基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统研究

李海月，程 泽，赵丹妮，王浩威，李德勇，张加波，宋晓东，赵琳娜

（1.北京卫星制造厂有限公司，北京100094；2.北京空间飞行器总体设计部，北京100094；3.北京理工大学宇航学院，北京100081）

近年来，随着航空航天技术的不断进步，空间可展开机构在人类探索太空的活动中发挥着越来越重要的作用，如高精度天线、大功率太阳能电池阵及多自由度精密机械臂等广泛应用于航天器［1-5］。空间可展开机构是航天器的重要组成部分，模拟其在太空微重力环境下的展开锁定是地面微重力模拟展开试验的重要内容。随着空间可展开机构逐渐向多维度、多自由度的方向发展，对地面微重力试验设备主动适应性［6-7］的要求也越来越高，既要求其能满足多维度、多自由度的需求，还要求其具备精度高、阻力小和可靠性高的特点。

基于此，笔者通过对比目前比较成熟的微重力模拟展开试验方法，结合悬吊法和气浮法，拟设计一种适用于三维空间展开机械臂的多自由度微重力模拟展开试验系统，并对其进行功能测试和模拟试验。

1 微重力模拟展开试验方法比较

地面微重力模拟展开试验方法主要有悬吊法［8-12］、落塔法、水浮法［13］和气浮法［14-20］，其中应用最为广泛的是悬吊法。悬吊法利用绳索机构、滑轮组和配重来实现重力卸载，具有结构简单、自由度高的优点，但也具有摩擦阻力大、精度低、滞后运动和柔性抖动耦合以及复杂运动轨迹适应性差的缺点。随着气浮法日渐成熟，气浮系统的应用也日益广泛，该系统虽具有阻力小、周期短、成本低、可靠性高和运动轨迹适应性强的优点，但对试验平台平面度和光滑度的要求较高，以及只能适应二维平面运动，导致其在多维空间的应用受到限制。落塔法的造价极其昂贵，水浮法的维护成本过高，且实用性差，导致二者的局限性强，应用范围小。

2 多自由度微重力模拟展开试验系统

三维空间展开机械臂具有尺寸大、自由度高和运动轨迹复杂的特点，因此对应的地面微重力模拟展开试验系统应能满足其对空间、可靠性、自由度和轨迹跟踪精度的要求。通过对比上述几种微重力模拟展开试验方法可知，悬吊法和气浮法技术成熟度高，所用设备结构简单，成本低，无时间限制且易于维护。综合悬吊法和气浮法的优缺点，设计了一种多自由度微重力模拟展开试验系统，该系统能够高效、高精度地实现三维空间展开机械臂的地面微重力模拟展开试验。

三维空间展开机械臂由大臂和小臂两组臂杆组成。基于其运动特点，对多自由度微重力模拟展开试验系统提出以下要求：1）能够实现三维空间展开机械臂的三维轨迹微重力模拟展开运动；2）对三维空间展开机械臂产生的气浮运动摩擦阻力（由气浮托架产生）小于机械臂重力的1‰，垂直方向阻力波动量不超过机械臂重力的2%，展开方向附加阻力小于5 N；3）卸载效率高于95%。

本文所设计的多自由度微重力模拟展开试验系统包括大臂垂直悬吊装置和智能跟随气浮车等2个子系统，其中大臂垂直悬吊装置用于卸载三维空间展开机械臂大臂的重力，智能跟随气浮车用于卸载机械臂小臂、模拟负载和气浮平台的重力。2个子卸载系统卸载的重力分别为402 N和1 225 N，所卸载荷的比例为24.7%和75.3%。三维空间展开机械臂的微重力模拟展开试验示意图如图1所示，具体流程如下：

1）在大臂基准端与航天器模拟接口连接后，大臂电机驱动大臂绕根部关节水平转动，转动指定角度后停止；

2）大臂电机驱动大臂绕根部关节轴线作回转运动，转动至与小臂位于同一水平面后停止；

3）小臂电机驱动小臂绕其关节水平转动，转动至与大臂平行后停止。

当三维空间展开机械臂的大臂、小臂水平转动时，大臂垂直悬吊装置和智能跟随气浮车需要与大臂、小臂一起运动；当大臂作回转运动时，智能跟随气浮车跟随模拟负载水平移动的同时其气浮平台跟随小臂和模拟负载向上或向下移动。在上述运动过程中，要求大臂垂直悬吊装置和智能气浮跟随车具有较高的卸载能力和跟随能力，其中卸载效率应高于95%；要求大臂垂直悬吊装置的转动摩擦阻力较小。

