SRMS空间机械臂

科 技 天 地55INTELLIGENCE空间在轨装配中的机器人发展哈尔滨师范大学 崔瑛楠摘 要：空间机器人技术在空间在轨装配中扮演了越来越重要的角色。

本文通过对世界主要航天国家的空间在轨装配机器人技术进行介绍，针对典型的空间机器人进行了总结。

通过对各国机器人的相关技术的介绍，为中国在轨装配机器人的发展提供了可供发展的依据。

关键词：空间机器人 在轨装配 在轨服务引言空间机器人是在空间环境下进行空间站建造和维护以及人造空间飞行器的维护和回收的机器人。

国内外目前对于空间机器人的称谓不尽相同，如空间机械手（Space Manipulator），机器人卫星（Robot Satellite）等，但是他们的本质都是一样的，都是在空间飞行器上机械手的空间机器人系统。

下面对国外主要的空间机器人进行介绍。

一、加拿大机械臂早在20世纪70年代末 ，加拿大早期空间计划合同设计并制造航天飞机专用的空间机械系统航天飞机遥控机械臂系统（shuttle remote manipulator system SRMS）也称加拿大臂。

SRMS 主要用于装在航天飞机机舱内，随着每次任务的完成返回地球。

移动维修系统（mobile servicing system）简称MSS，也就是大家所熟知的加拿大臂2，是连接在国际空间站上得一个机器人系统。

MSS 主要由三部分组成：Space Station Remote Manipulator System（SSRMS）、S p e c i a l P u r p o s e D e x t e r o u s Manipulator（SPDM）、Mobile Base System（MBS），另外还有一套控制系统Robotic Workstation。

SSRMS 可以与Special Purpose Dexterous Manipulator（SPDM）末端灵巧手执行机构进行组装，实现特殊功能。

空间机器人简介1 空间机器人的定义2 空间机器人的主要任务和特点3 空间机器人的分类4 空间机器人研究现状5 空间机器人的发展趋势1空间机器人的定义空间机器人是指在太空环境下进行空间作业的机器人，它由机器人的本体及搭载在本体上的机械手组成。

空间机器人学作为一门新兴的学科,涉及到计算机、人工智能、自动控制、无线电通信、传感器融合、人工生命、机械学和力学等多个研究领域。

2空间机器人的主要任务1 空间站的建造,空间机器人可以承担大型空间站中各组成部的运输及部件间的组装等任务。

2 卫星和其他航天器的维护与修理,如失效卫星的回收和其他天器的维护与修理,如失效卫星的回收、零件更换和空间飞行器的资补给等。

3 空间生产和科学实验,利用宇宙空间微重力和高真空的特点生产出地面上难以生产或无法生产的产品。

空间机器人的特点空间机器人工作在微重力，高真空，超低温，强辐射，照明差的环境中,因此,空间机器人与地面机器人的要求也必然不相同,有它自身的特点。

首先空间机器人的体积比较小，重量比较轻，抗干扰能力比较强。

其次，空间机器人的智能程度比较高,功能比较全。

空间机器人消耗的能量要尽可能小,工作寿命要尽可能长,而且由于是工作在太空这一特殊的环境之下,对它的可靠性要求也比较高。

3空间机器人的分类从20世纪90年代中期以来，国际上正在研制与开发的空间机器人大体上分为三类：舱外活动机器(EVR)、科学有效载荷服务器、行星表面漫游车。

根据不同的划分标准与原则，空间机器人有多种分类方法。

其中按用途的不同空间机器人可以分为舱内/外服务机器人、星球探测机器人和自由飞行机器人3种。

舱内/外服务机器人作为空间站舱内使用的机器人,舱内服务机器人主要用来协助航天员进行舱内科学实验以及空间站的维护。

舱内服务机器人要求质量轻、体积小,且具有足够的灵活性和操作能力。

作为空间站(或者航天飞机)舱外使用的机器人,舱外服务机器人主要用来提供空间在轨服务,包括小型卫星的维护、空间装配、加工和科学实验等。

空间智能软体机械臂动力学建模与控制-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以按照以下方式编写：在当今科技快速发展的背景下，机器人技术已经成为热门的研究领域之一。

