空間站機械臂末端執行器維修系統設計與驗證

朱超,張文明,胡成威,唐自新,梁常春,孔旭,李德倫,王友漁,曾磊,張昕蕊

北京空間飛行器總體設計部 空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室,北京 100094

1 引言

隨著中國空間站建造階段的開展,航天員出艙活動將成為實現復雜空間操作的重要手段?？臻g站機械臂主要用于保障空間站在軌組裝建造及運營的安全可靠,執行多個重要任務包括艙外巡檢、艙段轉位、維護維修、輔助航天員艙外活動等,是保障空間站建設與維護的關鍵設備。為滿足在復雜空間環境下重復作業的可靠和壽命需求,必須考慮空間站機械臂在軌維修。

末端執行器是空間站機械臂的核心部件之一,承擔著機械臂末端抓取與釋放,實現與操作目標電、氣連接的重要功能。一旦末端執行器出現故障,整個空間站機械臂難以發揮其作用。調研顯示國際空間站于2015-2017年對加大拿臂Canadarm2的腕末端執行器進行了潤滑維護和維修更換,保障了整個國際空間站的組裝建造[1-2]。

調研顯示目前國內還沒有針對機械臂維修的系統性研究,本文針對空間站機械臂末端執行器的維修系統方案與驗證方法進行了研究,首次提出了末端執行器維修及驗證方案,并進行了試驗驗證,可作為空間站機械臂在軌維修設計工作的參考。

2 末端執行器簡介

末端執行器是空間站機械臂的核心部件之一,能夠實現對合作目標捕獲鎖定以及釋放等動作,最終實現對目標的重復抓取。它是空間站機械臂開展空間艙段轉位與二次對接、儀器設備轉移與安裝、輔助航天員作業、爬行、大小臂組合等任務的關鍵部件。末端執行器主要由捕獲組件、拖動組件、鎖緊組件、殼體組件、六維力傳器和快速連接裝置等部分組成,參見圖1。其與機械臂關節通過快速連接裝置連接,可由航天員在軌進行更換。

圖1 末端執行器組成示意Fig.1 The end-effector model composition diagram

末端執行器工作時,首先由捕獲組件工作實現對被抓取目標的初始捕獲;然后拖動組件工作,將被抓取目標及捕獲組件一起沿軸向拖動,使目標與末端執行器對接,依靠其與末端執行器的配合,消除俯仰、偏航以及轉動3個方向上的誤差,實現目標與末端的精確對接;接著,4個鎖緊組件沿軸向同步運動,在對接面上施加預載荷,并實現與目標的電連接,完成末端抓取過程。釋放時,首先鎖緊組件反向轉動,使得末端執行器與目標斷開電連接,并釋放二者界面的鎖緊力;然后拖動組件和捕獲組件工作,回到初始位置,完成釋放動作。

如果機械臂末端執行器在軌發生故障,經故障處置仍無法繼續工作時,需要視情況擇機開展在軌維修工作。

3 末端執行器維修系統方案

3.1 維修總體方案

維修任務啟動后,需要四方進行協同作業,其中2名航天員出艙、1名航天員艙內協同配合,地面人員監視并指導。維修準備階段,需要將故障機械臂轉換成指定的維修構型,在指定區域采用小機械臂輔助開展故障維修任務[3-8],如圖2所示。整個維修任務分3次出艙依次完成對應工作,具體的維修任務規劃如圖3所示。

圖2 機械臂末端執行器維修構型Fig.2 Maintenance configuration of space manipulator end-effector

圖3 機械臂末端執行器維修任務規劃Fig.3 Maintenance planning of space manipulator end-effector

第1次出艙任務,空間站機械臂分別攜帶航天員和維修工具、維修備件到達指定維修作業點,通過艙壁上安裝的腳限位器和艙外操作臺進行臨時固定,完成維修前的工作場景搭建。第2次出艙任務,采用小機械臂輔助將2名航天員轉移至機械臂末端執行器故障件兩側,利用第一次出艙的維修工具和維修備件拆卸末端執行器故障件,完成后安裝備件。第3次出艙任務,由航天員拆除維修場景,將末端執行器故障件、維修工具、維修設備等帶回艙內進行存儲,最終完成一次完整末端執行器的維修任務,見表1。

表1 機械臂末端執行器的維修出艙任務清單Table 1 Mission planning for maintenance of space manipulator end-effector

3.2 故障處置

空間站機械臂末端執行器故障主要包括通信異常、機構卡滯、供電異常、熱控異常、軟件異常等多種類型。對于不同故障,需要根據當前任務情況采用統一的處置策略。

機械臂執行任務時,若末端執行器出現故障,首先暫停任務,再根據產品故障類別采取處置對策,進行故障定位、分析等工作。若發現處置后無法恢復正常,則需決策開展機械臂末端執行器在軌維修,快速切換至備份控制器或降額使用,控制機械臂運動至維修構型,然后按照預先規劃的出艙流程開展航天員艙外的維修工作。

