空间机械臂水下试验及其关键技术综述

曾 磊，孙鹏飞，陈 明，金 俨，刘 宾(北京空间飞行器总体设计部空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，100094北京)



空间机械臂水下试验及其关键技术综述

曾 磊，孙鹏飞，陈 明，金 俨，刘 宾
(北京空间飞行器总体设计部空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室，100094北京)

摘要:为配合航天员出舱活动训练以及在中性浮力环境中验证空间机械臂的相关任务和功能，需开展空间机械臂的水下试验工作。对加拿大I臂、Ranger项目、Eurobot欧洲号机器人等国际空间机械臂水下试验情况进行了调研，提炼出水下密封技术、水下接口湿式插拔技术、中性浮力配平技术、水动力特性仿真技术、水压传动与关节设计技术等关键技术，为我国空间机械臂后续开展水下试验工作提供参考和借鉴。

关键词:空间机械臂；中性浮力；水下试验；关键技术

1　引言

为模拟在太空中微重力环境下的运动状态，空间机构大多在地面开展了模拟失重状态的试验研究，目前比较常用的模拟方法主要是悬挂法、气浮法和水浮法[1-2]。悬挂方法存在很多外加干扰，精度有限[3-4]；气浮式仿真系统只能提供两维空间的运动模型[5]；水浮法维护费用较高，但从运动学上来说，水浮法是一种相当逼真的失重模拟方法，与太空环境最为相似[6-8]

目前，国外已在中性浮力水槽中陆续开展了哈勃望远镜维修水下试验、空间制动器在轨组装水下试验、空间精密抛物反射镜空间组装水下试验等试验验证及训练工作。结合我国空间站及空间机械臂的任务情况，有必要在地面开展空间机械臂的水下试验工作，配合航天员开展出舱活动训练以及在中性浮力环境中验证空间机械臂的相关任务和功能。本文对空间机械臂水下试验情况及关键技术进行调研，为我国空间机械臂后续开展水下试验工作提供参考和借鉴。

2　中性浮力试验方法概述

所谓中性浮力模拟，就是将物体全部浸没在水中，利用精确调整配重或漂浮器的浮力，使被试对象的比重与水相同，平衡于水中任何地点，达到模拟微重力环境的效果。中性浮力模拟的突出优点是:在微重力环境条件下，机械臂可在六自由度下长时间地、无限制地连续运动[9-10]；是唯一可与轨道上的机械臂同步进行空间活动、操作演示的模拟方法[11]。它的缺点是:因水有动态阻尼和粘滞效应，所以操作、活动速度不能太快，在0. 3 m/ s～0. 6 m/ s之间的慢速运动，模拟才是逼真的[12]。中性浮力模拟的突出优点，使它得到越来越广泛的应用。但是中性浮力实验系统建造和维护费用高、试验时需要保证系统的密封性，同时容易受水的阻力和紊流影响，降低了机械臂的模拟精度[13-15]。

从国外所做大量中性浮力模拟试验可看出，利用中性浮力水槽可实现以下研究:

1)低重力和微重力人体生理医学研究；

2)训练航天员的空间活动与操作能力；

3)对航天器和空间构造进行地面模拟试验，开展设计评价和性能验证；

4)在地面模拟对大型空间结构的对接与组装；

5)对飞行故障在地面上进行对策研究，以实施支援。

3　国际机械臂水下试验情况

3. 1 加拿大Ⅰ臂

国际空间站曾在美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的中性浮力实验室(Neutral Buoyancy Laboratory，NBL)进行了部分舱段的水下试验，用于配合航天员模拟失重训练。NBL长61 m，宽31 m，深12 m(地上与地下各6 m)，是目前使用的最大的中性浮力水槽，水槽顶部有两个桥式吊机(每个能提升10 t)，NBL周边还有几个动臂吊机(每个能提升1. 6 t)，它们为每个训练阶段构建模型[16]，如图1。

在进行空间站水下试验时，NBL容纳了国际空间站的几个舱段(节点舱、俄罗斯舱、联合气闸舱、货盘、希望Ⅱ号运载器和加拿大Ⅰ臂)，各部分采用的并非是真实产品，而是另行研制的水下模型(采用液压方式驱动)，见图1、图2。为增强耐久性(延长使用寿命)，提高安全性，航天飞机与空间站机械臂模型均采用液压驱动[17-18]。

图1　NBL的全尺寸航天飞机模型与其他训练装置[17]Fig. 1 The full-size shuttle model and other training devices in NBL[17]

图2　中性浮力实验室水池试验布局[12]Fig. 2 Typical NBL pool configuration[12]

3. 2 Ranger项目

Ranger是由NASA资助、Maryland大学空间系统实验室(Space Systems Laboratory，SSL)研制的灵巧空间机器人服务系统，其研制目的是满足哈勃太空望远镜机器人服务的要求，对哈勃太空望远镜(Hubble Space Telesc，HST)维护机器人进行实验和理论研究[19-20]。