基于上述要求，在大臂垂直悬吊装置上安装力传感器，对三维空间展开机械臂展开过程中的重力卸载情况进行检测，以实时判断多自由度微重力模拟展开试验系统的卸载能力是否在可控范围内；除此之外，在智能气浮跟随车上安装位置传感器，以对模拟负载的支撑位置和智能气浮跟随车车体的位置进行检测，并将位置误差反馈给车体控制器以进行位置补偿，从而控制智能气浮跟随车的跟随能力。

图1 三维空间展开机械臂微重力模拟展开试验示意图Fig.1 Schematic diagram of microgravity simulation deployment test of three-dimensional space unfolding robotic arm

2.1 大臂垂直悬吊装置

2.1.1 大臂垂直悬吊装置的结构

大臂垂直悬吊装置的结构如图2所示，主要由摇臂架和悬吊装置（由滑车、力传感器、滑轮和同步带构成）组成。摇臂架转轴与三维空间展开机械臂大臂根部关节的回转中心同轴安装，并跟随大臂的展开进行转动；摇臂架上部的三角结构与下部的滑动轴之间装有微调旋钮，通过微调旋钮来调控滑动轴的水平度；滑车通过4个小轴承在摇臂架的滑动轴上滑动。悬吊装置与三维空间展开机械臂大臂通过同步带连接，2条同步带通过抱环实现大臂的悬吊；同步带一端与滑轮连接，滑轮可灵活转动，以确保大臂绕自身轴线作回转运动时顺畅；滑轮与滑车之间装有力传感器，可对三维空间展开机械臂微重力模拟展开试验过程中的卸载力进行实时检测、采集，提高重力卸载的可靠性。

大臂垂直悬吊装置可实现三维空间展开机械臂大臂在微重力条件下的展开运动和绕自身轴线的回转运动。在整个展开过程中，由于没有配重，大臂垂直悬吊装置的自身质量较小（约为22 kg），且摇臂架转轴和滑车间装有轴承，确保了跟随运动的及时性和准确性，极大地减小了工装对机械臂展开运动过程的影响。

图2 大臂垂直悬吊装置的结构组成Fig.2 Structure composition of boom vertical suspension device

2.1.2 大臂垂直悬吊装置的功能

大臂垂直悬吊装置的主要功能如下：

1）能够实现对三维空间展开机械臂大臂的重力卸载；

2）装置输出力可手动调节，以确保卸载精度；

3）在试验过程中能够利用力传感器实时检测重力卸载情况，并在试验结束后输出重力卸载数据包；

4）在三维空间展开机械臂装配完成后，能够实现与机械臂的快速连接和分离。

2.1.3 大臂垂直悬吊装置的工作原理

在三维空间展开机械臂的微重力模拟展开试验中，大臂根部与航天器模拟接口连接，根据大臂抱环安装位置，计算2个悬吊位置处的卸载力。当悬吊装置与大臂连接后，通过微调悬吊装置中的调节装置，将力传感器的读数调节到指定范围内；调节结束后，锁定调节装置。

由图3所示的大臂受力情况可知，2个悬吊位置处的卸载力为：

式中：F为大臂重力；F1、F2分别为2个悬吊位置处的卸载力；L为重力的力臂；L1、L2分别为2个卸载力的力臂。

图3 大臂受力示意图Fig.3 Schematic diagram of force on the boom

2.2 智能跟随气浮车

2.2.1 智能跟随气浮车的结构

智能跟随气浮车由支撑平台、车体支撑及驱动组件、气浮平台、气浮托架、重力平衡子系统和测控系统（图中未显示）等组成，如图4所示，其各结构的组成如表1所示。

图4 智能跟随气浮车的结构组成Fig.4 Structure composition of intelligent follow air floatation vehicle

智能跟随气浮车有2套气浮支撑系统（由气浮平台和气浮托架组成），气浮支撑系统具有摩擦阻力小的优点。双气浮支撑系统的使用进一步降低了三维空间展开机械臂模拟展开时的气浮运动摩擦阻力，可有效提高气浮托架的运动跟随能力，这对保证微重力模拟展开试验的准确性和真实性具有重要意义。

表1 智能跟随气浮车各结构的组成Table 1 Composition of each structure of intelligent follow air floatation vehicle

2.2.2 智能跟随气浮车的功能

智能跟随气浮车的主要功能如下：

1）能够实现对三维空间展开机械臂小臂、模拟负载和气浮平台的重力卸载。

2）在试验过程中，能够在空间上对模拟负载的运动进行三维立体跟随。

3）对三维空间展开机械臂进行多重安全保护，确保工作异常状态下机械臂及模拟负载的安全。

2.2.3 智能跟随气浮车的工作原理

在智能跟随气浮车工作过程中，车体支撑组件为智能跟随气浮车整车、三维空间展开机械臂小臂和模拟负载提供气浮支撑，驱动组件跟随气浮托架，实现对气浮车的运动跟随；重力平衡子系统对三维空间展开机械臂小臂、模拟负载和气浮平台进行重力卸载，并对小臂回转过程进行运动跟随；测控系统用于监测和反馈2个气浮支撑系统的位置偏差。