3.3 維修策略

機械臂末端執行器產品均為模塊化設計,末端執行器在整臂上的布局如圖4所示,肩部布置一個,腕部布置一個,這樣的布局有利于機械臂在艙表上的爬行。當空間站機械臂末端執行器出現故障時,由于內部無法進行維修,采用整機維修的策略;同時出現故障具有隨機性,機械臂末端執行器維修周期主要根據故障情況而定。當2個末端執行器同時出現故障時,根據重要程度依次從肩部末端執行器、腕部末端執行器開展相應維修任務。

圖4 機械臂末端執行器布局示意Fig.4 Modular end-effector of space manipulator

3.4 維修接口設計

機械臂末端執行器與相鄰關節主要通過統一結構的快速連接裝置進行連接,這樣的設計可以有利于減少維修用專用工裝的種類及數量。想要實現該快速連接裝置的分離,就需要利用維修工具完成對其快速進行機械分離和電連接器的分離。為了方便分離,在快速連接裝置上設計有通用的維修工具接口,如圖5所示,航天員在艙外可以快速進行安裝工具操作及分離快速連接裝置操作。

圖5 機械臂末端執行器維修接口Fig.5 Maintainability interface of space manipulator end-effector

3.5 維修工具設計

在維修機械臂末端執行器過程中,維修工具成為至關重要的一個環節。其好壞直接決定著任務成敗。維修工具不僅要實現故障件的分離和備件的安裝,還有一個難點,就是要維持整臂的姿態,這對維修工具設計提出了很大的挑戰。

空間站機械臂末端執行器的維修工具包括通用的艙外電動工具、專用維修裝置、專用膨脹螺栓拆卸工具,如圖6所示。

圖6 末端執行器維修專用工具Fig.6 Special tools for end-effector

專用維修裝置采用模塊化設計,利用維修接口可以安裝在快速連接裝置上任一個角度,主要分固定裝置和拆裝裝置兩大部分,可以實現故障的機械臂末端執行器ORU沿著兩個垂直方向的分離與對接。其中固定裝置主要連接在相鄰關節上,而拆裝裝置則可以通過艙外通用電動工具驅動,利用內部機構實行橫向分離和對接。

專用膨脹螺栓拆卸工具,主要功能是將快速連接裝置上的6顆膨脹螺栓進行快速拆卸和安裝,在這個過程中需要保證拆卸的膨脹螺栓不會飄離,并且有明顯的力反饋效果。

3.6 維修備件熱控設計

為保證空間站末端執行器維修備件出艙后的溫度,需要采取熱控措施,保證維修備件出艙后可以維持至少3天的工作溫度。

為了解決這一難題,首先在艙體維修區域設置有供電電纜,為維修備件供電提供接口,如圖7所示。然后通過末端執行器上的航天員可操作接插件,將供電電源與末端執行器上的2路溫度繼電器加熱通路連接,如圖8所示提供并聯的供電通路,對維修備件進行主動熱控,最終滿足備件在軌儲存溫度要求。

圖7 機械臂末端執行器供電電纜Fig.7 Power supply cable of space manipulator end-effector

圖8 機械臂末端執行器保溫措施Fig.8 Thermal insulation measures of space manipulator end-effector

4 末端執行器維修驗證

4.1 維修驗證規劃

為了在地面更好地獲取維修過程的重要數據并驗證末端執行器維修方案和流程可行性,開展了維修驗證規劃,包括維修仿真驗證、氣浮及懸吊零重力驗證、維修著服驗證、中性水槽試驗,其中維修仿真主要對備件出艙、場景搭建、維修操作以及故障件回艙進行驗證;氣浮懸吊驗證維修操作進行驗證;著服試驗主要驗證工具組裝和維修操作;中性水槽試驗主要對備件出艙、場景搭建、維修操作、故障件回艙等項目進行驗證。因此,通過4種驗證手段對機械臂末端執行器維修全過程進行覆蓋驗證[9-10],如表2所示。

表2 機械臂末端執行器的維修驗證規劃Table 2 Maintainability verification planning

4.2 維修仿真

依據機械臂末端執行器出艙任務規劃進行詳細的流程設計,并對每步操作進行維修指標的分配,比如可達性、操作力、操作空間、可視性、操作反饋、防飄、防誤、操作標識等指標。

采用研制的維修系統級仿真軟件首先對空間站、機械臂、航天員、維修工具等模型進行簡化,通過相對位置關系構建出末端執行器維修虛擬場景,并針對機械臂末端執行器ORU維修中的典型操作,比如膨脹螺栓拆卸、維修裝置拆裝等進行詳細的可達性、可視性等仿真分析[11-12],如圖9所示。

圖9 機械臂末端執行器維修具體操作仿真Fig.9 Maintenance operation simulation of space manipulator end-effector