1993年，Maryland大学完成哈勃望远镜维护机器人(Ranger Telerobotic Fight Experiment，RTFX)的设计工作，其概念图如图3所示，RTFX一共由4个机械臂组成:2个8自由度的灵巧机械臂、1个7自由度抓握机械臂以及1个6自由度视觉相机机械臂。8自由度的灵巧机械臂用于双臂配合操作；7自由度抓握机械臂抓握到目标航天器之上，能够固定和改变RTFX相对于目标航天器的位姿；6自由度视觉相机机械臂用于支撑和定位立体视觉相机，为遥操作人员提供视觉反馈[21-23]。

为了对机器人进行充分的地面试验验证，该大学于1995年建成Ranger水浮系统(Ranger Neutrual Buoyancy Vehicle，RNBV)。该系统在水浮条件下演示了在轨可更换单元(Orbital Replaceable Unit，ORU)更换、完全端到端的电气连接件的插拔、自由落体操作和轨道保持自适应控制、双臂协调运动、多臂协调定位控制，以及夜晚操作[24-25]。但是，由于缺乏运载火箭的支持，RTFX的方案最终没有完成飞行验证。1996年，Maryland大学开发了基于航天飞机的哈勃望远镜维护机器人(The Ranger Telerobotic Shuttle Experiment，RTSX)。新一代的机器人RTSX保留了RTFX机械臂的功能和构型，但不具备自由飞行的能力，如图4所示[26-27]。

图3　RTFX的概念图[19]Fig. 3 RTFX concept[19]

图4　RTSX系统布局[26]Fig. 4 RTSX configuration[26]

2001年，NASA终止了对Ranger项目的支持，导致Ranger至今未进行飞行演示。但是，其大部分元件地面的功能试验均已完成，具备在轨飞行的技术基础。

3. 2. 1 RTFX的水浮试验产品RNBV I

RNBV I于1995年研制成功并投入使用，由6自由度移动基座、2个7自由度灵巧机械臂、可更换的末端执行器、6自由度相机定位机械臂以及7自由度定位机械臂组成。RNBV I的系统组成如图5所示，试验照片如图6～图8所示，图片显示进行水下试验时模型进行了简化，且并未看到6自由度相机定位机械臂部分[28]。

3. 2. 2 RTSX的水浮试验产品RNBVⅡ

随着Ranger项目从RTFX转变为RTSX，Ranger的水浮系统也相应地建成针对RTSX的地面仿真验证系统RNBVⅡ[26]。

RNBVⅡ于2002年研制成功并投入使用，由6自由度定位腿、2×8自由度灵巧机械臂、可更换的末端效应器、7自由度相机定位机械臂组成。采用RNBVⅡ进行的水浮试验如图9所示。

图5　水浮试验产品RNBV I[28]Fig. 5 Underwater test products RNBV I[28]

图6　RNBV I系统演示自由飞行和ORU更换[28]Fig. 6 RNBV I demonstrate free flight and ORU replacement[28]

图7　RNBV I系统演示机器人/航天员协调工作[28]Fig. 7 RNBV I demonstrate cooperation of robot and astronaut[28]

图8　RNBV I系统演示工地的建立和结构装配[28]Fig. 8 RNBV I demonstrate establishment and structural assembly[28]

3. 3 Eurobot欧洲号机器人

出舱活动是航天员工作的最重要部分，每次执行舱外活动(Extra-Vehicular Activity，EVA)前需要很长时间的准备，完成后航天员还需要进行休息，因此EVA占用了航天员大量的时间。国际空间站上大部分后勤工作可以由机器人完成，因此搭载航天员EVA辅助机器人可以大大增加一次EVA的工作量，同时减少EVA次数。2003年，欧洲宇航局开始研发一款用来帮助航天员进行出舱活动的机器人，并命名为“Eurobot”。在欧洲宇航局的航天员们设想中，这个机器人配有三条机械臂(其中一条起到类似于腿的作用)，拥有和人相近的外形尺寸以及抓握能力。为了研究其操作及交互性方面的性能，欧洲宇航局研制了能在中性浮力水槽中进行试验的Eurobot水下样机[29-31]，如图10所示。

图9　RNBVⅡ的水浮试验[26]Fig. 9 RNBVⅡunderwater test[26]

图10　Eurobot水下样机[32]Fig. 10 Underwater prototype of Eurobot[32]

Eurobot水下样机的目的在于[32]:

1)验证Eurobot的操作能力；

2)获得航天员的使用反馈；

3)在多机械臂控制、目标识别、机器人操控等先进机器人技术方面获得进展。

Eurobot水下样机在尺寸和外形上都和设计中的真实机器人相近，如图11所示，包括一个中间躯体结构和三条机械臂，每条机械臂安装有7个关节，机械臂的长度(1. 2 m)和能力(在伸展的情况下抓握10 kg)都和人相近。每条机械臂都搭载摄像机和末端执行器。水下样机的末端执行器在功能上虽然做了简化，但仍能够在EVA轨道模型上进行移动。头部的摄像机被安装在一个摇摆机械上，能够实现工作环境的全局监控。Eurobot水下样机通过在24个关节上分别进行重力补偿从而实现了中性浮力[33]。除此之外，水下样机还在其他方面做了一些完善以求在外观和实际效果上逼近真实的空间机器人。

图11　Eurobot空间机器人和水下样机设计的比较[32]Fig. 11 Comparison of Eurobot space robot and underwater prototype[32]

