空間站轉位機構捕獲連接特性測試方案及實施

劉 艷，沈曉鵬，王 寅，劉永強，許成斌，施飛舟，甘克力

（1.上海宇航系統工程研究所，上海 201109； 2.南京航空航天大學，南京 210016；3.上海航天技術研究院，上海 201109）

1 引言

空間站轉位機構的功能包括捕獲、連接、艙體轉動等，其性能直接影響轉位能力［1-2］，全面了解和掌握轉位機構捕獲、連接、艙體轉動等特性是實現空間站組建過程中可靠轉位的前提和必備條件，因此需要制定科學的測試方案，對轉位機構進行全面測試，并對其性能特性進行評估。轉位機構捕獲連接特性測試系統是測試系統的重要組成部分，用于測試轉位機構轉臂與基座之間的捕獲、連接特性。

現有測試設備僅僅能夠設定六自由度初始位姿偏差，對產品捕獲范圍進行考核；在捕獲完成后，產品連接過程主被動端之間不施加外部載荷。而轉位機構由于在連接過程中存在與對接機構動作耦合作用而產生載荷，因此對主動端轉臂與被動端基座間連接能力進行考核也是測試系統的重要功能。而降低加載誤差，提高加載準確度是對產品連接過程進行試驗考核的關鍵技術，轉位機構捕獲連接特性測試系統采用基于模型預測的前饋補償控制策略解決了連接加載過程力／力矩跟蹤精度要求高的難題［3］。

本文研究內容包括轉位機構捕獲、連接特性測試方案、測試系統實施、測試數據分析等，著重對捕獲偏差集中等效模擬方法、連接過程加載載荷隨動控制方案進行研究。

2 測試需求

2.1 轉位機構工作過程

中國空間站轉位方案采用平面式轉位，即由兩平行的驅動關節轉位到位，轉位前后艙體水平面保持一致，空間站轉位機構包括轉臂和基座兩部分，其中轉臂安裝于實驗艙，基座安裝于節點艙。兩部分配合將艙體從軸向轉移到側向，避免了直接的側向對接，對姿態控制系統的影響大為減?。?］。

平面轉位過程開始于實驗艙主動對接機構的對接鎖解鎖，轉位過程如圖1 所示［4］。

圖1 平面轉位工作過程Fig.1 The work process of plane-transfer scheme

a）對接環推出至準備轉位位置，轉位機構轉臂從艙體上釋放，進入準備捕獲狀態，并向基座旋轉；

b）轉臂捕獲基座后，與基座剛性連接；

c）轉臂腕關節順時針轉動；

d）轉臂肩關節逆時針轉動；

e）轉臂腕關節順時針轉動；

f）對接機構側向再對接，轉臂復位。

2.2 捕獲連接特性測試

本文捕獲特性測試是指在一定位姿偏差條件下轉臂與基座的捕獲能力，在這個過程中既要求捕獲，又要求捕獲力滿足設定值；連接特性測試是指在捕獲完成后，在轉臂與基座之間施加設定的六維力／力矩載荷，考核轉臂與基座之間的連接能力。具體研究內容為轉位機構轉臂與基座的捕獲連接過程，即圖1b）過程的特性測試。要求試驗臺x向偏差范圍為［-52，52］ mm，y向偏差范圍為［-37，37］ mm，z向偏差范圍為［-40，40］ mm，γ、θ、ψ角度偏差范圍為［-1.2°，1.2°］；要求產品在各種捕獲初始條件下，三向捕獲力均小于60 N；在連接過程中試驗臺各個方向的力／力矩隨動加載精度優于20%。

3 測試輸入分析

3.1 捕獲初始條件

如圖2 所示，在轉臂捕獲連接基座的過程中，轉臂和基座之間的相對位姿誤差主要有4 種：齒輪支架與實驗艙位姿誤差、對接環推出的位姿誤差、主被動對接環間隙引起的位姿誤差以及基座與核心艙位姿誤差。為了描述轉臂捕獲連接基座的相對位姿誤差，假定齒輪支架固定，將上述4 種誤差經過實驗艙、主動對接環、被動對接環、核心艙折算至基座，即基座實際位置相對于其理論位置存在6 個自由度位姿偏差（x、y、z、γ、θ、ψ）。

圖2 轉臂捕獲基座位姿誤差來源Fig.2 Position and attitude error sources of rotating arm capturing transposition socket

