14、空间机械臂设计与群机器人动力学在机械系统中的应用

空间机械臂设计与群机器人动力学在机械系统中的应用

1. 空间停泊机械臂设计

1.1 背景与需求

随着太空探索的发展，低地球轨道上的卫星数量不断增加，轨道容量逐渐饱和。为避免产生更多太空碎片，人们提出了多种解决方案，如激光扫帚、系绳、网和电磁制动器等，但这些方法尚未广泛应用。目前，卫星任务通常在结束时通过喷气发动机操纵将卫星送回大气层或墓地轨道，另一种潜在方案是通过加油或翻新来延长卫星寿命。

对于小型卫星CubeSat而言，其设计大多针对低轨道，进一步加剧了轨道饱和问题。而且，CubeSat的寿命通常较短，不过可以通过外部系统将其提升轨道和/或加油来延长寿命。现有的国际空间站卫星停泊解决方案，如Canadarm2、欧洲机械臂（ERA）和日本实验舱远程操纵系统，对于最大质量不超过24 kg的CubeSat 12U来说，存在过度设计的问题。因此，需要设计一种轻量级的CubeSat停泊机械臂。

该机械臂作为停泊系统的一部分，包括空间站、机械臂本身和末端执行器。其设计要求如下：
- 总长度为1.5 m。
- 能够到达空间站的所有停泊端口。
- 机械臂总重量小于5 kg。
- 可处理的最大质量为25 kg（其中末端执行器质量为1 kg）。
- 线性精度为10 mm，角度精度为1°。

1.2 概念方案

根据上述要求，提出了一种运动学方案，机械臂具有五个旋转关节和一个棱柱关节，可绕空间站旋转，末端执行器还有一个额外的旋转自由度。运动学方案的尺寸以Denavit - Hartenberg参数表示，如下表所示：
| 关节 | a (m) | α (°) | d (m) | θref (°) |
| — | — | — | — | — |
| O | 0.8 | 0 | 0 | 0 |
| A | 0.1 | 90 | 0 | -90 |
| B | 0.04 | 90 | 0.03 | -90 |
| C | 0.9 | 0 | 0.015 | -90 |
| D | 0.7 | 0 | 0.045 | 0 |
| E | 0.04 | -90 | 0.03 | 90 |
| G | 0.03 | 0 | 0 | 0 |

末端执行器为双滑块曲柄机构。为了抓取卫星，末端执行器的L形指尖连接到滑块上，指尖表面之间的角度为90°。当末端执行器处于打开位置时，指尖之间的距离大于最大卫星的对角线。通过旋转电机90度，指尖可以抓取最小的卫星。对于1U到12U的CubeSat，指尖之间的距离应在一定范围内变化，最大距离假设比最大卫星的对角线大5%，即320 mm，中心到指尖GK1的距离为168 mm；当中心曲柄旋转α = 90°时，末端执行器关闭，此时连接手指的曲柄GHs是三角形GHK的对角线，最小距离l0 + h等于70 mm（h假设为25 mm），中心曲柄l1长度为64 mm，另一个曲柄l2长度为78.6 mm。

1.3 CAD设计

根据运动学方案，在CAD Autodesk Inventor中设计了模型。机械臂安装在空间站上，可绕其移动，平移运动由与空间站轨道接触的轮子提供，轮子直径为50 mm，轨道直径为730 mm。旋转关节封装在60 × 60 × 30 mm的单元中，有两个连接孔，一个用于刚性连接，另一个用于旋转。参考框架设置在旋转孔的中心，Z轴为旋转轴。两个连杆的尺寸分别为890 mm和610 mm，顶部固定有电机。指尖尺寸设定为100 × 30 mm，为了与卫星更好地接触，指尖表面设计有16个半球形凸起。机械臂部件选用铝作为材料，整个机械臂的质量为3.98 kg。

1.4 性能分析

使用Autodesk Inventor对模型进行了停泊任务的动态仿真。任务包括从折叠配置开始，机械臂找到卫星位置，抓取卫星并将其移动到停泊端口。该操作通过六个路径点（P0 - P5）来表征：
1. P0：机械臂和末端执行器处于折叠配置。
2. P1：瞄准位置，末端执行器在卫星下方50 mm处，末端执行器打开，指尖与卫星的棱边平行。
3. P2：准备抓取，指尖边缘在卫星底部上方30 mm处。
4. P3：通过末端执行器的指尖抓取卫星的棱边。
5. P4：将卫星转移到停泊端口，卫星居中，其表面与端口平行，卫星和端口表面之间的距离为50 mm。
6. P5：将卫星插入停泊端口，卫星表面与停泊端口对齐。