机器人的灵活性和多功能性使其在各个领域中都有着广泛的应用，特别是在工业自动化和生物医学领域。

而软体机器人是机器人技术发展的一个重要方向，它能够在具有柔软和变形特性的情况下完成复杂的任务。

传统的机械臂由刚性材料组成，在执行任务时常常会遇到刚性结构不足以适应复杂环境的问题。

而软体机械臂通过使用柔性材料和智能感知技术，能够更好地应对多样化的工作环境和任务需求。

因此，软体机械臂的研究和开发对于提高机器人的适应性和灵活性具有重要意义。

本文旨在研究软体机械臂的动力学建模与控制方法。

首先对软体机械臂的概念和特点进行了简要介绍，包括其柔性材料的选择和结构设计。

然后，针对软体机械臂的特殊性质，探讨了一种有效的动力学建模方法，以确定其运动学和动力学特性。

在建立动力学模型的基础上，本文还提出了一种有效的控制策略，以实现软体机械臂的高精度和稳定性。

此外，为了验证所提出的方法和策略的有效性，进行了一系列的实验，并对实验结果进行了详细的分析。

通过实验数据和分析，证明了所提出的动力学建模和控制方法在提高软体机械臂性能方面的有效性和可行性。

最后，在结论部分，对研究成果进行了总结，并对存在的问题进行了分析和展望。

同时，给出了未来研究的建议，希望能够为进一步完善和应用软体机械臂技术提供参考。

综上所述，本文对空间智能软体机械臂的动力学建模与控制进行了全面的研究与探讨，为相关领域的研究和应用提供了有益的参考。

1.2 文章结构1.3 目的本文旨在对空间智能软体机械臂的动力学建模和控制进行研究和探讨。

具体目的包括以下几个方面：1.3.1 研究软体机械臂的概述本文将对软体机械臂的概念、特点和应用进行详细阐述，以帮助读者全面了解软体机械臂的基本信息。

1.3.2 进行动力学建模方法的研究软体机械臂在运动过程中存在较大的柔度和变形，因此动力学建模是必不可少的。

《机器人技术基础》课程论文空间机器人的研究现状和发展趋势学生姓名XXX学生班级材控1105学生学号U******xxx手机号码xxxxxxxxxxxxx华中科技大学材料科学与工程学院空间机器人的研究现状和发展趋势陈松威（华中科技大学材料科学与工程学院武汉430074）摘要：空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。

由于空间机器人的重要作用，可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。

按照用途的不同，空间机器人可以分为舱内／舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。

本文结合最新文献对各类对空间机器人的在国际上最新的研究状况进行了详细的分析与介绍，并进行了国内外空间机器人发展的横向对比。

鉴于空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段，我国在空间机器人方面的研究亟需奋起直追。

文章最后，结合空间机器人现今各研究方向的最新研究情况，对其发展趋势做出了总结和展望。

关键词：空间机器人；舱内／舱外服务机器人；自由飞行机器人；星球探测机器人1引言（introduction）随着人类对于空间的不断探索，宇航科学与技术这一研究领域变得日益重要。

空间探索已经不再仅仅是具有国家荣誉的象征，它已经成为设计科学发展、未来资源乃至国家安全的重大问题。

尽管载人航天活动已经有几十年的发展历史，但对于人类来说，太空的高辐射、高真空、极端温度和微重力等危险环境因素仍是太空探索的技术难点。

目前，在进行舱外作业时，宇航员必须穿上价格昂贵且厚重的宇航服。

与人类宇航员相比，空间机器人在轨作业系统具有多方面的优越性：它不需要复杂的生命支持系统；适应空间环境；可以长时间工作；可以降低成本；提高空间探索的效率。

空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。

由于空间机器人的重要作用，美国、日本、加拿大、德国等发达国家都在大力度支持不同用途空间机器人的研究。

空间模块化机械臂的碰撞检测方法研究I. 简述随着科技的不断发展，空间模块化机械臂在工业生产、医疗护理、科研实验等领域的应用越来越广泛。

然而由于空间模块化机械臂的结构复杂，其运动过程中可能会发生碰撞，从而导致机械臂损坏甚至人身伤害。

因此研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法具有重要的现实意义。

目前针对空间模块化机械臂的碰撞检测方法主要有两种：一种是基于传感器的碰撞检测方法，另一种是基于模型的碰撞检测方法。

基于传感器的碰撞检测方法通过在机械臂上安装各种类型的传感器(如距离传感器、速度传感器等),实时采集机械臂的运动信息，并利用数学模型对这些信息进行处理，以判断机械臂是否发生碰撞。

