航天制造中機械臂的運用

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航天制造工業(yè)是一個大國最高精尖的制造技術(shù)的體現(xiàn)，是一個國家探索太空領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)能的基石。20世紀70年代，中國航天制造業(yè)開始迅速發(fā)展，隨著科研的投入不斷增加，到21世紀后，各項航天技術(shù)壁壘不斷被突破，中國航天制造技術(shù)走向了新的高度。在航天制造領(lǐng)域，航天器的裝配生產(chǎn)始終是檢驗航天器設計優(yōu)劣的重要一環(huán)。設計公差是否合理，尺寸鏈是否閉合等問題會在航天器裝配環(huán)節(jié)全部暴露出來。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，航天器的設計外形越來越復雜，裝配的空間越來越狹小，給后期的裝配環(huán)節(jié)帶來了很大的難度與考驗。為保障航天生產(chǎn)中裝配生產(chǎn)的厚墻不倒，各類航天制造廠開始引入機械臂來輔助進行裝配生產(chǎn)。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，各類機械臂推陳出新。高負載自重比、操作更加靈活、穩(wěn)定性和安全性更強的機械臂被研發(fā)出來[1-2]，為其在航天制造中的應用提供了可能。

1機械臂的發(fā)展概述

機械臂是仿照人的上臂關(guān)節(jié)進行設計與制造的，有著結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小、相對工作空間大、可越障等特點。機械臂有6個主動關(guān)節(jié)來保障其具有6個空間自由度，能最大限度地進行靈活工作。一般情況下，機械臂的關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動型關(guān)節(jié)，其中，3個關(guān)節(jié)一般集中在“手腕”部，該設計方案可充分壓縮機械臂整體的體積[3]。生產(chǎn)生活中常見的機械臂結(jié)構(gòu)與原理存在一定的相似性，機械臂的主體結(jié)構(gòu)為多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其運行由多個回轉(zhuǎn)部件、關(guān)節(jié)、支撐臂部件、可伸縮部件、抓手等組成，大部分機械臂工作過程類似于費力杠桿的工作過程。大部分機械臂包括以下機械結(jié)構(gòu)：一是主體回轉(zhuǎn)機構(gòu)，位于機械臂的最下方位置，由伺服電機、回轉(zhuǎn)支撐、蝸輪蝸桿、回轉(zhuǎn)軸等零部件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向的自由轉(zhuǎn)動；二是關(guān)節(jié)軸承，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個相連接支撐臂的空間轉(zhuǎn)動，包括俯仰擺動等；三是可伸縮氣缸液壓油缸或電缸，能實現(xiàn)手臂沿特定方向的伸縮功能；四是抓手結(jié)構(gòu)，包括夾取、抓取、吸取等多種方式，所使用的驅(qū)動力和技術(shù)形式也多種多樣[4-5]。

1.1國外機械臂的發(fā)展現(xiàn)狀

國外機械臂的發(fā)展時間較早，從20世紀40年代到目前為止已經(jīng)有80多年的歷史了。生活因為機械臂的出現(xiàn)而變得多彩，現(xiàn)在可以通過一款機械臂來幫助人們完成任務，而不必自己動手。國外的機械臂研究現(xiàn)狀可以從以下兩種機械臂的概況來簡單介紹。

1.1.1空間機械臂

空間機械臂是一個空間機電系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由機電熱控共同組成，隨著空間技術(shù)（特別是航天飛機、空間站、空間機器人等）的飛速發(fā)展，空間機械臂在太空中的應用越來越廣泛。空間機械臂主要有兩大類：艙外機械臂、艙內(nèi)機械臂。前者針對不同的工作任務需求，其自由度通常為5~10個，長度通常是幾米至十幾米，主要安裝載體是空間站、航天飛機以及小型飛行器。它的主要任務有運送目標、輔助進行對接、攝影、在軌建設、抓捕或者釋放衛(wèi)星等，此外它還可以作為輔助設備，幫助航天員進行出艙活動。而后者具有尺寸小、運動范圍小等特點，它的主要任務是更換設備部件、裝配設備以及打撈空間漂浮物等。德國宇航中心在20世紀90年代研制并成功發(fā)射了小型空間機械臂系統(tǒng)ROTEX。這種系統(tǒng)安裝了各種類型的執(zhí)行機構(gòu)和傳感機構(gòu)，擁有8個自由度，能夠精準地完成1m范圍內(nèi)預設的操作。