通过将模型的末端执行器移动到每个点，对相应的关节角度ϕ进行了数值评估，结果如下表所示：
| 位置 | ϕO (°) | ϕA (°) | ϕB (°) | ϕC (°) | ϕD (°) | ϕE (°) | tend(s) |
| — | — | — | — | — | — | — | — |
| P0 | 0 | -180 | 90 | 180 | -180 | 90 | 0 |
| P1 | 175.87 | 0 | 51.2 | 146.61 | 5.41 | 94.13 | 19 |
| P2 | 175.87 | 0 | 51.33 | 139.39 | -1.9 | 93.44 | 20 |
| P3 | 175.87 | 0.63 | 51.33 | 139.39 | -1.9 | 93.44 | 22 |
| P4 | 290.41 | 32.02 | -64.6 | 99.52 | -138.54 | 130.79 | 35 |
| P5 | 291.57 | 31.38 | -66.03 | 99.55 | -137.7 | 131.97 | 36.5 |

棱柱关节O的位置沿圆形轨道由旋转电机控制，通过定义驱动系统的传动比可以计算出ϕO。在抓取前，最大角速度假设为360°/s，操作期间限制为10°/s以避免惯性问题。抓取操作在步骤P2和P3中实现，持续2 s。末端执行器输入关节G的运动规律经过特殊设置，以减少冲击并确保抓取稳定。

1.5 结论

设计了一种用于CubeSat微卫星的停泊空间机械臂，并通过Autodesk Inventor进行了动态仿真评估其性能。解决了从机械臂折叠配置到卫星插入停泊端口六个位置的逆运动学问题。该方法基于已知卫星位置，指出了抓取和固定卫星时指尖表面平坦会导致卫星滑动的问题，需要在指尖表面增加有限数量的接触点以确保接触并防止滑动。性能分析针对CubeSat 1U进行，该停泊方法也可应用于其他类型的卫星。

1.6 流程图

graph TD;
    A[开始] --> B[折叠配置];
    B --> C[瞄准卫星];
    C --> D[准备抓取];
    D --> E[抓取卫星];
    E --> F[转移卫星];
    F --> G[插入停泊端口];
    G --> H[结束];

2. 群机器人动力学描述机械系统

2.1 研究背景与思路

从通常用于协调大量协作机器人空间位置的群聚规则研究出发，可以解决连续材料的变形问题。该方法的优势在于与传统牛顿方程求解相比，能够节省计算时间。具体做法是对材料点施加运动学规则，就好像它们是群机器人的组成部分，借鉴鸟类椋鸟的精确间距行为。这种方法纯粹基于运动学，虽不追求高精度，但能提供非常合理的结果。

在太空领域，尽管重力通常不是主要因素，但由于温度范围大，材料变形是机器人系统的热门研究话题。该模型能够再现具有标准或广义（柯西或二阶梯度）变形能量密度的可变形体的行为，甚至在断裂情况下也能对连续体变形进行合理模拟。

2.2 研究起源

自然界的启示对设计机器人群控制系统非常有用。多年来的研究表明，了解元素之间的距离可以获得水下机器人群的几何构型，这对于机器人群根据任务调整构型至关重要。机器人群的概念在机器人科学界一直是热门话题，研究受到动物生物行为的启发，如蜜蜂的社会活动、分工、信息共享和合作等概念。使用机器人群的优势众多，单个机器人容易出现故障，而多机器人方法可以从操作的并行性中受益。

2.3 新方法优势

虽然部分相关材料已经发表，但此次研究采用了新的计算技术，取得了显著进展，前景十分广阔。该方法通过对材料点施加类似群机器人的运动学规则，能够有效地模拟连续材料的变形，为解决机械系统中的变形问题提供了新的思路。

2.4 总结

群机器人动力学用于描述机械系统是一种创新的方法，它结合了生物学中的群聚规则和运动学原理，为解决连续材料变形问题提供了一种新的途径。该方法不仅能节省计算时间，还能在一定程度上模拟复杂的变形行为，包括断裂情况。随着新计算技术的应用，这一领域有望取得更多的突破和进展。

2.5 流程图

graph TD;
    A[开始研究] --> B[借鉴群聚规则];
    B --> C[对材料点施加规则];
    C --> D[模拟变形行为];
    D --> E[验证结果];
    E --> F[应用新计算技术];
    F --> G[取得进展];
    G --> H[结束研究];