如圖3 所示，轉位機構捕獲初始條件是指轉臂捕獲連接機構捕獲頭與基座接納錐端面第一次接觸時，捕獲頭與接納錐的相對位置和姿態，用基座接納錐實際位置坐標系OJSxJSyJSzJS相對其理論位置坐標系OJLxJLyJLzJL來描述。這些可能值的集合為捕獲初始條件范圍，包括位置初始條件和姿態初始條件。

圖3 捕獲初始條件定義Fig.3 The definition of initial capture condition

轉位機構采用基于空間封閉矢量法，針對齒輪支架相對于實驗艙、基座相對于核心艙、對接環推出誤差、主被動對接環環間隙這4 個環節的誤差，形成零誤差條件和非零誤差條件下的空間封閉矢量鏈，并根據封閉矢量值為0 的特性，建立空間站轉位機構轉臂捕獲基座的相對位置姿態誤差模型，通過蒙特卡羅方法分析誤差，確定位姿誤差范圍［5］。

3.2 連接過程加載載荷

參見轉位機構工作過程，轉臂與基座進行連接時，對接機構為柔性連接狀態，由于轉臂與基座間存在位姿偏差，因此連接糾正位姿偏差的過程需要克服對接機構的載荷。該六維力／力矩載荷值由動力學仿真分析結果給出，綜合考慮了對接機構力學特性制造偏差以及高低溫性能偏差。

在試驗過程中是將各向載荷的最大值同時加載，因此相對實際在軌工作情況是加嚴考核，能夠保證產品通過測試即能滿足在軌工作需求。

4 測試方案

根據轉臂與基座之間捕獲偏差的綜合分析，轉臂與基座的捕獲初始條件可通過基座安裝位置來設置。將基座安裝于六自由度運動平臺上，六自由度運動平臺能夠實現三維線運動和三軸角度運動功能，按給定的位置和角度指令進行高精度的位置和角度伺服運動。以此為基礎，六自由度運動平臺還能夠按照設定的力-力矩變化規律在產品運動過程中實現力-力矩的加載與伺服。

4.1 方案概述

根據位置控制和力-力矩伺服加載控制的需要，選用串聯式六自由度平臺作為基座安裝平臺。與并聯六自由度運動平臺相比，串聯式運動平臺具有控制算法簡單、位置控制精度高等優點［6］。串聯式六自由度運動平臺可在平臺的下方構建前后、左右、上下三自由度分別運動的平動機構，在平動機構上方再安裝一套三軸相正交的角運動姿態轉臺，通過三維線運動和三軸角運動分別控制平臺的六自由度運動。

為了測量轉臂與基座之間的作用力，同時在轉臂和基座之間加載預設的六維力，六自由度運動平臺還需要配置六維力傳感器，用以測量產品與平臺連接間所承受的三維力和三軸力矩。通過力控制回路實現六自由度平臺跟隨產品在力和力矩恒定情況下的六自由度運動。

4.2 串聯式六自由度試驗平臺

轉位機構捕獲連接特性測試試驗是將轉臂和基座分別安裝于安裝平臺上，如圖4 所示，模擬轉臂和基座分別安裝在2 個不同的艙體上，轉臂安裝平臺和基座安裝平臺間的初始位姿由轉臂和基座間無偏差理想情況下的位姿確定。

圖4 轉臂和基座安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of rotating arm and transposition socket

基座安裝平臺為串聯式六自由度試驗平臺，如圖5 所示?；惭b平臺坐標系Oxyz為右手定則坐標系，坐標系原點O為3 個角度設置旋轉軸的正交點。整個串聯式試驗平臺從下向上依次可設置z、y、x3 個方向位置和γ、θ、ψ3 個角度位姿偏差，姿態角順序為1-2-3（根據捕獲初始條件計算時的姿態角順序確定），這樣即可通過調整基座接納錐中心坐標系實際位姿相對其理論位姿來設置捕獲初始條件，用以考核轉臂與基座之間不同初始條件下的捕獲連接特性。

圖5 串聯式六自由度試驗平臺運動示意圖Fig.5 Motion diagram of a series 6-DOF test platform

4.3 力隨動加載平臺實現方案

捕獲連接特性測試系統組成如圖6 所示，系統包括控制計算機、監控計算機、數據采集、電氣控制箱、六自由度運動平臺、六維力傳感器、電荷放大器、伺服放大器、電機以及用于角度和位置測量的碼盤和光柵傳感器。