仿真結果表明,航天員進行膨脹螺栓拆卸時會出現視場遮擋、局部位置不可達情況,因此通過優化維修構型,并采用小機械臂輔助移動解決,對于航天員操作更加靈活方便,最終膨脹螺栓拆裝等操作均可滿足航天員操作要求,驗證了整個維修任務中關鍵操作的可行性,如圖10所示。

圖10 機械臂末端執行器維修構型仿真Fig.10 Maintenance configuation of space manipulator end-effector

4.3 氣浮懸吊維修驗證

考慮機械臂維修的特殊性,采用氣懸浮微重力和懸吊系統相結合的方案開展地面維修場景的搭建和驗證[13]。

采用氣懸浮微重力方案對末端和回轉ORU進行重力的消除,采用懸吊方案對其他有干擾的關節進行重力卸載,如圖11所示。末端和回轉ORU下方各安裝一個氣浮零重力工裝,兩名操作人員分別站立在兩側采用通用扶手、艙外電動工具、維修裝置等進行維修操作。當航天員操作維修裝置將關節與末端分離時,末端沿著拆除方向進行運動。

機械臂末端故障時,結合地面試驗環境按照真實在軌流程,開展地面試驗驗證,包括工具準備,操作空間確認,便攜式安全帶固定,熱控多層操作,不同膨脹螺栓操作,維修裝置安裝定位,關節轉動,末端分離與對接等:

通過氣浮懸吊試驗發現操作過程中熱控多層與操作面干涉、雙人操作時缺少扶手輔助、工具上無到位刻線反饋、工具分離時剛度不夠容易變形、電動工具與維修裝置接口容易擰花等問題。因此通過改進熱控多層,增加產品扶手,改進工具設計等方式對產品維修性設計進行了優化。

4.4 著服懸吊維修驗證

為進一步驗證維修系統方案的正確性,在地面開展了著服懸吊試驗驗證。模擬在軌真實操作,對機械臂末端執行器真實在軌維修流程進行驗證[14]。

利用末端執行器模擬件搭建維修場景,采用工裝對末端執行器和關節進行重力卸載,如圖12所示。試驗時,人員著服后站于兩側的模擬腳限位器上,對維修的末端執行器進行掛置便攜式安全帶,擰松/緊膨脹螺栓,分離/對接末端執行器,安裝/拆卸維修裝置,測試末端執行器,安裝維修備件等操作。

圖12 維修末端執行器地面驗證場景Fig.12 Maintenance verification scenario of end-effector

機械臂末端執行器通過地面維修試驗驗證,如圖13所示,按照不合項次數由多到少統計,依次為標識、操作空間、可達、操作反饋、防誤、物品重量、操作力、防漂離。其中標識、操作空間、可達性、操作反饋等指標不合格項居多。針對末端執行器驗證不合格項已迭代改進設計,再次開展試驗。

圖13 空間站機械臂末端執行器維修不合格項分布Fig.13 Ergonomic evaluation for maintenance of space manipulator end-effector

4.5 水下維修驗證

中性水槽試驗通過在水下對人和服裝實施配重,使得人所受浮力和重力抵消,達到中性浮力的平衡狀態,真實模擬航天員在太空失重狀態下維修機械臂末端執行器的操作[15]。機械臂末端執行器水下試驗主要驗證項目包括艙外設備場景的搭建以及大質量大體積設備的轉移操作。

采用末端執行器模擬件在水下進行浮力配平,一名航天員站在腳限位器上,另外一名航天員由水下機械臂輔助支持運動,如圖14所示,按照相對位姿關系在指定位置完成場景的搭建,包括腳限位器和艙外操作臺安裝、艙外工具轉移及掛置,然后開展末端執行器分離后的轉移固定等項目試驗。

圖14 空間站機械臂末端執行器水下試驗驗證Fig.14 Underwater test verification of space manipulator end-effector

通過上述水下試驗,航天員處于中性浮力下對機械臂末端開展維修操作時,可以完成艙外設備場景的搭建以及大質量大體積設備的轉移等操作,實現了對機械臂地面懸吊和著服懸吊試驗的補充驗證,充分驗證了機械臂末端維修方案的合理性。

5 結論

通過對國際空間站機械臂末端執行器維修情況的調研,以及中國空間站機械臂末端執行器維修需求的分析,開展了空間站機械臂末端執行器的維修設計與驗證,主要結論如下。

1)根據工程實踐總結的經驗,提出了一種基于多人協同的空間站機械臂末端執行器維修系統方案,包括末端執行器故障后的故障處置、維修策略、維修工具等內容;

2)通過對末端執行器維修性操作進行仿真試驗驗證,表明改進設計后維修具體操作可視性、可達性、可操作性、安全性均滿足要求;

3)本文搭建了末端執行器維修地面驗證系統,分別開展了氣浮懸吊驗證、著服懸吊驗證以及水下維修驗證,充分驗證了機械臂末端執行器維修操作可行性,維修方案合理性以及維修流程正確性。

末端執行器維修系統設計與驗證研究成果將為后續空間站機械臂維修工作提供設計借鑒和工程指導。