2005年，Eurobot水下样机完成了加工和装配，在意大利阿莱尼亚宇航中心(Thales-Alenia Spazio Italy，TAS-I)进行了初步的系统测试，测试主要分以下3个步骤[32]:

1)在TAS-I完成陆上试验，评估机器人的操作性能；

2)在ALTEC完成水下试验，对在水槽环境中的性能进行初步的评估；

3)在德国科隆的欧洲宇航中心进行水下试验。

陆上的试验从2006年9月持续到2007年2月，在测试过程中分别验证了机器人的自由、基于视觉和基于力反馈的操控，Eurobot的分层控制体系也得到了验证[32]。

2007年3月，Eurobot的水下样机开始验证其中性浮力性能，如图12所示。机器人在操控者的命令下完成了各种姿态和各种速度的动作，没有任何异常的问题出现。机器人的自适应控制系统也工作正常，通过安装力传感器，补偿了深度变化带来的压力改变。然而在接近目标的试验中，Eurobot的视觉系统在识别目标轨道上出现了问题。初步选取的算法被证明是不合适的，后期选取了基于等值线的色彩过滤识别法，通过验证，这种方法要可靠得多，在灯光条件限制的情况下，轨道仍能够很好地被识别。此项测试完成后，下一步就是欧洲宇航中心的测试[32]。

第三阶段在中性浮力水槽中的测试完成了整个Eurobot水下样机项目的初步阶段的验证。主要进行了以下两项试验[32]:

1)通过预编程完成ORU的操作验证；

2)通过传送工具和设备，提供固定和移位等帮助航天员完成EVA。

图12　Eurobot水下试验[32]Fig. 12 Eurobot underwater test[32]

ORU的验证试验进行了很多次，试验很成功，欧洲宇航局研制团队结合试验情况提出了以下的改进意见[32]:

1)提高Eurobot的运行速度，主要是缩短其在等待定位指令和优化目标路径时的停滞时间；

2)逆向动力是基于使用Jacobian矩阵转置的迭代方法并辅以奇点规避控制完成的，目前没有考虑手臂的位置，这导致关节行程限制，体现在手臂有时不能移动到初始的设计位置，需要进行更准确的逆控制；

3)视觉系统仍然是Eurobot中最受质疑的部分，需要对其他各种不同的方法进行对比分析；

4)6D空间操作杆在机械臂的手动操控时显得十分笨重，需要研制一种新的触觉设备。

航天员EVA辅助试验完成得十分成功，Eurobot在航天员需要照明、固定设备和传递工具时都能提供很好的帮助。在测试过程中没有出现安全方面的问题，研制团队基于试验情况提出了以下改进意见[32]:

1)Eurobot需要变得更快，缩短取用EVA设备的时间；

2)EAC的测试基于安全方面的考虑，没有进行用完的设备需要传递回Eurobot方面的试验，交还机理还要进行进一步的研究；

3)Eurobot的状态(是否安全，是否在位)需要对航天员可见；

4)有必要在Eurobot和航天员的交互控制中考虑引入语音操控。

关于自动模式、手动模式和航天员支持模式的一些改进意见有助于提高机器人的整体操作性能，结合以上意见对产品进行了改进，Eurobot又在ALTEC进行了第4次试验[32]。

Eurobot的水下样机主要进行了以下两点的修改:

1)实施了提高运动速度的策略。包括更为快速的手臂和头部运动，以及更为快速的目标识别。不过，尽管平均速度达到了1 cm/ s，但和2 cm/ s的设计速度相比仍然有一定差距。进一步的改进措施包括视觉伺服机构、不同的移动步法等正在进一步的研究中。

2)通过使用触觉设备增强Eurobot机械臂的手动操控性能，如图13所示。一种新的触觉设备已经集成到Eurobot的控制站中，这种类似于控制杆的设备可以对机器人进行控制，并将命令和力反馈传递回操作者。这个操纵杆已经在各项任务中得到了使用，例如ORU安装和替换，螺栓的安装和拆除等[32]。

图13　Eurobot远程操控[32]Fig. 13 Eurobot remote control[32]

4　水下机械臂关键技术

从国外空间机械臂水下试验情况可看出，采取水浮法在中性浮力水槽中开展空间机械臂水下试验是可行的，在原理上与太空漂浮最为相近，且可保持长时间的失重状态，可按原尺寸大小配置载人航天空间模型，工作费用不高。设计试验时应考虑到以下因素:地球的万有引力、水介质的推动力、流体动力的液体阻力对物体平移运动和旋转运动的影响、介质的惯性等[9]，但必须认识到水浮试验存在以下技术问题:

1)水浮模型的浮心和重心不重合，平衡和稳定问题难以解决；

2)模型运动方向具有不确定性，不对称形状和流体力学特性紧密联系在一起，在每个运动方向上和模型以不同的姿态运动都需要做具体的分析，导致海量计算；

3)由于固液耦合，水浮模型运动时存在与液体的能量交换，其动力学特性较为复杂，需进行详细的水动力特性计算；

4)在设计时要考虑模型在各个方向上运动时水对其的阻力大小，特别要考虑到由于一些复杂结构造成运动中产生的涡流现象；

5)设备在水中有被腐蚀、漏电的风险。

如果能解决好上述这些问题，水浮法在空间操作模拟中将有广泛的应用和重要意义[34]。

4. 1 水下密封技术

水是良好的导电介质，当水下设备发生渗水、漏水、积水等现场时，易导致设备中绝缘的零部件成为导电体，发生导电、漏电现象，此外还易引发腐蚀问题，因此水下机械臂的设计首先需要解决水下密封问题，包括耐压结构的密封、电气线路的水下绝缘以及管路的隔离等[35]。密封形式主要分为静密封和动密封。被密封的表面没有相对运动的密封为静密封，反之，被密封的表面与密封件有相对运动称为动密封。静密封相对来说容易解决，动密封的问题比较难解决，因此，在一般工业设备中，普遍使用静密封型式以求达到良好的密封效果[36]。在选择密封方式时，应该首先考虑静密封，静密封有以下优点:成本低廉、结构紧凑、系统简单、制造维修方便；如静密封无法满足使用要求，再考虑动密封。水下关节上的马达输出轴的密封就属于动密封。由于轴与机壳间存在间隙就会产生泄漏，而且介质压力越高、轴的转速越快，就越容易产生泄漏[37-38]。

耐压结构为非耐压设备或人员提供可正常工作的压力环境，除了自身材料需要具有一定的强度外，也要具有良好的密封效果。耐高压的密封形式对结构设计、机械加工的精度、密封元件的质量以及安装的要求都非常高。比如两个接触部件的接触缝隙如果不均匀，在水压的作用下，密封元件可能会产生变形，导致密封失败。这就要求机械加工时接触面的加工误差要很小，而且在安装时，密封元件的安装要平整，每个螺母的紧固都要很均匀。

电气线路的水下绝缘包括电缆本身的抗压和插头插座的密封。由于电缆内部线路接触很紧密，通过电流时本身会发热，外表的绝缘橡胶会软化，再加上外部水压的挤压，经常会发生电缆内部导线短路的现象。插头和插座由于经常插拔，而且接头处有缝隙，如果密封不好的话，水在压力的作用下，很容易顺着缝隙渗透到电缆内部，造成短路，损坏电气设备[39]，因此其密封难度也很大。目前水下产品上使用的水密电缆接插件的密封主要有两种形式，一种是金属接插件，采用O型橡胶密封圈，并采用螺纹旋紧[40]；另一种是橡胶接插件，依靠插针外表的橡胶和插孔的挤压进行密封[41]。一般来说O型密封圈的密封形式耐压深度比橡胶接插件的耐压深度要大。

水下机械臂上管路很多，管路的密封效果对水压传动的效果有很大的影响。由于水下管路内外都受压力作用，而且马达转动速度很快，密封难度也很大，需要进行精心的设计，确保密封效果满足使用要求。

4. 2 水下接口湿式插拔技术

为了便于安装和维护，要求关节可以在水下拆卸与更换，这对水下连接接口提出了更高的技术要求。关节电气接口若采用传统连接器，端子会因为机械应力，重复插拔，电流过载而失效，且无法在水下进行插拔。因此，电气接口连接采用水下湿式插拔方案，需要解决电气接口对准、压力补偿、动密封等相关技术。

湿式插拔电连接器要实现能够在水下插拔的功能，要求其插合密封处必须具有动态密封结构，能够实现在插针未插入时的闭合密封，以及插针插入和插合到位的过程密封，这是水下插拔最关键的技术[42]。由于连接器需要在水下进行插拔，必须考虑到水下的压力环境。在连接器腔体内和腔体外，必须保证压力平衡或者压力差在一定范围内。因此就必须引入压力补偿技术，使连接器在插合、拔出的过程中，其腔体内外的压力保持平衡状态，以便进行插拔操作。

20世纪60年代早期，国外改进型的插拔连接器才能真正地实现水下连接和水下拆卸。这类连接器以密封圈与插头插座间的过盈配合来实现与外界环境的密封。随后出现了感应耦合式的湿插拔连接器，它在插头和插座内设有独立的感应线圈。连接后，通过感应线圈实现信号的传送。不过，由于它的体积较大，因此使用的范围不广。20世纪60年代中期，充油与压力平衡式电连接器首先应运而生。这类颇具艺术性质的连接器不仅能实现了连接拆卸过程中与外界环境的绝缘隔离，而且还能在任何深度进行插合和分离，如图14所示。国外的水下插拔连接器已应用于海底观测网系统中，可以配合水下机器人在海底进行插拔作业，为观测网即时系统增加或减少设备数量[43-44]。

图14　水下快速湿插拔连接器Fig. 14 Connector for underwater wet plug

国内的水密连接器领域已有相当的技术基础，目前已能够实现大潜深的干插拔光电混合连接器的工程化应用[42]。但水下湿插拔技术领域尚属空白，处于研制的起步阶段。有关水下插拔的关键技术，仍有待突破。

