太空机械臂关节的综合设计

2010年7月6-9日,中国，济南《世界智能控制和自动化第八次大会》太空机械臂关节一体化设计YuHe,JunJiang,ZhihongJiang,HuiLiandQiangHuang中国北京,北京理工大学电机工程学院,中国北京,中国空间技术研究院,[e-mail]摘要-太空机械臂技术发展迅速并被广泛应用于太空探索的任务中。太空关节设计是太空机械臂的关键技术之一。通过设计电机、控制模块驱动模块测量模块和恒温模块作为一个整体，实现体积小重量轻快速反应的特点。本文展示了一种可以实现双冗余检测的同时也可以通过差异原则提高位置检测精度和抗干扰能力的的电机转子和关节位置。此外,等温设计采取联合热控制。最后,实验数据显示证明关节具有满足太空机械臂要求的良好性能。索引词-太空机械臂;一体化关节;热控制。1.前言太空机械臂是由关节和连杆机构组成的。关节是太空机械臂执行机构它的主要功能是输出给定的位置、速度和力矩。太空机械臂的关节通常是由机械结构、传动机构和驱动元件组成。为了控制位置、速度和力矩，关节必须有传感器,信号采样电路、控制电路和驱动电路。此外,在太空环境下，太空机械臂的关节应该有热控制的部分。因此,太空机械臂是一个集采集机构、传感器、控制器和热控制器于一体的机电系统[1].目前,太空机械臂关节存在的主要问题如下：1)由于关节内部低的集成度造成的大体积、重量和低精度。目前,太空机械臂的传动部分、驱动部分和传感器通常都使用独立的组件。每个组件都有独立的壳包和安装表面,所以关节的集成度很低。依据关节的机制,一些组件的壳包和安装表面是没必要的。此外,这些都增加了关节的体积和重量,降低了关节的装配精度。2)太间机械臂关节复杂的外部接口导致了集成的复杂,和可靠性降低。关节的传感器、控制电路和驱动电路通常安装在关节的外侧,且传感器信号电线,动力电线和控制电线需要带出,所以关节外部接口的复杂,增加了集成的困难。由于关节的任何改变都可能影响整个机械手的设计,当每一次设计一个新的太空机械臂,都需要重新设计关节和相应的传感器,控制系统和驱动系统。它增加了开发周期和成本,并且大量的资源将用于重复的工作3)关节的功耗主要集中在马达和驱动电路,所以它们和它们附近地方的温度要比其他地方高。如果这个问题得不到解决,尤其是在太间,将会由于大的温差导致关节变形,降低关节的精确度为了解决这些问题,于2001年安装在国际太空站的加拿大2号机械臂[2]-[11]、于2005年德国航空航天中心制造的ROKVIS[12]-[15],由哈尔滨工业大学与德国航空航天中心在2007年制造的高度集成模块化的太空机械臂[16]和由北京邮电大学于2007年制造的模块化太空机械臂都使用了模块化设计的方法模块化设计方法实现了太空机械臂的机械系统,传感器系统、驱动系统、控制系统和电力系统的集成。所有的电缆都是通过模块化关节的中心孔,这样可以减少电路集成的困难。通过使用模块化关节,很容易就能制造太空机械臂。然而,模块化设计方法只是离散组件的集成,它没有同时从整体上设计和构思每个关节的系统[17]-[20]。我们对太空机械臂提出一个能够克服模块化设计缺点的高内聚和低耦合的一体化联合设计方法。在关节中高内聚是高度整合的,低耦合是关节的简单的外部接口。高内聚和低耦合的目的简化关节结构,优化设备配置,提高性能,减少重量和体积,提高关节的可靠性。目前的设计方法是通过差别原则用安装在电机轴上的双重旋转变压器来改善关节位置检测精度,抗干扰能力,实现转子位置检测和关节位置检测双冗余。使用温度控制和等温设计来实现关节温度均化和改善关节的工作性能2.一体化关节的说明书在太空环境中,温度变化剧烈和电磁辐射非常激烈。在发射的过程中,太空机械臂不得不承受来自振动、过载、和火箭噪音的影响,所以要求组件的可靠性和太空机械臂关节的稳定性非常高旋转变压器是一个复杂的位置和速度检测装置。