谭震京，郝进宇，王 珊

（北京市首都航天机械有限公司 北京 100076）

0 引言

近年来，世界范围内对于航天工业的重视程度逐渐上升，对太空进行控制成为各个国家的重要战略目标之一，因此，提升航天器的制造效率与制造质量至关重要。机械臂对于航天器装配中大重量零部件的装配具备十分重要的意义，能够有效提升航天器装配过程中某些工序的装配效率与装配质量。本文对航天器装配的特点、机械臂控制方式等内容进行分析，试图提出一种应用性较强的航天器机械臂柔性力控辅助装配策略。

1 机械臂与机械臂常见控制方法

机械臂是现代工业生产中重要的辅助型设备，指的是高精度、多输出、多输入的复杂系统，其主体结构通常包括连接部位、关节组件等，能够通过电流实现对主体结构的控制，进而轻易实现对重量较大物体的精确搬运，这种功能在工业生产，尤其是工业设备装配过程中能够发挥十分重要的作用。与传统的人工安装相比，机械臂具备非常多的优势，主要体现在载重、精度、工作效率等方面，在工作中，尤其是大重量零部件安装与制造过程中，能够实现稳定保持与精确调整，进而解决大重量设备的安装问题，最终提升具体装配过程的安全与稳定[1]。

当前机械臂的常见控制方法包括：（1）在机械臂的中控系统中，采用计算机技术对其内部程序进行固定，通过这种方式将机械臂的运动进行固定化，并在工作中进行重复性动作，这种方式是最为常见的控制策略，在工业生产线上十分常见。（2）在机械臂上植入视觉传感器，根据生产目的对图像中的目标进行识别定位，并进一步对机械臂的运动进行控制，这种方式在自动化物流系统中的应用比较常见，要求相关物体必须具备可视觉识别定位的特征。（3）采用操作杆等方式对机械臂进行手动控制，这种方式主要应用于机械臂自主调试以及机械臂远程控制等工作环节，这种方式能够添加人的主观意识，能够保障装配过程的安全性，但是人与机器通常很难实现完美的协调，在工作中很容易出现误操作[2]。（4）柔性控制方法。即根据配件的实际情况，采取不同的机械臂控制方式，柔性控制方法主要包括被动柔顺、主动柔顺两个主要种类。其中，被动柔顺指的是，将柔性机械装置放置在整个机器的末端部位，能够帮助机械臂更好地提升对于外部因素的感知能力，主动柔顺是依靠力传感器的反馈信息，对机械臂的运动轨迹进行及时修正以实现对接触力的有效控制[3]。

与传统的大规模工业生产相比，航天器的生产与装配通常表现为小批量，甚至在生产实践中，存在为了满足航天器的某种需求特意制作出某个具备特殊外形、材质与功能构件的情况。装配工况并不是十分固定，因此，在复杂多变的航天器安装情境中，如何充分发挥机械臂的独特优势，解决大质量设备的安装问题一直都是相关单位在执行航天器制造与安装任务时必须充分考虑的重要问题。针对这一特征可知，航天器的安装需要机械臂具备充分的柔性以适应不同的装配约束条件。柔性控制方法能够很好地适应航天器的装配工作，在现实工业生产中，如果想要实现柔性随动控制，就必须对负载重力的影响进行补偿[4]。

2 机械臂柔性力控辅助装配技术与原理

2.1 机械臂柔性力控辅助装配

基于航天器的实际装配需求，本文试图提出一种机械臂柔性力控装配方式，这种方式的具体操作方法为，技术人员在机械臂末端安装六维力传感器，通过这一设备对信息进行收集，在信息收集完毕之后，整个机械臂的控制系统能够通过算法对人手作用力产生的相关信息数据进行计算。在所有计算结果得出之后，技术人员就能够根据上述结果对机械臂进行控制，实现负载柔性跟随人手运动。这种方式的优势在于，操作人员能够在自身思想的指引下，通过自身较小的力量控制机械臂，实现对大重量工件姿态的调整工作，这种方式在保障灵活性的同时极大降低了工作难度，本文的研究内容综合了机械本身的高效率与精密性等优势，并将人工的相关优势也充分发挥出来，能够满足航天器的装配需求[5]。