1）重力卸载。

重力平衡子系统利用三维空间展开机械臂小臂、模拟负载和气浮平台的重力，配重重力以及运动摩擦阻力三者间的平衡实现机械臂小臂、模拟负载和气浮平台的重力卸载。在三维空间展开机械臂大臂和小臂水平展开过程中，重力平衡子系统处于静平衡状态；当小臂作回转运动时，重力平衡子系统通过增减砝码来形成动平衡状态。

当模拟负载向上运动时，运动摩擦阻力与机械臂小臂、模拟负载和气浮平台的重力方向一致，减小配重的砝码质量，并施加微小初速度，打破重力平衡子系统的静平衡，形成向上运动的动平衡状态。此时：

式中：Ff为运动摩擦阻力；Fm为配重重力；Fp为三维空间展开机械臂小臂、模拟负载和气浮平台的总重力。

当模拟负载向下运动时，运动摩擦阻力与三维空间展开机械臂小臂、模拟负载和气浮平台的重力方向相反，增大配重的砝码质量，并施加微小初速度，打破重力平衡子系统的静平衡，形成向下运动的动平衡状态。此时：

重力平衡子系统中配重与气浮平台通过拉力绳相连。为防止拉力绳断裂，造成三维空间展开机械臂和智能跟随气浮车的损坏，特采用双拉力绳进行保护。在进行双拉力绳冗余设计时，采用抗拉强度较大的拉力绳，一旦其中一条拉力绳断裂，另一条拉力绳能瞬间被拉直，继续保证重力平衡子系统两端配重和气浮平台可靠连接。

2）运动跟随。

智能气浮跟随车的运动轨迹是直线和弧线的耦合，需要同时检测X、Y方向的位置偏差，因此需要通过2个二维平面传感器测量车体2个点的位移差来获得其移动速度。沿垂直运动方向，在智能气浮跟随车上并排安装2个PSD（position sensitive detector，位置传感器），其中PSD发射端安装在气浮托架上，接收端安装于气浮平台上。以PSD接收端面板几何中心为原点，建立平面二维坐标系XOY。2个PSD连线中心点所处的中心轴线与全向移动轮系所处的中心轴线的初始位置一致，即坐标原点处。PSD的结构示意图和布置方式分别如图5和图6所示。

图5 PSD的结构示意图Fig.5 Structure diagram of PSD

图5中，I1、I2、I3、I4分别表示PSD的4个电极的光电流，x、y表示光点的坐标。根据4个电极的光电流，可求得：

图6 PSD的布置方式Fig.6 Layout of PSD

通过光点与PSD的位置关系获得2个PSD的坐标为（x1、y1）、（x2、y2），由此可获得智能跟随气浮车在单位时间Δt内的位置偏差Δx、Δy，以及其车体中心的移动速度vx、vy，可表示为：

智能跟随气浮车的跟随误差包括水平跟随误差和竖直跟随误差，其中水平跟随误差可以通过PSD采集的数据计算得到。由于竖直运动与水平运动具有相关性，竖直跟随误差可以根据水平跟随误差计算得到，表示为：

式中：σsz为竖直跟随误差；σsp为水平跟随误差；α为三维空间展开机械臂大臂的回转角度，4.37°≤α≤90°。

智能跟随气浮车工作过程中的展开方向附加阻力由两部分组成：一是整车随动气足的气浮运动摩擦阻力；二是展开方向上气浮平台倾角波动产生的侧滑力。倾角波动产生的侧滑力是指由于气浮平台倾角变化造成气浮平台承托平面与重力方向不垂直，从而产生沿气浮平台承载面方向的分力。如图7所示，侧滑力的计算公式如下：

式中：Fch为侧滑力；Gcp为三维空间展开机械臂小臂和模拟负载的重力；Gtp为气浮托架的重力；β为波动倾角。

因此，智能跟随气浮车的展开方向附加阻力为：

式中：Fzl为展开方向附加阻力；Fqf为整车随动气足的气浮运动摩擦阻力。

3 试验验证

大臂垂直悬吊装置作为航天器最常用的重力卸载设备，其可靠性已进行过多次验证。但是，智能跟随气浮车作为一个新开发的设备，需对其进行功能测试和负载试验。功能测试用于验证智能跟随气浮车的使用精度，负载试验用于验证由大臂垂直悬吊装置和智能跟随气浮车构成的微重力模拟展开试验系统的可行性。