这种方法的优点是实时性好，但需要大量的传感器和复杂的数学模型；缺点是对环境的适应性较差，容易受到外部因素的影响。

基于模型的碰撞检测方法则通过对机械臂的结构进行建模，利用计算机仿真技术模拟机械臂的运动过程，从而预测可能发生的碰撞。

这种方法的优点是对环境具有较强的适应性，但需要较高的计算能力和复杂的建模技巧；缺点是无法实现实时监控。

本文将对这两种方法进行详细的研究，旨在为空间模块化机械臂的设计、制造和应用提供有效的碰撞检测手段。

A. 研究背景和意义随着科技的不断发展，空间模块化机械臂在工业生产、医疗护理、航空航天等领域的应用越来越广泛。

然而由于机械臂的结构复杂，运动轨迹多变，因此在实际操作过程中，碰撞检测成为了一个重要的问题。

一旦发生碰撞，可能会导致机械臂损坏、设备故障甚至人身伤害等严重后果。

因此研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法具有重要的理论和实际意义。

首先研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法有助于提高机械臂的安全性能。

通过采用先进的碰撞检测技术，可以在机械臂运动过程中实时监测其周围环境，预测可能发生的碰撞事件，从而采取相应的措施避免或减轻碰撞的影响。

这对于确保机械臂在各种工况下的安全运行具有重要意义。

其次研究空间模块化机械臂的碰撞检测方法有助于提高机械臂的工作效率。

空间机器人简介1 空间机器人的定义2 空间机器人的主要任务与特点3 空间机器人的分类4 空间机器人研究现状5 空间机器人的发展趋势1空间机器人的定义空间机器人就是指在太空环境下进行空间作业的机器人,它由机器人的本体及搭载在本体上的机械手组成。

空间机器人学作为一门新兴的学科,涉及到计算机、人工智能、自动控制、无线电通信、传感器融合、人工生命、机械学与力学等多个研究领域。

2空间机器人的主要任务1 空间站的建造,空间机器人可以承担大型空间站中各组成部的运输及部件间的组装等任务。

2 卫星与其她航天器的维护与修理,如失效卫星的回收与其她天器的维护与修理,如失效卫星的回收、零件更换与空间飞行器的资补给等。

3 空间生产与科学实验,利用宇宙空间微重力与高真空的特点生产出地面上难以生产或无法生产的产品。

空间机器人的特点空间机器人工作在微重力,高真空,超低温,强辐射,照明差的环境中,因此,空间机器人与地面机器人的要求也必然不相同,有它自身的特点。

首先空间机器人的体积比较小,重量比较轻,抗干扰能力比较强。

其次,空间机器人的智能程度比较高,功能比较全。

空间机器人消耗的能量要尽可能小,工作寿命要尽可能长,而且由于就是工作在太空这一特殊的环境之下,对它的可靠性要求也比较高。

3空间机器人的分类从20世纪90年代中期以来,国际上正在研制与开发的空间机器人大体上分为三类:舱外活动机器(EVR)、科学有效载荷服务器、行星表面漫游车。

根据不同的划分标准与原则,空间机器人有多种分类方法。

其中按用途的不同空间机器人可以分为舱内/外服务机器人、星球探测机器人与自由飞行机器人3种。

舱内/外服务机器人作为空间站舱内使用的机器人,舱内服务机器人主要用来协助航天员进行舱内科学实验以及空间站的维护。

舱内服务机器人要求质量轻、体积小,且具有足够的灵活性与操作能力。

作为空间站(或者航天飞机)舱外使用的机器人,舱外服务机器人主要用来提供空间在轨服务,包括小型卫星的维护、空间装配、加工与科学实验等。

《空间机械臂间隙与摩擦动力学仿真分析》篇一一、引言空间机械臂作为空间技术的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到空间作业的效率和安全性。

