口不同運動規律下的連接器自動對接試驗，結果表明該柔性直角坐標機器人可正常實現連接器的位姿調整功能及箭上接口的同步隨動功能，并準確、可靠地完成連接器與箭上接口的自動對接、分離流程，為其實際應用奠定了基礎；

d）后續針對該柔性直角坐標機器人式連接器自動對接系統在火箭發射流程中的應用，應進一步開展控制模式及參數改進、可靠性驗證、與擺桿安裝布局優化等工作。