3.1 功能测试

为测试智能跟随气浮车的功能，对其跟随速度、气浮运动摩擦阻力（由气浮托架产生，下文同）、垂直方向阻力波动量和展开方向附加阻力进行测试。

1）跟随速度测试。

三维空间展开机械臂的最大展开速度为0.04 r/min，按照跟随速度是2倍以上展开速度的要求，智能跟随气浮车的跟随速度需大于0.08 r/min。将三维空间展开机械臂的展开速度分别设定为0.07，0.08和0.09 r/min，测试不同展开速度下智能跟随气浮车的跟随速度，结果如表2所示。测试结果表明智能跟随气浮车能够在2倍展开速度下保持运动跟随。

表2 不同展开速度下智能跟随气浮车的跟随情况Table 2 Following situation of intelligent follow air floatation vehicle under different deployment speeds

2）气浮运动摩擦阻力测试。

模拟负载放置在智能跟随气浮车的气浮托架上后，使用测力计测量气浮托架沿X、Y方向缓慢运动时的摩擦阻力。三维空间展开机械臂小臂和模拟负载的总质量为122.5 kg，按照气浮运动摩擦阻力不应超过产品重力的1‰的要求可知，气浮运动摩擦阻力应小于1.22 N。对智能跟随气浮车X、Y方向的气浮运动摩擦阻力进行3次测量，结果如表3所示。结果表明，智能跟随气浮车的最大气浮运动摩擦阻力为0.92 N，满足使用要求。

表3 智能跟随气浮车气浮运动摩擦阻力测试结果Table 3 Test results of air flotation friction resistance of intelligent follow air floatation vehicle单位：N

3）垂直方向阻力波动量测试。

模拟负载放置在智能跟随气浮车上后，通过增减砝码来调整配重质量，以使其刚好缓慢移动。配重每移动200 mm调整一次砝码质量，并对当前砝码质量进行记录。三维空间展开机械臂小臂和模拟负载的总质量为122.5 kg，按照垂直方向阻力波动量不得超过产品重力的2%的要求可知，垂直方向阻力波动量应小于24.5 N。通过分析表4中的砝码质量可知，智能跟随气浮车垂直方向阻力波动量不大于9.2 N，满足使用要求。

表4 智能跟随气浮车垂直方向阻力波动量测试结果Table 4 Test results of vertical resistance fluctuation of intelligent follow air floatation vehicle

4）展开方向附加阻力测试。

在三维空间展开机械臂大臂展开、大臂回转、小臂和模拟负载展开三种工况下分别对智能跟随气浮车进行展开方向附加阻力测试，结果如表5所示。测试结果表明智能跟随气浮车展开方向附加阻力的最大值为4.74 N，满足小于5 N的要求。

表5 智能跟随气浮车展开方向附加阻力测试结果Table 5 Test results of additional resistance in the deploymentdirection ofintelligentfollow air floatation vehicle 单位：N

3.2 微重力模拟展开试验

利用本文研制的多自由度微重力模拟展开试验系统，对某三维空间展开机械臂进行了地面微重力模拟展开试验，试验现场如图8所示。在试验过程中，完成了该三维空间展开机械臂在水平和竖直两个相交平面内的三维空间展开运动。共进行2次模拟展开试验，大臂垂直悬吊装置上2个力传感器测得的数据如表6所示。由表6中数据可知，在整个微重力模拟展开试验过程中，即三维空间展开机械臂从初始状态到全部展开锁定的过程中，2个力传感器测得的卸载力变化较小，总卸载力最大变化了13 N，卸载质量为39.2～40.8 kg。三维空间展开机械臂的总质量约为40.2 kg，通过计算可知多自由度微重力模拟展开试验系统的重力补偿精度为1.47%～2.59%，表明该系统可满足重力卸载效率优于95%的要求。

图8 某三维空间展开机械臂的微重力模拟展开试验现场Fig.8 Microgravity simulation deployment test site of a three-dimensional space unfolding robotic arm

4 总结

大型空间可展开机构广泛应用于太阳能电池阵、空间天线、星载雷达及空间站等众多空间领域，与之相匹配的地面微重力模拟展开试验技术也受到越来越多的关注。地面微重力模拟展开试验技术的进步可推动大型空间可展开机构的发展。本文设计了一种基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统，其不仅能够实现三维空间展开机械臂的三维轨迹微重力展开，而且对机械臂产生的气浮运动摩擦阻力（由气浮托架产生）小于机械臂重力的1‰，垂直方向阻力波动量不超过机械臂重力的2%，展开方向附加阻力小于5 N，卸载效率高于95%，能够最大程度地验证机械臂的各项性能指标，这可为多自由度空间可展开机构的地面模拟展开试验研究提供重要参考。

表6 三维空间展开机械臂微重力模拟展开试验结果Table 6 Microgravity simulation deployment test results of three-dimensional space unfolding robotic arm 单位：kg