圖6 捕獲連接特性測試系統組成原理圖Fig.6 Schematic diagram of system composition of a series 6-DOF test platform

捕獲連接特性測試系統具有2 種工作模式：①位置伺服工作模式，整機臺控制系統需要對基座安裝平臺進行位置控制，通過采集六維力傳感器測量信號，轉換得到平臺所承受的六維力；②力伺服工作模式，需要控制基座安裝平臺的運動，使六維力安裝平臺的載荷也就是基座與轉臂連接面之間的載荷達到給定的六維力，并在轉臂與基座連接過程中按照給定的六維力載荷進行隨動。

力／力矩加載隨動控制系統如圖7 所示，對于力／力矩伺服系統而言，位置控制回路是其內回路，設定力與反饋力的偏差信號，通過力隨動加載控制器產生運動信號，驅動基座六自由度安裝平臺帶動基座隨動，基座與轉臂之間的相對運動產生連接力。從信號傳遞通路角度來看，力加載控制系統的前向通路環節多且傳遞函數階數高，對力／力矩指令的響應速度較慢，在動態、變化的加載條件下很難實現對力和力矩信號的穩定跟蹤。

圖7 采用前饋補償的力加載隨動控制系統結構圖Fig.7 Diagram of force load servo control system structure adopting feed-forward compensation

為改善連接過程測試系統對產品加載的性能，力／力矩加載隨動控制系統采用了一種基于模型預測的前饋補償控制策略［7］。

由圖7 可見，與常規的力控制系統結構相比，本文測試系統力控制器增加了受力信號直接驅動的前向通路，作用于整機臺拖動系統，能夠快速驅動整機臺運動，從而提高力／力矩跟蹤的能力。在連接過程中，由于基座與轉臂導向板間存在碰撞、導向校正等現象，基座連接面上所產生的六維力／力矩信號之間彼此耦合，所以不能簡單地利用力的偏差信號作為前饋信息驅動整機臺運動?？紤]連接過程中轉臂連接機構連接速度較慢，因此在有限時間內整機臺運動狀態、力反饋信號和力偏差信號之間存在一定非線性關系，可以用于預測測試系統運動模式與力信號之間變化規律。力加載控制系統基于數據驅動控制理論，根據過去一段時間內整機臺運動狀態、力反饋信號與力偏差信號的變化規律，擬合特性臺力偏差信號與運動方向之間的非線性關系，產生前饋信號直接驅動基座安裝平臺運動，前向通路信號由于經過力閉環和位姿閉環控制，能夠快速消除前饋通道的力／力矩偏差，提高基座安裝平臺對力／力矩指令跟蹤的穩定性和準確性。產品連接過程運動速度小于1 mm／s，實測捕獲連接特性測試系統的力伺服帶寬為3 Hz，能夠滿足力加載隨動要求。

5 測試臺實施

5.1 捕獲連接特性測試系統搭建

空間站轉位機構捕獲連接特性測試系統外觀造型見圖8。搭建六自由度試驗平臺，并通過轉臂模擬工裝對測試系統進行功能性能調試，經調試合格即可進行產品的測試試驗。

圖8 捕獲連接特性測試系統外觀造型圖Fig.8 Appearance of the test platform

5.2 捕獲特性測試結果分析

測試系統調試完成后，進行了轉臂和基座產品實際測試試驗，見圖9。圖中轉位機構轉臂包括肩關節驅動機構、腕關節驅動機構、捕獲連接機構，基座安裝于六自由度平臺的上端面中心位置。捕獲過程中，轉臂在肩關節驅動機構驅動作用下，旋轉捕獲基座，六維力傳感器測量捕獲過程的捕獲力，捕獲完成后基座解鎖，轉臂在肩關節驅動機構作用下向外旋轉，使轉臂與基座實現分離。