它可以适用于所有可以使用旋转编码器的场合,也可以应用于热,冷湿、高速和剧烈振动等旋转编码器不能工作的场合,。此外,旋转变压器提供了绝对位置信息,并快速响应,所以旋转变压器非常适合于太空环境。永磁同步电动机的转子是永久磁铁,所以没有励磁损耗。转子不产生热量,因此提高了电动机的效率。永磁同步电动机的电枢绕组缠绕在定子上。定子产生的热量可以通过电机外壳转移,这样可以减少轴承的温度梯度。永磁同步电动机没有换向器刷,所以没有电刷磨损,以及电刷电弧放电。永磁同步电动机具有良好的机械性能和直流电机速度控制的性能,与此同时,永磁同步电动机具有结构简单,运行可靠,寿命长,低速性能好等优点,所以永磁同步电动机是一个理想的太空机械臂关节的驱动器为了获得大的输出转矩,良好的散热性能和调速性能,可靠的位置检测,一体化关节选择永磁同步电动机和谐波减速器作为驱动方式,并选择旋转变压器位置检测装置。太空机械臂一体化关节系统图如图1所示。太空机械臂将控制信号发送到关节,关节接收控制信号后,根据控制信号和反馈传感器信号,关节驱动伺服电机的控制和驱动电路。通过谐波减速器,关节输出给定的位置、速度和力矩图.1一体化关节的系统图在设计过程中,根据一体化关节的性能要求,从所有组件整体的同步规划和设计角度来看,所有的组件在结构和性能要实现精确匹配;关节消除冗余安装表面和机械结构,因此关节实现了高内聚,并使控制系统,传感器系统、驱动系统、太空环境适应性设计、线路、传动机构和相关的机构集成为一个整体。简单的机械接口和标准的电气接口使得太空机械臂设计只需考虑关节的外部接口,因此降低了太空机械臂设计的难度,缩短了太空机械臂的开发周期。图2是太空机械臂高内聚低耦合的结构图。图.2太空机械臂的高内聚、低耦合综合关节如图3所示,一体化关节的机械结构包括两个轴系统:关节轴系统和转子轴系统,两个轴系统安装在同一轴上。驱动关节,被驱动关节和关节支撑共同组成一体化关节的轴系统。关节的轴系统是由谐波减速器驱动的。谐波减速器的刚性轮安装在驱动关节,柔性轮安装在被驱动关节。永磁同步电机的定子安装在驱动关节。旋转变压器的一个定子安装在驱动关节,另一个安装在被驱动关节。电机轴系统包括电机、电机轴和电机支撑、电机转子,谐波减速器的谐波发生器和两个转子的旋转变压器都安装在电机轴上。图3机械结构的综合如图3所示,根据一体化关节特定的要求,电机、旋转变压器和谐波减速器同时作为一个整体设计,并且所有的结构都一体化组成关节结构。电机绕组和旋转变压器只保留核心和线圈,并用关节的外壳作为自己的外壳。电机转子,两个旋转变压器转子和谐波减速器的谐波发生器都集成在相同的电机轴上。控制电路和驱动电路安装在驱动关节里面,并且电缆通过中央小孔连接驱动关节和被驱动关节。一体化的设计方法可以使关节的所有组件精确匹配,也能增加关节的结合力、减轻关节重量和减小关节的体积。一体化关节的外部接口包括电气接口和机械接口。简单的机械接口和标准电气接口让空间机械臂的设计只需考虑关节的外部接口,因此降低了太空机械臂的设计难度和缩短了它的开发周期空间机械臂关节的所有组件都是集成在关节里的,所以外部接口大大简化。因此,太空机械臂结构设计,电路设计和线路设计难度大大减小。一体化关节提供了一个标准接口。电气接口包括控制接口和电源接口。控制接口使用CAN总线,电气接口使用24v直流电,所以电气接口只需6根线。一体化关节的机械接口很简单。因为它不需要考虑传感器的安装线路,只需要提供安装平面连接连杆。机械接口必须有一个中心孔让导线通过。图4表示太空机械臂一体化关节的组成。使用一体化的关节组成一个太空机械臂可以大大节省开发时间和成本,缩短太空机械臂的开发周期,提高机械臂的可靠性。图4太空机械臂一体化关节的组成3.冗余度检测普通关节有两个位置检测传感器,一个安装在电机轴上,另一个是安装在关节轴上。这两个传感器分别检测电机状态和关节的位置。因为电机和关节通过减速机联系,电机的旋转角度和关节的旋转角之间的比率关节是n:1。