而机械臂的间隙与摩擦问题，作为影响其性能的关键因素之一，一直是研究的热点。

本文旨在通过动力学仿真分析，深入研究空间机械臂的间隙与摩擦问题，以期为提高其性能提供理论依据。

二、空间机械臂概述空间机械臂是一种能够在空间环境中进行复杂操作的机器人系统，其结构复杂、精度要求高。

空间机械臂通常由驱动系统、控制系统、执行机构等部分组成，具有高精度、高速度、高负载等特点。

在空间作业中，机械臂需要完成各种精细操作，如抓取、搬运、装配等任务，因此对其性能要求极高。

三、间隙与摩擦对空间机械臂的影响间隙和摩擦是影响空间机械臂性能的两个重要因素。

间隙的存在会导致机械臂的运动精度降低，影响其操作精度和稳定性。

而摩擦则会使机械臂在运动过程中产生额外的能量损耗，降低其工作效率。

因此，对间隙与摩擦问题的研究对于提高空间机械臂的性能具有重要意义。

四、动力学仿真分析方法为了深入研究空间机械臂的间隙与摩擦问题，本文采用动力学仿真分析方法。

通过建立机械臂的数学模型，利用仿真软件进行动力学分析，探究间隙与摩擦对机械臂运动的影响。

具体步骤包括：建立机械臂的几何模型、定义材料属性、设置约束和载荷、模拟运动过程等。

通过分析仿真结果，可以得到机械臂在运动过程中的动态特性，以及间隙与摩擦对其性能的影响。

五、仿真结果与分析通过动力学仿真分析，我们得到了空间机械臂在不同间隙与摩擦条件下的运动特性。

结果表明，间隙的存在会使机械臂的运动精度降低，尤其是在高速运动时，这种影响更为明显。

而摩擦则会使机械臂在运动过程中产生额外的能量损耗，降低其工作效率。

此外，我们还发现在一定范围内调整机械臂的结构参数和材料属性，可以有效地减小间隙与摩擦对性能的影响。

这些结果为优化空间机械臂的设计提供了重要的理论依据。

六、结论通过对空间机械臂的间隙与摩擦动力学仿真分析，我们深入了解了这两个因素对机械臂性能的影响。

空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证张㊀运1,李德伦1∗,王㊀康1,朱㊀超1,赵志军1,杨光辉2,姚思雨2(1.空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室,北京空间飞行器总体设计部,北京100094;2.北京卫星制造厂有限公司,北京100094)摘要:为满足空间站机械臂在轨维修需求,实现在轨故障单机快速从整臂中分离,设计了一种通用快速连接装置㊂该装置在满足空间站机械臂高刚度㊁大承载要求的前提下,具有空间环境下操作力矩小㊁操作简便㊁拆装迅速的特点㊂快速连接装置由快速连接母组件和快速连接公组件两部分组成,两组件通过膨胀螺栓膨胀施加预紧力实现锁紧,组件对接过程中通过楔形结构配合实现导向和定位㊂该快速连接装置通过刚度测试㊁真空高低温环境下膨胀螺栓插拔以及航天员地面人机工效等验证,结果表明该装置可满足空间站机械臂使用要求与在轨维修需求㊂关键词:空间站机械臂;快速连接;膨胀螺栓;人机工效中图分类号:V423.7㊀文献标识码:A㊀文章编号:1674-5825(2022)06-0741-09收稿日期:2022-02-10;修回日期:2022-09-20基金项目:人因工程重点实验室一般基金项目(6142222210302)第一作者:张运,女,硕士,工程师,研究方向为空间机器人系统及机构设计㊂E-mail:zhy05221145@ ∗通讯作者:李德伦,男,硕士,高级工程师,研究方向为空间机器人系统及机构设计㊂E-mail:dll_hit@Design and Experimental Verification of Joint Quick ConnectDevice for Space Station ManipulatorZHANG Yun 1,LI Delun 1∗,WANG Kang 1,ZHU Chao 1,ZHAO Zhijun 1,YANG Guanghui 2,YAO Siyu 2(1.Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications,Beijing Institute ofSpacecraft System Engineering,CAST,Beijing 100094,China;2.Beijing Satellite ManufacturingCo.,Ltd,Beijing 100094,China)Abstract :According to the requirements of astronaut Extravehicular Activities(EVA),a universaljoint quick connect device was designed to realize the rapid separation of faulty products from theSpace Station manipulator.The joint quick connect device could achieve the requirements of high ri-gidity and large heavy load.At