1.1.2關(guān)節(jié)型機械臂

Segway公司已經(jīng)研制出了一種家用輕型機器人RMP200，能夠在相對較小的室內(nèi)進行移動。日本也在20世紀80年代對農(nóng)業(yè)采摘機械臂進行了研究。1984年，日本Kyoto大學研制出了一個5自由度的關(guān)節(jié)型機械臂。1993年，Kondo等研制出了帶有機械手、視覺傳感器的7自由度機械臂，在農(nóng)業(yè)機械方面作出了很大的貢獻，也為其他制造生產(chǎn)行業(yè)提供了參考。

1.2國內(nèi)機械臂的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)機械臂的發(fā)展較晚，但是發(fā)展速度非常快。近年來，隨著《中國制造2025》《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等相關(guān)政策的大力支持，國內(nèi)的機械臂技術(shù)水平與應用能力有了顯著的提升，在各類生產(chǎn)線上有著廣泛的應用。與傳統(tǒng)的機械臂相比，我國自主研發(fā)的機械臂有著成本低、重量輕、占地面積小等優(yōu)點[6-7]。越疆科技劉培超及其團隊對機械臂內(nèi)部嵌套的系統(tǒng)進行了優(yōu)化，使得PC端的鼠標、手機、App、腦電波控制、語音控制可對機械臂進行控制，讓機械臂的使用更加人性化。除此之外，該團隊設計的系統(tǒng)控制精度更高，可使機械臂寫毛筆字、切香腸、畫畫等。近年來，我國的空間機械臂發(fā)展十分迅速。在國家“863計劃”的大力支持下，哈爾濱工業(yè)大學研制出了6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的試驗七號空間機械臂，6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別為旋轉(zhuǎn)、俯仰、俯仰、旋轉(zhuǎn)、俯仰、旋轉(zhuǎn)功能，樣機如圖1所示[8]。之后，哈爾濱工業(yè)大學與其他單位聯(lián)合對天宮二號空間機械臂的在軌維修技術(shù)進行了論證與研制，并最終取得了神舟十一號飛船與天宮二號實驗室組合的圓滿成功[9-10]。

2一種新型的機械臂技術(shù)

機械臂根據(jù)協(xié)同工作方式分為單機械臂和雙機械臂。單機械臂機器人已在我國航天制造業(yè)中廣泛應用，如沖壓、鑄造、焊接、裝配等。但是在遇到復雜且裝配精度要求更高的制造場合時，單機械臂在工作中會受到很大的限制。因此，雙機械臂技術(shù)應運而生[11]。雙機械臂技術(shù)是一種新型的機械臂技術(shù)，起步較晚，但是發(fā)展前景較好，一直是一個熱門研究內(nèi)容，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。對于雙機械臂，機械問題不是太過于重要，控制響應方面才是該機械臂的重點。在對雙機械臂進行控制設計前，需對機械臂空間的運動學以及協(xié)同空間進行分析，并進行正逆求解，所以雙機械臂的設計歸根到底是一個數(shù)學問題。

3總結(jié)

隨著國內(nèi)航天制造業(yè)的快速發(fā)展，對航天器配套產(chǎn)品的需求量越來越大，機器代替人工來進行高效工作的趨勢越來越明顯。高效、穩(wěn)定的機械臂將會是航天制造業(yè)中不可或缺的一類機械，而雙機械臂的出現(xiàn)為更加高效、精準的生產(chǎn)提供了一個新的發(fā)展方向，未來的航天制造業(yè)必將發(fā)展得更為迅速。

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作者:呂舒婷 李淳 周賀 吳盟 李強 梁高強 靳向濤 尹兆潔 單位:首都航天機械有限公司