混合方法微重力空间机械臂地

周鹏举　王生玉

摘 要：根据车站的结构特点，我们可以用来组装7自由度机械手，在空间基础上的浮选和静态均衡，搭配地面微重力的知识，建议使用浮选法达到重力补偿7自由度机械手的中间空间段和静平衡机制设计。有了这个混合仿真的方法来构建地面微重力实验系统，实现了7自由度空间三维臂运动可用于定位测试空间精度以及捕获等实验研究的目标。

关键词：空间机械臂；微重力环境；静态平衡机制：DAF

一、介绍

近些年来，科技发展日新月异，人们对于外太空的探索步伐也随着航天技术的进步开始了更加大踏步的向前发展。在外太空建立空间工作站，但是由于人类自身体能的限制，所以要求完成高难度任务的空间站机器人就变成了大众所趋的研究方向。机器人的出现不仅可以合作或代替宇航员，还能够发挥帮助执行空间站的组装、维护等功能。部分机器人更可以改变传统的在轨运行，并执行燃料供应、捕获宇宙飞船和其他监测器的运行轨迹轨等功能。

空间机械臂是空间机器人系统的重要组成部分。我们在进行发射行动之前，一定要做到失重条件下环境的精确逼真模拟，这样才能获得严密的实验数据和测试结果，从而确保空间机械臂准确执行任务轨道。发展到现在为止，我们国家的空间站机器人的主要模拟研究方法采用的是水浮法、吊丝法等等。

浮选法是利用气体脚（也稱为空气轴承），该空间平面的机械手臂支撑光滑浮选之时，利用气体脚喷射反作用力以抵消手臂的重力。这种方法最大的好处就是精简化的操作方式、承受能力也很强、还有定位明确性精准等等。尤其是在二维平面上，使用浮选能方法是为了达到良好的实验结果。 MDA公司开发的CanadannZ臂和欧洲航天局ESA开发的时代手臂，被用来进行相应的实验研究，作为在地上浮选法实验的研究对象。但是，浮选法只适用于以下条件：空间机械臂在一个二维平面微重力试验，难以对移动的微重力条件下的三维空间力进行试验。水浮指模拟微重力中，加入在水中重臂浮力，从而使空间引力达到平衡。马里兰大学游侠机器人开发了实验系统，使用地下水浮动模拟微重力环境。然而，在水上运动的空间机械臂，水浮用于密封空间机械臂的方法严苛，因此需要对系统EC进行大整治。吊丝重量的方法是通过采用配重轮重心来补偿空间机械臂重力，它使用一个垂直向上的悬拉力来平衡重力空间的机械臂。

卡内基·梅隆SMZ开发的测试系统和北京控制系统工程研究所研制的舱外自由移动机器人系统，它们都采用了吊丝配重法。吊丝配重的方法虽然可以实现太空重力补偿臂，但该系统十分复杂。通过添加辅助连杆机构和弹簧静来平衡机制，使重力势能和弹性势能的能量之和保持不变，为了实现重力补偿的制度体系，使用静态平衡机制，以减少自己的联合负荷移臂产生的引力，从而提高手臂的使用效率。

我们可以参考使用静态平衡机构设计的手臂和腿部康复医疗设备机械，它们就是采用了平行四边形和弹簧助力，但系统设计中只有2自由度机械手的研制实现了重力补偿的系统设置。所以我们可以用7自由度机械手进行空间站组装（拥有约7自由度的空间机械臂DOF）。它提出了一种基于地面的微重力浮选方法，静平衡混合仿真使用该方法来构建地面微重力实验系统，在7自由度的空间下来实现机器人臂的三维运动，还可以实现在结束时使用高端定位精度测试的想法以及符合条件并接触地面碰撞的动力学分析实验等目的。

二、7-DOF机械手系统

7-DOF在轨道上的自由度机械手的太空任务包括：空间站组装和维修、飞船盘旋捕获和辅助对接。其次是要帮助航天员出舱执行任务以及护理舱外科学实验载荷等等。为了顺利完成上述任务，就必须进行一个可行的地面微重力环境下的定位精度测试。

三、混合模拟为基础的浮选和静平衡

3.1混合模拟微重力地计划

综合分析现有浮选法、水浮子和吊丝配重法，它们各具优势和劣势。结合空间7自由度机械手的结构特点，本文建议在浮选和静力平衡的基础上的进行混合仿真方法试验以及7自由度机械手在地面微重力实验系统中的空间设计。

3.2机械臂的组成部分

一般情况下，我们可以看到自由机械臂的相关组成部分：腕（接头5至7和端接头致动器）和肩部（关第1节、 2和重力补偿的端部执行器关节运动）。

4仿真研究

4.1仿真模型

我们在试验中成功实现了空间自由度机械手重量仿真模型力补偿。7-DOF其中的空间自由度房间手臂、静平衡机制由杆尼泊尔临时创设的ngineer模具才得以导入ADAMS软件，它的质量属性和动态在ADAMS软件中得以设置机械参数；再加入两个弹簧，每个弹簧的一端连接到主体的点，而另一端连接到相应系统的中心点。

与此同时，在ADAMS软件中，我们还建立了7自由度空间机械重量损失模型臂。在研究的过程中，我们也发现为了分析实验的顺利进行，这个模型也将是我们进行其他相关实验的坚实基础。

4.2结论分析

从我们的试验模拟结果来看：重力环境，通过重力补偿，使各关节空间所需的驱动力矩线几乎重合，从而模拟出一个逼真的失重环境。因此，从关节力输出瞬间的角度来看，这种方法可以被认为是整个7自由度空间手臂在失重环境下的最好体现。

5、结束语

（1）在本文中，我们主要总结了有7自由度机械手的空间结构特征，以及基于浮选和地面微重力混合方法下静平衡方法的引入建议。这种方法在 7-DOF自由度机械手自由度空间复杂的结构中，起到了运输固定的作用，在分解成五个自由度和两个度的自由度运动0.7组合的同时，自由度的空间机械臂也采用浮选法实现重力补偿的中间部分，和跨越肩和腕机构一起实现静平衡重力的填充补偿。

（2）对于沿着合理对称轴的有关链路质量分布研究，我们应该根据该手腕（肩）的设计，只需要一个静态平衡假设弹簧的添加，这样一来就能大大降低了整个机械臂系统的复杂性。另外，由于该组仪表弹簧机构的质量更轻，以及更小的附加惯性，也极大的体现了这种机械臂设计的优点。

（3）在实际的操作系统中，出现从重心离轴链路或从系统中心距的弹簧连接点偏差小于1cm的情况时，经过试验我们得知，该方法能够达到更好的重力补偿重力填充补偿效果。一旦出现这样的现象：整个误差值大于1厘米小于10厘米的时候，地面微重力实验系统设计虽然无法获得所需的重力补偿效果，但仍然能够实现7自由度空间机械三维运动臂的定位精度测试，以及相关问题的研究。

（4）如本文中所使用的，研究的结果将是7的空间机自由度内置机械臂放在地面微重力实验系统下，并且在提供了理论依据步骤的基础上将进一步细化静态平衡机构和特种轴承的设计，并对系统和修剪重心的测量方法采取进一步的研究。