the same time,it had the characteristics of small operating torque,easy operation and quick disassembly.The quick connect device was divided into the male compo-nent and the female component,and the two components were locked by expansion bolts and posi-tioned and guided through a wedge structure.The joint quick connect device had passed the stiffness test,the expansion bolt insertion test in the vacuum,high and low temperature environment,as well as the astronaut ground ergonomics test.The experimental results showed that the device could meetthe use requirements of the Space Station manipulator and on-orbit maintenance requirements.Key words :Space Station manipulator;quick connect;expansion bolt;ergonomics第28卷㊀第6期2022年㊀12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀载㊀人㊀航㊀天Manned Spaceflight㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Vol.28㊀No.6Dec.20221㊀引言㊀㊀机械臂是大型空间站进行在轨维护和建设的必要工具㊂机械臂在地面遥操作和空间站内航天员的联合操作下,实现空间站舱表巡检㊁大型货物转运㊁辅助交会对接㊁航天技术试验照料等重大任务[1-2]㊂空间机械臂作为大型舱外机械臂,在轨寿命要求10年以上,且机械臂造价以及发射费用昂贵,因此需要其具有通过维修维护延长使用寿命的能力[3]㊂在关节㊁末端等单机失效的情况下,需要通过在轨维修进行故障单机更换[4]㊂快速连接装置作为机械臂关节与关节㊁末端㊁臂杆及中央控制器等单机之间的连接结构,是保证机械臂在轨维修的基础㊂目前,国际空间站机械臂有加拿大航天飞机遥操作臂SRMS(Shuttle Remote Manipulator Sys-tem)㊁空间站遥操作臂SSRMS(Space Station Re-mote Manipulator System)㊁日本实验舱机械臂JERMRS(Japanese Experiment Module Remote Ma-nipulator System)㊁欧洲机械臂ERA(European Ro-botic Arm)等㊂其中航天飞机遥操作臂SRMS臂长15m,有6个关节[5],在轨实现了卫星捕获㊁卫星维修㊁国际空间站建设等[6]㊂由于航天飞机可以返回地球,因此SRMS机械臂关节采用不可在轨更换设计[7]㊂空间站遥操作臂SSRMS采用2个完全对称的臂杆设计,共包含7个关节和2个末端执行器㊂SSRMS采用可在轨维修设计[8],即采用模块化关节与快换接口设计㊂快换接口由6个凸台与配对U型槽组成,通过6个快换螺钉连接[9]㊂2002年6月,SSRMS的腕部旋转关节进行了在轨维修更换[10]㊂日本的JEMRMS机械臂由主臂MA和小臂SFA组成,其中MA关节也采用了在轨可更换结构[11]㊂欧洲空间机械臂ERA也采用对称设计,共有7个自由度,ERA关节并未采用可在轨更换接口设计[12]㊂综上,目前公开关节快换接口结构,且在轨成功进行更换维修的只有SSRMS,但是其电气接口设计㊁机械接口容差指标㊁快换装置的操作力矩及测试等资料并公开发表㊂中国空间站核心舱机械臂由7个关节和2个末端执行器等组成,重量约800kg,规模大且承载能力强[13-14],在轨寿命指标为10年,通过维修后寿命指标为15年㊂为满足中国空间站核心舱机械臂在轨寿命要求,机械臂具有在轨维修功能,可实现航天员在轨快速将故障单机从整臂中分离更换㊂核心舱机械臂各单机的连接均采用快速连接装置连接[15-16],通过快速连接的在轨对接与分离,实现故障单机在轨快速更换㊂本文对核心舱机械臂使用的快速连接装置的设计及验证情况进行介绍㊂2㊀设计需求㊀㊀1)轻质量㊂受发射成本及发射空间限制,空间站核心舱机械臂重量要求不超过800kg,而快速连接作为机械臂上各单机间的连接部件,在关节㊁末端执行器㊁臂杆及中央控制器等单机的对接处,共配备13组[13],如图1所示,快速连接的重量对整臂的重量影响较大,需小于5kg㊂图1㊀快速连接在核心舱机械臂上的位置Fig.1㊀Position of the quick connect devices on the manipulator2)高刚度㊂核心舱机械臂在轨需执行最大25t负载搬运任务及舱段转位对接等大载荷操作转移任务㊂机械臂质量约800kg,展开后长度超过10m,其振动基频要满足设计要求,因此,快速连接装置刚度应大于0.8ˑ106Nm/rad㊂3)低力矩㊂机械臂如需在轨维修,需要航天员在空间站舱外着航天服操作㊂受航天服阻尼力矩和航天服手套的影响,航天员的手部精细操作能力大大降低,因此,要求快速连接装置拆装操作简便,且操作力矩不应超过35Nm㊂4)在轨维修㊂机械臂在轨维修作业通过航天员出舱使用专用在轨维修工具完成,因此,快速347第6期㊀㊀㊀㊀张㊀运,等.