4. 3 中性浮力配平技术

中性浮力的配平技术包括外形结构设计技术、重心与浮心设计技术、浮力材料技术等。

在太空环境中，机械臂的每个零件都处于失重状态，即空间物体每个质量微元都处于失重状态。而在水下环境下，为了更加真实的模拟机械臂在水下的失重状态，需要考虑施加多个力来抵消各质量单元的重力，实现机械臂的重浮力均衡。包括力大小的均衡和力的作用点的均衡。实际上要达到完全的中性浮力是很困难的。对于水下机械臂来说，很难使每个质点的重力和浮力达到平衡，更困难的是在保证重浮力大小平衡的同时，还要保证重心和浮心完全重叠在一起。尤其是在训练时，水下机械臂需要夹持目标物，整体的重力和重心是发生变化的。因此，目标物也要达到中性浮力状态。中性浮力配平效果的好坏很大程度上影响模拟太空失重环境的效果，对训练航天员所起的作用也具有很大的影响。因此，中性浮力配平技术将作为一个很重要的关键技术进行研究，尽量模拟太空的失重环境，为航天员的训练创造更好的仿真条件。

4. 4 水动力特性仿真技术

由于水的阻力与物体在水下运动的速度和加速度相关，因此试验中要控制好动作的速度，不宜太快，否则会带来较大的误差。另外，水下机械臂在水下的动作，会引起水的流动，会产生附加质量，对水下机械臂的动作也会产生很大的影响。而且，水下机械臂在水下要进行夹持物体或航天员的动作，物体和航天员在水中的运动也会受到水的阻尼作用。对水下机械臂的控制必须要考虑这些影响因素，必须对水下环境与空间环境的差异进行研究，利用计算机进行水下机械臂以及目标物的水动力特性仿真分析。通过水动力分析，可获得相应关节的驱动能力要求，为关节设计提供依据[45]。

美国通用电气公司(General Electric，GE)的Goldstein和Alvarado认为影响水下模拟失重的因素除了摩擦阻尼外，另一个重要因素是水下运动引起的液动阻尼(附加质量)。他以单刚体模型为基础，考虑阻尼和液动附加质量因素，建立了水下运动和空间运动的动力学方程，通过类比，得到水下模拟逼真度评估的类比定律。同时Goldstein还利用该类比定律，用分析方法比较了空间和水中单刚体模块平移的动力学比较研究，并以此理论为基础研究了水下模型的设计问题[46]。

水动力特性仿真首先要进行动力学建模。通常的方法是应用动力学的普遍定理(动量定理、动量矩定理、动能定理)来建立系统动力学方程。由于水动力特性的非线性，会导致动力学的耦合很明显，因此还要建立耦合力的模型，用于机械臂控制系统的设计，增强其定位能力。目前机械臂水动力的仿真难点还在于各种水动力的充分考虑，力之间的耦合，以及如何采用有效的算法计算出各种水动力的大小，从而为控制系统提供准确可靠的参数，保证机械臂末端执行器准确的位姿或准确的运动轨迹，也要保证驱动力的大小能够满足作业要求。

4. 5 水压传动与关节设计技术

水下机械臂驱动方式多采用液压驱动，传统方式以油压驱动方式为主，但存在少量油质泄露问题，会对水池环境造成污染；水压驱动方式兼顾了许多油压传动的优点，而且用水做工作介质，不仅费用低廉、使用方便，且介质的泄露和排放不会对环境造成污染，出于此顾虑，建议采用水压驱动方式。

水压传动技术是目前流体传动与控制技术研究的主要热点之一，目前纯水液压传动技术在许多领域已经逐步推广应用。但是水介质的理化性能不同于液压油，存在黏性低、泄漏量大、润滑性差、易腐蚀等特点，对水压元件的材料和制造工艺有比较高的要求，相应的关节设计与传动系统设计也具有一定的技术难度[47]。

18世纪末，英国Joseph Bramah根据帕斯卡提出的静压传递原理制成了世界上第一台水压机，它是最早出现的具有真正意义的液压传动技术。当时所采用的工作介质就是天然淡水，可以说是水压传动技术发展的开端。在此后的一百多年里，水作为唯一的工作介质一直使用。但由于水的粘度低、润滑性能差、饱和蒸汽压力高、腐蚀性强、易被污染等缺点，以及受当时科学技术水平的限制，水压元件制作材料特别是密封材料一直没能得到有效解决，水压元件存在磨损、腐蚀、气蚀、冲蚀、泄漏等严重问题使得水压传动技术的发展受到很大程度上的限制。由于矿物油具有粘度大、润滑性能好、防锈、相容性好等优良的综合理化性能，是一种比较理想的液压传动工作介质，而且密封和泄漏问题的解决，使得液压元件和系统的性能得到很大提高，极大的推动了液压传动技术的发展，并最终取代了水压传动。但是矿物油也存在易燃、泄漏和排放污染环境、长期使用容易氧化和变质、抗剪切能力差、粘度受油温影响大、再利用率低、废物处理难等严重弊端，特别是随着未来石油资源的逐渐枯竭，矿物油将成为稀有资源，其成本也会急剧增加，这种传统液压技术的发展将面临严峻挑战。因此，水压传动慢慢得到了重新发展，随着液压技术及其相关科学技术的不断丰富和完善，水压传动技术必将取代油压传动技术，占据主导地位[48]。