圖9 捕獲連接特性測試試驗Fig.9 Test of capture and connection characteristics

圖10 為捕獲段試驗曲線。捕獲過程是轉臂捕獲頭鎖舌、轉臂捕獲傳感器、基座捕獲傳感器先后壓入的過程，因此從捕獲頭與基座接觸開始即產生捕獲力。

圖10 捕獲段局部放大圖Fig.10 The local magnification of capture test curve

1）0 s 時，試驗開始，肩關節驅動機構開始旋轉，向捕獲方向運動；

2）67 s 時，轉臂捕獲頭與基座開始接觸捕獲，x、y、z向力值即為捕獲力；

3）153 s 時，轉臂捕獲傳感器觸發，肩關節驅動機構停止旋轉，捕獲完成。

在產品拉偏工況下，即x向偏差范圍為［-52，52］ mm，y向偏差范圍為［-37，37］ mm，z向偏差范圍為［-40，40］ mm，各向角度偏差γ、θ、ψ范圍為［-1.2°，1.2°］，各項組合偏差共54 個工況，捕獲力統計如表1 所示。所有工況產品的捕獲力最大值為24 N，均滿足小于60 N 的指標要求，測試系統滿足測試需求。

表1 試驗捕獲力Table 1 Capture forces comparison of simulation and test

5.3 連接特性測試分析

在連接過程中以對接機構與轉位機構動力學耦合特性作為連接試驗時加載載荷的輸入值。試驗涉及到試驗臺工作模式的切換，在轉臂捕獲基座時，試驗臺為位置伺服工作模式，在轉臂連接基座時，試驗臺為力伺服工作模式。在轉臂與基座解鎖分離過程中，試驗臺為位置伺服工作模式。連接過程六維力測試曲線如圖11 所示。

圖11 轉位機構連接加載載荷曲線Fig.11 The connect load curve of the transfer mechanism

1）0～217 s 時間段，即試驗開始階段，轉臂和基座建立接觸和連接的過程，隨著轉臂捕獲連接機構拉緊，轉臂和基座導向板開始接觸，并建立起各個方向上的位置約束；

2）217～229 s 時間段，六維力隨動加載載荷趨于穩定；

3）229 s～試驗結束，即轉臂與基座解鎖分離的過程，為試驗臺轉位位置伺服模式。

加載與加載目標值對比情況見表2，連接過程試驗臺加載載荷達到了基座安裝面的預設載荷；各個方向加載載荷精度優于18%，滿足加載載荷精度不超過20%的要求。

表2 連接加載性能分析Table 2 Performance analysis of connection loading

5.4 測試等效性分析

在捕獲連接特性測試系統中主要由以下幾個方面影響產品測試的等效性，包括產品的運動沖擊、試驗臺位置精度、試驗臺力測量精度、重力平衡附加影響，具體分析如下：①測試過程中無論是捕獲過程還是連接過程，產品的運動速度均較慢，由于速度沖擊產生的力測量的誤差可以忽略不計；②在試驗前，對六自由度試驗平臺的位置精度利用激光測量儀進行標定，試驗臺精度在1 mm和0.1°范圍內；③在試驗前利用砝碼對六維力傳感器的精度進行標定，保證力測量精度在0.5 N范圍內；④如圖12 所示，臂桿處需平衡重力G為800 N（臂桿重81.6 kg），臂桿重力平衡固定點B與肩關節旋轉中心A之間距離L為0.75 m，重力平衡繩與鉛垂線夾角為α。因為在不同初始條件下，肩關節捕獲的角度范圍在5°以內，為方便計算，在小角度范圍內假設力F一直垂直于臂桿，重力平衡在肩關節處產生的附加力矩為G×tanα×L×sinα，在捕獲范圍內α最大值為24°，該位置是重力平衡力F產生的分力在圖9 肩關節驅動機構處的附加力矩最大值為109 Nm，關節驅動機構的驅動能力為1200 Nm，因此重力平衡的附加力矩僅為關節驅動力矩的9%，不影響捕獲連接機構的捕獲連接特性測試，重力平衡附加力矩對捕獲連接特性測試無影響。

圖12 重力平衡產生的附加力矩分析Fig.12 Analysis of additional moment caused by gravity balance

綜上所述，捕獲連接特性測試系統能夠保證測試的等效性和正確性。

6 結論

本文利用封閉矢量法以及仿真分析法確定捕獲初始條件和連接加載載荷的分析方法，提出了利用六自由度串聯平臺進行位姿設定的方法以及基于模型預測的前饋補償控制策略實現六維力／力矩的隨動加載控制方法，滿足了捕獲初始偏差設定和連接面載荷隨動加載的測試需求。

本文方法可為各種對接機構產品測試提供參考。