空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证连接装置上需要提供在轨维修工具接口,同时在外形上设计明显的状态标识,用于航天员在轨识别关节角度位置㊂5)大容差㊂在轨维修操作时,受航天服影响,航天员视野受限,且在零重力环境下航天员的精细操作能力降低,因此需要快速连接对接接口(电接口及机械接口)具有大容差,提高在轨对接效率㊂6)电气浮动连接功能㊂快速连接装置在建立机械连接的同时,需要将关节与相邻连接部件完成电器连接,完成电源和通信等信息的传递㊂快速连接装置上的电连接器,为满足在轨对接容差需求,需要有浮动容差㊂3㊀机构设计3.1㊀工作原理㊀㊀快速连接装置主要由快速连接公组件和快速连接母组件组成,膨胀螺栓安装在快速连接母组件上,浮动电连接器插头端安装在快速连接公组件上,插座端安装在快速连接母组件上㊂快速连接公组件和母组件上均安装有在轨维修接口,如图2所示㊂快速连接公组件和快速连接母组件分别安装在需要快速组装的不同单机产品上,通过膨胀螺栓膨胀实现锁紧㊂图2㊀快速连接装置组成图Fig.2㊀Composition diagram of the quick connect device快速连接的工作状态分为初始状态㊁导向对接状态㊁电连接器连接状态和膨胀螺栓锁紧状态㊂初始状态下,膨胀螺栓拔出,反向膨胀锁紧在快速连接母组件上;导向对接状态下,快速连接公组件和快速连接母组件通过对接接口导向连接;随后浮动电连接器通过导向销完成浮动对接;插接到限位后,快速连接公组件和快速连接母组件的膨胀螺栓孔位对齐,利用膨胀螺栓专用工具,对膨胀螺栓施加力矩,膨胀螺栓膨胀,快速连接锁紧㊂3.2㊀本体结构设计㊀㊀快速连接公组件和快速连接母组件上设计有楔形插口和垂直轴向的U 型槽,对接时将快速连接公组件插入快速连接母组件的楔形槽中㊂快速连接装置通过楔形槽和U 型槽的对接实现圆周方向的定位和大容差设计,如图3所示㊂根据U 型槽尺寸,快速连接的位置容差为3.8mm,角度容差为2ʎ㊂快速连接本体结构的容差设计如图4所示㊂图3㊀快速连接装置对接口Fig.3㊀Interface of the quick connectdevice图4㊀快速连接装置容差Fig.4㊀Tolerance of the quick connect device3.3㊀维修接口设计㊀㊀在快速连接公组件和快速连接母组件的圆周方向上分别设计有12组在轨维修工具的接口,位置如图5所示㊂机械臂在轨维修工具(包含固定装置㊁拆装装置)通过12组维修接口与机械臂的连接,实现力闭环㊂为在轨维修时能为航天员提供关节转动角度参考,在快速连接上设计了角度刻线及角度标识,如图6所示㊂447载人航天第28卷图5㊀维修接口Fig.5㊀Maintenanceinterfaces图6㊀角度标识Fig.6㊀Angle indicator3.4㊀电连接器浮动设计㊀㊀快速连接除机械连接外,还需提供整臂的电信号及通信信号连接㊂电连接需要有一定的容差,以满足在轨维修需求;快速连接装置选用了J95H 浮动电连接器,以实现容差需求;电连接器的浮动采用浮动螺钉形式,以保证连接强度㊂如图7所示,通过合理设计螺钉的直径a 和安装孔b 大小,保证连接器的浮动量b-a 满足大于1.5mm 的要求㊂图7㊀浮动电连接器安装方式Fig.7㊀Installation of the floating electrical connector为保证电连接器准确对接,电连接器设计了导向销,如图8所示㊂导向销的长度30.5mm,大于连接器外壳的高度21.2mm,在连接器外壳啮合前,导向销利用锥面实现插头和浮动插座的导正,然后电连接器实现准确对接㊂图8㊀导向销设计Fig.8㊀Design of the guide pins3.5㊀膨胀螺栓设计㊀㊀膨胀螺栓是快速连接实现低操作力矩㊁高刚度的关键部件,对膨胀螺栓的设计重点进行分析,确保快速连接装置设计的可靠性㊂3.5.1㊀膨胀螺栓组成㊀㊀快速连接公组件与快速连接母组件之间的连接主要通过膨胀螺栓来实现,膨胀螺栓由2个膨胀环㊁2个锁紧环㊁螺柱隔套㊁锁紧螺母㊁锁紧螺柱和间距隔套等零件组成,基本构型如图9所示㊂图9㊀膨胀螺栓组成图Fig.9㊀Composition diagram of the expansion bolt3.5.2㊀膨胀螺栓工作原理㊀㊀膨胀螺栓的基本工作原理是:在自由状态下,膨胀环和锁紧环在内应力的作用下收拢在锁紧螺柱上,膨胀环外圆与快速连接公㊁母上的隔套有较大的间隙,保证膨胀螺栓能够方便的插入隔套中㊂当膨胀螺栓插入对接好的快速连接装置后,锁紧螺柱的前端插入到固定隔套里面,能够提供膨胀螺栓拧紧时的阻力㊂此时拧紧锁紧螺母,锁紧螺547第6期㊀㊀㊀㊀张㊀运,等.