目前国内外在水压传动方面的研究主要集中在海水液压泵和马达、淡水液压泵和马达、水液压阀和水液压系统四个方面，国内只有部分高校在国家自然科学基金和地方自然科学基金的资助下开始开展部分技术基础研究。但总的来说，由于国内水压传动技术的研究起步较晚，研究力量比较薄弱，加之没有制造生产和使用的企业集团介入，使得国内水压传动技术发展比较缓慢[49-50]。

鉴于水压传动技术的发展现状，水压传动技术将是水下机械臂研制中最重要的关键技术，关节的设计也要根据水压传动的特点克服相应的技术难点。

5　结论

通过对国内外的空间机械臂水下试验的分析，得到以下结论，可为我国空间机械臂水下试验工作提供一些启示:

1)国外空间机械臂的试验样机大多在水下开展了相关试验，由于环境的特殊性，试验样机与真实模型外观及尺寸基本一致，但性能指标需进行适应性的调整；

2)水下机械臂驱动方式多采用液压驱动，如条件允许，可采取水压驱动方式，降低对水池环境的污染，且可直接抽取水池的中性水作为水压系统的驱动源；

3)水下试验时应配置全尺寸舱段模型，真实模拟航天员出舱活动环境，如提供舱段模型、脚限位器等，真实验证出舱活动及机械臂作业。

本文对国外机械臂在水槽中开展试验的情况进行了调研，梳理了水下机械臂实际研制的关键技术，为水下机械臂的研制提供了理论指导。

参考文献(References)

[ 1 ] 周啓航.空间机械臂地面零重力模拟系统设及分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2012. Zhou Qihang. The research of the space manipulator zerogravity simulation system[D]. Harbin : Harbin Institute of Technology，2012. (in Chinese)

[ 2 ] 杨锋，袁修干.航天微重力环境的地面模拟方法[C] / / 2002年第七届全国环境控制学术交流会论文集，2002: 113-117. Yang Feng，Yuan Xiugan. The method of space microgravity simulation[ C] / / Proceeding of the 7th National Academic Conference on Environmental Control. 2002: 113-117. (in Chinese)

[ 3 ] Sato Y，Ejiri A，Iida Y，et al. Micro-G emulation system using constant-tension suspension for a space manipulator [C] / / Proceeding of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation，1991: 1893-1900.

[ 4 ] Xu Y S，Brown Jr H B，Friedman M，et al. Control system of the self-mobile space manipulator[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology，1994，2(3): 207-219

[ 5 ] 吴国庆，孙汉旭，贾庆轩.基于气浮方式的空间机器人地面试验平台的设计与实现[J].现代机械，2007(3): 1-19. Wu Guoqing，Sun Hanxu，Jia Qingxuan. Design & impiementation of ground testing system for space robot based on air feet[J]. Modern Machinery，2007(3): 1-19. (in Chinese)

[ 6 ] 朱光辰，贾世锦.出舱活动的地面试验验证[J].载人航天，2009，16(3):48-53. Zhu Guangchen，Jia Shijin. The groud verification of spacecraft EVA functions[J]. Manned Spaceflight，2009，16(3): 48-53. (in Chinese)

[ 7 ] Carignan C R，Akin D L. The reaction stabilization of on-or-bit robots[J]. Control Systems，IEEE，2000，20(6): 19-33.

[ 8 ] Menon C，Busolo S，Cocuzza S，et al. Issues and solutions for testing free-flying robots[J]. Acta Astronautica，2007，60 (12): 957-965.

[ 9 ] 姚燕生，梅涛.空问操作的地面模拟方法-水浮法[J].机械工程学报，2008，44(3):182-188. Yao Yansheng，Mei Tao. Simulation method of space operation on the ground-Buoyancy method[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(3):182-188. (in Chinese)

[10] Akin D L，Ranniger C U，DeLevie M. Development and testing of an EVA simulation system for neutral buoyancy operations[R]. AIAA-1996-4223，1996.

[11] 马岩，朱战霞，魏奇章.中性浮力地面实验模拟航天器空间运动研究[J].计算机仿真，2014，31(2): 131-135. Ma Yan，Zhu Zhanxia，Wei Qizhang. Research on motion of spacecraft's simulating by neutral buoyancy experiment[J]. Computer Simulation，2014，31(2): 131-135. (in Chinese)

[12] Jairala J C，Durkin R，Marak R J，et al. EVA Development and Verification Testing at NASA’s Neutral Buoyancy Laboratory[R]. JSC-CN-26179，2012.

[13] 马爱军，黄晓慧.载人航天环境模拟技术的发展[J].航天医学与医学工程，2008，21(3): 224-232. Ma Aijun，Huang Xiaohui. Development of manned space environmental simulation technology [ J]. Space Medicine & Medical Engineering，2008，21(3): 224-232. (in Chinese)

[14] Johnson B J，Cupples J S，Williams D. Results from an investigation into Extra-Vehicular Activity (EVA) training-related shoulder injuries[R]. AIAA-2004-5887，2004.