3. 对比分析与潜在应用

3.1 两种技术的对比

对比项	空间停泊机械臂设计	群机器人动力学描述机械系统
研究目的	解决低轨道卫星停泊问题，避免轨道饱和和碎片产生	解决连续材料变形问题，节省计算时间
核心技术	机械臂运动学设计、末端执行器设计和动态仿真	借鉴群聚规则对材料点施加运动学规则
应用场景	太空卫星停泊任务	太空机器人系统中材料变形模拟
优势	轻量级设计、满足特定精度要求	节省计算时间、能模拟复杂变形包括断裂
挑战	解决卫星抓取和固定时的滑动问题	新计算技术的进一步完善和验证

从对比中可以看出，两种技术虽然应用场景不同，但都在各自领域有着独特的优势和挑战。空间停泊机械臂设计更侧重于实际的太空操作任务，而群机器人动力学描述机械系统则更注重理论和模拟方面。

3.2 潜在应用拓展

3.2.1 空间停泊机械臂的拓展应用

• 卫星维护与修理 ：除了停泊任务，该机械臂还可以用于卫星的维护和修理工作。例如，更换损坏的部件、进行设备升级等。
• 太空垃圾清理 ：可以对其进行改进，使其具备抓取和清理太空垃圾的能力，减少太空碎片对其他卫星和航天器的威胁。
• 深空探测 ：在深空探测任务中，机械臂可以协助进行样本采集、设备部署等工作。

3.2.2 群机器人动力学的拓展应用

• 航空航天材料研究 ：在航空航天领域，材料的变形性能至关重要。该方法可以用于研究新型材料在复杂环境下的变形行为，为材料的研发和优化提供依据。
• 生物医学工程 ：在生物医学工程中，模拟生物组织的变形对于理解生物过程和开发医疗设备具有重要意义。群机器人动力学可以为生物组织变形模拟提供新的方法。
• 建筑结构设计 ：在建筑结构设计中，需要考虑材料在不同荷载下的变形情况。该方法可以用于预测建筑结构的变形，优化结构设计。

3.3 流程图

graph TD;
    A[技术选择] --> B{空间停泊机械臂};
    A --> C{群机器人动力学};
    B --> D[卫星维护修理];
    B --> E[太空垃圾清理];
    B --> F[深空探测];
    C --> G[航空航天材料研究];
    C --> H[生物医学工程];
    C --> I[建筑结构设计];

4. 未来发展方向与展望

4.1 空间停泊机械臂的未来发展

• 智能化升级 ：引入人工智能和机器学习技术，使机械臂能够自主识别卫星状态、优化抓取策略，提高操作的智能化水平。
• 多功能集成 ：将更多的功能集成到机械臂中，如检测、维修、通信等，使其成为一个多功能的太空操作平台。
• 轻量化与小型化 ：进一步优化机械臂的设计，减轻重量、缩小体积，提高其在太空环境中的适应性和灵活性。

4.2 群机器人动力学的未来发展

• 精度提升 ：不断改进计算技术，提高模拟结果的精度，使其能够更准确地描述材料的变形行为。
• 多物理场耦合模拟 ：考虑多种物理场的耦合作用，如热、电、磁等，使模拟更加贴近实际情况。
• 跨学科应用拓展 ：与其他学科进行更深入的交叉融合，拓展其应用领域，如在能源、交通等领域的应用。

4.3 两者结合的可能性

未来，空间停泊机械臂和群机器人动力学有可能结合起来。例如，在机械臂的设计和操作中，运用群机器人动力学的方法来优化机械臂的运动规划和控制，提高其在复杂环境下的性能。同时，机械臂在太空操作中遇到的材料变形问题，也可以借助群机器人动力学的模拟方法进行分析和解决。

4.4 总结

空间停泊机械臂设计和群机器人动力学在机械系统中的应用为太空探索和机械工程领域带来了新的思路和方法。它们各自有着独特的优势和应用前景，未来的发展方向也十分广阔。随着技术的不断进步和创新，相信这两种技术将在更多领域发挥重要作用，为人类的科技进步做出更大的贡献。

4.5 列表总结未来发展方向

• 空间停泊机械臂 ：
• 智能化升级
• 多功能集成
• 轻量化与小型化
• 群机器人动力学 ：
• 精度提升
• 多物理场耦合模拟
• 跨学科应用拓展
• 两者结合 ：优化机械臂运动规划和控制，解决材料变形问题