空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证母推动螺柱隔套向前移动,从而推动膨胀环压缩,在锥形斜面的作用下,膨胀环向外胀开,紧密贴合在隔套上,并施加一定预紧力;锁紧环向内收拢,紧密贴合在锁紧螺柱上,并施加一定预紧力㊂通过施加满足要求的拧紧力矩,确保膨胀螺栓和隔套之间达到满足要求的预紧力,使得快速连接装置在传递扭矩㊁承受弯矩的过程中不产生松动㊂在锁紧环中间,设有间距隔套,通过控制锁紧环的间距,均衡3个膨胀环受力,防止近锁紧螺母处的膨胀环过度膨胀损坏㊂当拧开膨胀环螺栓时,膨胀环和锁紧环在自身弹簧力的作用下,自动收拢,使得膨胀环与隔套之间恢复初始间隙,保证膨胀螺栓能够方便的取出㊂膨胀螺栓拔出后,可施加一个较小的力矩锁紧膨胀螺栓,防止膨胀螺栓滑动㊂3.5.3㊀膨胀螺栓受力分析㊀㊀根据受力情况,建立膨胀螺栓拧紧时的受力图,如图10㊁图11所示,在螺母拧紧的过程中,螺母提供下压力F n ,膨胀环和缩紧环克服摩擦力f 和f ᶄ下滑,在下滑的过程中膨胀环逐渐膨胀,直到膨胀到位贴合隔套时,膨胀环表面承受压力F p ㊂当拧松膨胀螺栓时,受力情况正好相反,由膨胀环的自身回弹收缩力,克服摩擦力fᶄ挤压缩紧环恢复初始状态㊂图10㊀膨胀螺栓拧紧时受力分析图Fig.10㊀Force analysis diagram of the expansion boltwhen tightened膨胀螺栓的锁紧螺母拧松后,膨胀环正常回弹需克服膨胀环与缩紧环间的摩擦力f 和缩紧环与螺柱间的摩擦力f ᶄ,满足条件如式(1)所示:㊀㊀㊀F w ㊃sin(θ)ȡf ㊃cos(θ)+f ᶄ(1)图11㊀锁紧环受力分析图Fig.11㊀Force analysis diagram of the contraction ring其中:F w 为膨胀环对缩紧环锥面的正压力;f 为膨胀环与缩紧环间的摩擦力,f =F w ㊃μ;f ᶄ为缩紧环与螺柱间的摩擦力㊂其中:fᶄ=F w cos(θ)μ,正常回弹需满足条件如式(2)所示:㊀㊀㊀㊀㊀㊀θȡ2arctan(μ)(2)摩擦系数μ取0.15,θȡ17.06ʎ,即可正常回弹㊂设计状态θ为24.775ʎ,膨胀螺栓可正常回弹㊂3.5.4㊀膨胀螺栓强度分析㊀㊀建立膨胀环和缩紧环受力模型如图12所示,底端半缩紧环固定,顶端承受下压力,膨胀环膨胀到位后承受平均压力,锥面设置为滑动无分离接触方式㊂图12㊀膨胀环与缩紧环有限元模型Fig.12㊀Finite element model of the expansion ringand contraction ring有限元分析结果如图13所示,膨胀环在320N 压力作用下,向下的移动量与膨胀环和间距隔套间隙尺寸一致,膨胀环刚好贴合隔套㊂当膨胀螺栓拧紧,按20Nm 施加拧紧力矩后,可计算膨胀环表面正压力如公式(3)所示:F p =2ˑ(F n -F o )/tan(θ)(3)647载人航天第28卷图13㊀膨胀环与锁紧环受力有限元分析结果Fig.13㊀Finite element analysis results of the expan-sion ring and contraction ring㊀㊀其中:F p为拧紧后,膨胀环表面压力;F n为预紧力,其中20Nm对应的预紧力为10000N;F o为膨胀环膨胀到位时需要的初始力320N㊂可计算的表面压力为51089N,对应的表面压强为84.87MPa㊂根据以上加载工况分析,膨胀环最大应力为840MPa,缩紧环最大应力为703MPa㊂膨胀环和锁紧环选用材料为不锈钢棒0Cr15Ni7Mo2Al,该材料的σ0.2=1210MPa,σb=1320MPa,最小安全系数为1.44(1210/840)㊂根据美国NASA-STD-5001标准中推荐的安全系数值,按屈服强度设计,安全系数需大于1.0,因此膨胀环和锁紧环设计强度满足要求㊂3.6㊀润滑的设计㊀㊀由于快速连接活动零件的表面在真空环境下存在冷焊风险,为保证可靠性,在快速连接公组件及母组件的对接接口面㊁维修接口表面㊁膨胀螺栓的膨胀环和锁紧环表面,均采用了有机粘接MoS2薄膜的固体润滑措施,利用有机树脂作为粘接剂,将MoS2粘覆于金属底材表面㊂这种润滑膜层具有以下特点:①与基底间的附着力好,可以承受发射阶段的力学环境;②承载能力高;③与摩擦对偶间不发生冷焊;④在真空环境下摩擦系数低(小于0.1),耐磨寿命长㊂因此该润滑膜可有效满足快速连接的空间环境下使用要求㊂4㊀试验验证4.1㊀刚度测试验证㊀㊀快速连接刚度测试的原理如图14所示,对试验对象进行受力分析可以得到加载端面的变形角度如式(4)所示:图14㊀快速连接装置刚度测试原理Fig.14㊀The principle of stiffness test of the quick connect deviceθ=Ml ljE lj I ljp(4)㊀㊀等效的绕轴刚度如式(5)所示:GI p=Mθ(5)㊀㊀式中:θ为变形角度,GI p为扭转刚度,M为加载力矩,l lj为快速连接直径,E lj为材料弹性模量,I