[15] 王奇，陈金明.美国的中性浮力设备及其应用[J].航天器环境工程，2003，20(3): 53-59. Wang Qi，Chen Jinming. American neutral buoyancy facility and its applications[J]. Spacecraft Environment Engineering，2003，20(3): 53-59. (in Chinese)

[16] 前哨.训练航天员的大型水池[J].太空探索，2004，10: 36-37. Qianshao. The neutral buoyancy pool for training astronaut [J]. Space Exploration，2004，10:36-37. (in Chinese)

[17] 朱仁璋，王鸿芳，王晓光，舱外活动系统述评[J].航天器工程，2008，17(6): 7-32. Zhu Renzhang，Wang Hongfang，Wang Xiaoguang. A review of EVA system[J]. Spacecraft Engineering，2008，17(6): 7-32. (in Chinese)

[18] Fitzpatrick，Daniel，Kelsey-Seybold. Shallow water diving -the NASA experience[R]. JSC-CN-20042，2010.

[19] 齐乃明，张文辉，高九州，等.空间微重力环境地面模拟试验方法综述[J].航天控制，2001，29(3): 95-100. Qi Naiming，Zhang Wenhui，Gao Jiuzhou，et al. The primary discussion for the ground simulation system of spatial microgravity[J]. Aerospace Control，2011，29(3): 95-100. (in Chinese)

[20] Carignan C R，Akin D L. The reaction stabilization of on-orbit robots[J]. Control Systems，IEEE，2000，20(6): 19-33.

[21] Graves J D. Design and control of a vehicle for neutral buoyancy simulation of space operations[D]. College Park: Univ. of Maryland，1997.

[22] Graves J D. Ranger telerobotic flight experiment program update[C] / / Proc. SSI/ Princeton Space Manufacturing Conf. Princeton，NJ，1995: 199-203.

[23] Carignan C，Lane J C，Akin D. Real-time simulation of a free-flying robotic vehicle[ C] / / Proc. AIAA Modeling and Simulation Technologies Conf. 1999: 229-237.

[24] 徐文福，梁斌，李成，等.空间机器人微重力模拟实验系统研究综述[J].机器人，2009，31(1): 88-96. Xu Wenfu，Liang Bin，Li Cheng，et al. A review on simulated micro-gravity experiment systems of space robot[J]. Bobot，2009，31(1): 88-96. (in Chinese)

[25] Parrish J C，Sullivan B R，Roberts B J. Planning for the Ranger Telerobotic Shuttle experiment on-orbit operations [R]. AIAA 2000-5291，2000.

[26] Gefke G，Carignan C R，Roberts B E，et al. Ranger telerobotic shuttle experiment: a status report[C] / / Intelligent Systems and Advanced Manufacturing. International Society for Optics and Photonics，2002: 123-132.

[27] Parrish C J. The ranger telerobotic shuttle experiment: An onorbit satellite servicer[C] / / Artificial Intelligence，Robotics and Automation in Space. 1999，440: 225.

[28] Parrish J C. Ranger Telerobotic Flight Experiment: a teleservicing system for on-orbit spacecraft[C] / / Photonics East'96. International Society for Optics and Photonics，1996: 177-185.

[29] 李静.“欧洲号”太空机器人成功通过水下测试(组图) [EB/ OL]. (2007) [2015]. http:/ / www. hsw. cn/ news/ 2007-07/11/ content_6410960. html. Li Jing. Eurobot passed the underwater test(photos) [EB/ OL]. (2007) [2015]. http:/ / www. hsw. cn/ news/2007-07/11/ content_6410960. html. (in Chinese)

[30] Ferraris P，Messidoro P，Didot F，et al. Crew collaborative robotics from ISS operations to planetary human exploration: The Eurobot project[C] / /60th IAC，2009，4: 3218-3225

[31] Bellomo A，Mascetti G，Benassai M，et al. ASI program-virtual reality in neutral Buoyancy[C] / / International Astronautical Federation - 59th IAC 2008，6: 3518-3532.

[32] Didot F，Schoonejans P，Pensavalle E，et al. Eurobot underwater model: control system overview & tests results[C] / / Proceedings of DASIA 2008 Data Systems In Aerospace，by Ouwehand，L. ESA SP-665. ISBN: 978-92-9221-229-2. Noordwijk，Netherlands: European Space Agency，2008，id. 65.

[33] 宇航员在太空的新助手欧洲号机器人通过测试(组图) [EB/ OL]. (2007) [2015]. http:/ / gb. cri. cn/15884/ 2007/07/11/2525@1672334. html. The new assistant of astronaut in space: Eurobot passed the test (photos)_[EB/ OL]. (2007)[2015]. http:/ / gb. cri. cn/15884/2007/07/11/2525@1672334. html. (in Chinese)

[34] 成致祥.中性浮力微重力环境模拟技术[J].航天器环境工程. 2000，1:1-9. Cheng Zhixiang. Weightless environment simulation techniques of neutral buoyancy[J]. Spacecraft Environment Engineering. 2000，1:1-9. (in Chinese)

[35] 贾凯.典型飞机结构密封防水技术研究[D].银川:宁夏大学固体力学专业，2010. Jia Kai. Research on Waterproof Seal Technique for Typical Aircraft Structures [ D ]. Yinchuan: Ningxia University，2010. (in Chinese)