当电机的位置检测传感器失灵,关节的位置检测传感器不得不检测电机的位置来控制电机。然而,关节位置检测传感器检测到的电机位置的精度只有正常位置精度的1/n。因此,当普通关节的电机位置检测传感器失灵,控制精度将非常低。图5两个旋转变压器的位置如图5所示,这两个旋转变压器都是安装在电机轴上。一个旋转变压器的定子是安装在驱动关节的壳体上;另一个旋转变压器的定子是安装在谐波减速器的柔轮上。根据这两个旋转变压器的安装位置,有以下的关系11121-nnn1nj12122是安装在驱动关节上的旋转变压器测量的旋转角度，1是安装在被驱动关节上的旋转变压器测量的旋转角度;n谐波减速器的减速比,j是关节的旋转角。由关系(1),我们知道这两个旋转变压器的旋转角是相关的,当一个旋转变压器失灵时,另一个旋转变压器也能准确的检测失灵旋转变压器所检测的位置。因此,关节的冗余和电机位置的检测达到了。由关系(2),我们知道关节的旋转角度是两个旋转变压器的输出之差。如果两个旋转变压器是相同的类型和相同批次,他们的性能和工作环境是相似的,由差别原理,关节位置检测受外部环境干扰减少和位置检测精度提高四、热控制热控制目的是让关节能在太空环境中正常的工作。这不仅意味着关节总体温度必须控制在一定范围内,而且关节所有组成部分之间温度的差异如壳体、电机转子、定子、电机轴承、关节轴承、谐波减速器、旋转变压器、控制电路和驱动电路必须控制在一定范围内。不仅要考虑轨道的热流量,也要考虑到关节工作产生的热量。由于简单的形状,关节外部热控制变得更容易。本文中,传统的热控制设计包括主动控制同时也介绍了被动控制。主动控制方法是通过电热器来维持温度的控制方法。而被动控制方法控制是通过热涂层和散热器来维持温度。A：温度范围控制根据飞行数据,航天器表面温度在低地球轨道是-50℃~90℃。为了控制关节工作在照射区域和背光区域的温度在合适的范围(20℃),需要考虑以下三点:1)大部分的热量由电路、电机定子、轴承、谐波减速器产生的。这些热量应该首先考虑。2)需要建立一个模型来计算关节在照射区域和背光区域的温度;3)需要采用能够调整关节温度的热控制方法。图6表示关节的热模型。(a)关节的外壳（b)关节的组件图6关节的热模型b.恒温控制太空机械臂一体化关节包括电机、谐波减速器、轴承等零件。如果关节的内部温度场不均匀,将导致传输间隙的增加,影响关节性能,也会导致传输组件卡死。关节的内表面和关节组件的外表面高涂有高发射率涂层来加强关节的辐射传热,并且降低了在关节组件之间的温差。永磁同步电动机和控制电路是主要热源并且他们安装在关节的壳体上;关节壳体可以直接传递热量。为了减少驱动关节和被驱动关节在背光区域的温差,驱动关节表面使用了一片电热块。图7和图8表示了在恒温控制设计后关节温度计算的结果。(a)照射区域外壳温度(b)照射区域组件温度图7照射区域关节温度(a)背光区域外壳温度(b)背光区域组件温度图8背光区域关节温度五、实验一体化关节的控制和驱动电路包括控制器,控制信号检测装置,电动机位置检测装置、关节位置检测装置,电机驱动信号功率放大器控制系统的控制器是TMS320LF2407A控制器,控制命令由CAN总线传输。电机位置信号,关节位置信号和电机电流信号经过A/D转换器到达控制器。永磁同步电动机的驱动模式是SVPWM。一体化关节的控制系统,如图9所示,由控制电路板,电机驱动电路板和旋转变压器电路板。三个电路板由触针连接,所以连接是可靠的。图9一体化关节的控制和驱动电路关节验证实验包括关节刚度实验和关节负荷实验,结果如表一所示(输出转矩是25.2N⋅m)表一关节性能的测试结果性能参数实验结果刚度radm/kN19.2速度s/20.5如图10和图11所示，我们使用PID控制方法进行关节控制性能试验。图10表示参考和反馈曲线,可以看出关节的输出轨迹可以准确地跟踪期望轨迹。跟踪误差曲线如图11所示,稳态跟踪误差只有0.01˚图10关节的输出轨迹曲线图11关节的位置控制误差六、结论从整