ljp为截面的极惯性矩㊂刚度测试时,将快速连接固定在刚度测试台上,对膨胀螺栓施加20Nm预紧力,然后对快速连接进行2000Nm加载,测试快速连接的弯曲刚度和扭转刚度,图15为其中的弯曲刚度曲线,根据力矩-角位移曲线拟合斜率(即为刚度值),扭转刚度为1.01ˑ107Nm/rad,弯曲刚度为6.36ˑ106Nm/rad㊂图15㊀弯曲刚度曲线Fig.15㊀Bending stiffness curve4.2㊀力矩测试验证㊀㊀为验证在轨操作膨胀螺栓的拧紧拧松力矩,在高低温真空罐内,对快速连接膨胀螺栓的拧紧拧松力矩进行了验证,测试设备如图16~17所示㊂在高低温真空罐内,快速连接母组件安装在试验台上,膨胀螺栓与螺栓插拔机构连接,经磁流体密封装置与真空罐外力矩传感器连接㊂由旋转插拔机构对膨胀螺栓进行拧紧插入或拧松拔出,747第6期㊀㊀㊀㊀张㊀运,等.空间站机械臂关节快速连接装置设计与验证力矩大小可通过力矩传感器判断㊂图16㊀膨胀螺栓力矩测试原理Fig.16㊀The principle of tighten and loosen torque ofthe expansionbolt图17㊀膨胀螺栓插拔试验现场图Fig.17㊀Test of the expansion bolt insertion and extraction在真空环境下,测试了膨胀螺栓高温端(70ħ)和低温端(-50ħ)在20㊁25㊁30Nm 拧紧力矩下的拧松力矩,测试结果如图18㊁表2所示㊂图18㊀膨胀螺栓拧紧拧松力矩测试曲线Fig.18㊀Tighten and loosen torque test curves of theexpansion bolt表2㊀膨胀螺栓拧紧拧松力矩测试结果Table 2㊀Tighten and loosen torque test results of the ex-pansion bolt拧紧力矩/Nm拧松力矩/Nm高温低温2014.3~18.514.3~18.02518.2~24.518.5~24.33021.5~29.621.5~29.0由测试结果可知:1)膨胀螺栓拧松力矩受温度变化影响;2)膨胀螺栓插拔顺畅,膨胀螺栓在空间环境下拧紧力矩㊁拧松力矩满足航天员输出指标要求,膨胀螺栓的膨胀环㊁锁紧环收缩状态各循环下对比一致;3)试验后,膨胀螺栓的技术状态良好㊂4.3㊀人机工效验证㊀㊀快速连接装置是关节在轨维修的关键组件,其操作影响在轨维修任务的成败,为验证快速连接装置在轨的拆装性能,对关节进行了在轨维修人机工效学验证[17]㊂膨胀螺栓的在轨操作包括插入/拔出和旋紧/拧松2个主要动作㊂在轨维修时,将膨胀螺栓专用工具安装在航天员舱外操作力矩扳手上,专用工具可实现膨胀螺栓的四面限位㊂当拧紧时,膨胀螺栓上的限位凸台靠在L 型槽径向一侧,如图19所示,拧松时相反㊂插入时膨胀螺栓的限位凸台靠在L 型槽的轴向一侧,如图20所示,拔出时相反㊂图19㊀专用工具拧紧膨胀螺栓示意图Fig.19㊀Schematic diagram of the special looseningtool for the expansionbolt图20㊀专用工具拔出膨胀螺栓示意图Fig.20㊀Schematic diagram of the special tighteningtools for the expansion bolt847载人航天第28卷维修工具安装在快速连接装置维修接口上,由随动机构和分离机构两部分组成㊂分离机构实现故障关节的拆装,而随动机构在关节拆除后,将机械臂其他组件进行临时连接固定,如图21所示㊂图21㊀关节维修装置工具原理图Fig.21㊀Schematic Diagram of the Repair Device In-sertion and Extraction Mechanism for the Joint在轨维修模拟试验模拟场景如图22所示㊂2名航天员位于机械臂故障件两侧,依次完成膨胀螺栓拧松㊁快速连接分离㊁故障关节更换㊁快速连接组合㊁膨胀螺栓锁紧等操作㊂图22㊀膨胀螺栓在轨维修地面试验验证Fig.22㊀Ground test of the on-orbit maintenance forthe expansion bolt5㊀结论㊀㊀本文根据空间站核心舱机械臂的特点和在轨任务对快速连接装置的需求,开展了快速连接装置的刚度㊁容差㊁维修需求设计,经设计分析及试验验证,设计的快速连接装置具有如下特点:1)质量轻㊂通过机构的合理设计,快速连接质量为仅为3.5kg,远小于指标5kg 要求㊂2)连接刚度高㊂经过地面刚度测试及在轨使用验证,可以满足中国空间站机械臂25t 大载荷操作的需求㊂3)操作简便,操作力矩小㊂通过一套专用工具实现拧松㊁拧紧㊁拔出㊁固定一系列动作,操作力矩可以与中国航天员的作业能力相匹配㊂4)设计有维修接口,机械接口有一定的容差和导向,电接口有导向与浮动容差,有利于航天员在舱外进行在轨维修,提高了机械臂系统的可靠性与寿命㊂5)该设计方式可为其他在轨装配㊁在轨维修产品提供借鉴与参考㊂参考文献(References )[1]㊀Long A,Hasting D.Catching 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