[36] 钟先友，谭跃刚.水下机器人动密封技术[J].机械工程师，2006，1:39-41. Zhong Xianyou，Tan Yuegang. The research of dynamic sealing technology for underwater robot [ J]. Mechanical Engineer，2006，1:39-41. (in Chinese)

[37] 许振石，樊军，谢元嫒.现代密封技术介绍[J].现代制造技术与装备，2010(1): 7-9. Xu Zhenshi，Fan Jun，Xie Yuanyuan. The introduction ofmodern sealing technology[J]. Modern Manufacturing Technology And Equipment，2010(1): 7-9. (in Chinese)

[38] 余建星，王保建，马骏，等.深水压力舱密封技术研究[J].海洋技术，2011，30(3): 95-99. Yu Jianxing，Wang Baojian，Ma Jun，et al. Research on deep-water pressure container's sealing technique[J]. Ocean Technology，2011，30(3): 95-99. (in Chinese)

[39] 王南.水密连接器失效分析[J].声学与电子工程，2012，4: 33-33. Wang Nan. Failure analysis of watertight connectors[J]. A-coustics and Electronics Engineering，2012，4: 33-33. (in Chinese)

[40] 张强.金属水密连接器海水腐蚀研究[C] / /2012船舶材料与工程应用学术会议，2012: 194-198. Zhang Qiang. Research on seawater corrosion of metal watertight connectors[C] / /2012 Academic Conference on Marine Materials and Engineering Application，2012: 194-198. (in Chinese)

[41] 曹政，刘向明.水密电连接器水密失效分析与思考[J].机电元件，2013，33(6): 21-24. Cao Zheng，Liu Xiangming. Failure analysis and review on watertight electrical connectors[J]. Electromechanical Components，2013，33(6): 21-24. (in Chinese)

[42] 徐鲁杰，孙晓军，汤振，等.水下插拔电连接器技术[J].机电元件，2011，31(6): 3-5. Xu Lujie，Sun Xiaojun，Tang Zhen，et al. Technology of underwater wet-mate electrical connector[J]. Electromechanical Components，2011，31(6): 3-5. (in Chinese)

[43] Painter H，Flynn J. Current and future wet-mate connector technology developments for scientific seabed observatory applications[C] / / OCEANS 2006. IEEE，2006: 1-6. . Ocean Design，Inc. IEEE-2006.

[44] Jenkins D，Christiansen M. Enabling technology: High capacity wet mateable optic Connection[C] / / Oceans，2012. IEEE，2012: 1-7.

[45] 冯庆义，李俊峰，王天舒.水下模拟失重动力学研究综述[J].力学与实践，2004，26(3): 10-15. Feng Qingyi，Li Junfeng，Wang Tianshu. Research on dynamics of underwater weightlessness simulation[J]. Mechanics In Engineering，2004，26(3): 10-15. (in Chinese)

[46] Alvarado U R，Goldstein S E. High-fidelity underwater simulation of manned space activities[J]. Journal of Spacecraft and Rockets，1968，5(5): 595-599.

[47] 郭化平，李宁，吴晓明.水压传动技术及其应用[J].液压与气动，2008: 1-4. Guo Huaping，Li Ning，Wu Xiaoming. Study on water hydraulic technology and its applications[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2008: 1-4. (in Chinese)

[48] 王新华，魏源迁，李剑锋，等.水压传动技术发展的现状及其应用前景[J].机床与液压，2003，6: 3-8. Wang Xinhua，WEI YuanQian，LI Jianfeng，et al. Development actuality and application foreground of water hydraulic transmission technology [ J]. Machine Tool & Hydraulics，2003，6: 3-8. (in Chinese)

[49] 赵继云，王温锐，谢腾飞.水马达开发与应用现状分析[J].机床与液压，2010，38(15): 120-122. Zhao Jiyun，Wang Wenrui，Xie Tengfei. Water hydraulic motor state of the art[J]. Machine Tool & Hydraulics，2010，38 (15): 120-122. (in Chinese)

[50] 王东，李壮云.水液压系统的特性及关键技术的研究分析[J].现代机械，2000，4: 45-49. Wang Dong，Li Zhuangyun. Research on the properties and key technologies of water hydraulic system[J]. Modern Machinery，2000，4: 45-49. (in Chinese)

Review of Underwater Test and Key Technologies of Space Manipulator

ZENG Lei，SUN Pengfei，CHEN Ming，JIN Yan，LIU Bin
(Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China)

Abstract:In order to support the EVA training of astronauts and verify the related tasks and functions of space manipulator in the neutral buoyancy environment，the underwater test is needed. Underwater test of Canadarm I，Ranger，Eurobot was investigated and the key technologies were summarized including the underwater pressurization，wet-mate connection，neutral buoyancy balance，and water-wall hydrodynamic characteristics simulation etc. It provides a reference for the future development of the China space manipulator.

Key words:space manipulator；neutral buoyancy；underwater test；key technology

作者简介:曾磊(1985 - )，男，硕士，工程师，研究方向为空间机械设计与试验。E-mail:zenglei2701@ sina. com

收稿日期:2015-08-21；修回日期:2015-12-04

中图分类号:V416. 5

文献标识码:A

文章编号:1674-5825(2016)01-0045-10