2.2 机械臂柔性力控辅助装配原理

机械臂柔性力控系统的主要结构一般包括机械臂本身、六维力传感器、末端执行器、工件，在工作人员的操作下实现整个系统的稳定运行。其中，六维力传感器是整个系统的核心部件之一，能够实现对空间任意力系中的三维正交力、三维正交力矩的有效测量。

六维力传感器直接感知到的力、力矩信息是机械本身负载重力、人手力量的综合作用结果，因此，一般需要负载进行补偿，才能获取到完整的人手力、力矩数据。同时，当机械臂在运动过程中发生末端姿态变化，那么六维力传感器、负载的空间姿态也会发生比较明显的变化。为了确定力的具体变化情况，研究人员进行了具体的柔性力控算法设计。

3 航天器机械臂柔性力控辅助装置的系统组成

本文所提出的机械臂柔性力控系统的主要结构包括工控机、机械臂控制器、机械臂、大六维传感器、小六维传感器、末端执行器、工件。

在本文提出的柔性力控系统中，工控机主要承担的是信号的采集与处理功能，并能够根据受理信息，通过算法生成机械臂的运动指令，并将该指令发送到机械臂中，实现控制机械臂运动姿态的基本目标。大六维传感器在实践中普遍具备较大的量程，因此，此构件在实践中一般安装在机械臂与工件之间，用来检测机械臂受到的整体外部作用力，在通过重力补偿算法消除负载重力影响之后，就能够实现对负载受到的外部作用力的有效感知，在实践中主要指的是人手作用力等，从工作效果角度来看，单独使用大六维传感器就能够基本实现对于负载的柔性随动控制。

为了更好地发挥出机械臂的性能，提升航天器装配作业的精确性，技术人员在机械臂末端放置了小六维传感器。与大六维传感器相比，小六维传感器的量程相对较小，具备相当强的测量灵敏度，在正常的装配作业中，小六维传感器一般不会发挥出作用。其应用场景相对较小，仅应用在需要感知人手作用力的场景，例如，航天器的舱体空间一般相对较小，在进行大体积工件的安装时，很容易出现工人无法进入、不能直接进行精确化装配操作的情况，而大六维传感器又很难实现对人手操作的精确感知，此时，技术人员就可以利用小六维传感器的高灵敏度，实现对工件位置的精确调整。同时，在这一技术操作背景下，大六维传感器也存在一定的价值，即能够对工件本身的碰撞情况进行检测，防止由于安装不当、力度过大导致工件出现碰撞，进而导致航天器受损的现象发生。由此可见，航天器机械臂柔性力控辅助装置具备相当强的科学性，能够满足大部分场景下的航天器装配应用需求。

4 航天器机械臂柔性力控辅助装配的柔性力控算法设计

4.1 负载重量与重心位置测量

根据机械臂的作用原理可知，如果没有其他外力的作用，那么本文所采用的六维传感器所收集到的全部信息内容都是由机械本身的重力所引起的，由此可知，在实际操作过程中，技术人员只需要对机械臂本身进行控制，将机械臂分别表现出不同的姿态，并采用六维传感器进行测算，就能够非常简单地从中取得各种不同姿态下的测量数据，再对这些数据内容进行综合比较，就能够获取到负载重量以及中心位置的具体数据值[6]。

根据计算可知，六维力传感器的坐标系为空间直角坐标系，假设其负载重心坐标为（x，y，z），负载重力为G，那么其在x，y，z轴上的分量分别为Gx、Gy、Gz。同时，对x，y，z轴的作用力矩分别为Mgx、Mgy、Mgz。根据力学关系可以得到以下公式：

即

在实践中，当机械臂的末端姿态发生变化之后，上述所有数据都会发生变化，取不同的负载姿态由六维力传感器所测得的多组数据，采用相关计算方式，即最小二乘法，技术人员就能够对负载重心的实际坐标位置进行准确判断。

4.2 负载重力补偿的确定

在人力作用的情况下，整个系统的力、力矩组合情况会发生比较明显的改变，本文对其进行初步假设，即在人力作用的背景下，负载分量为Hx、Hy、Hz，三个力矩分量为Mx、My、Mz。

在操作人员对机械臂进行柔性随动控制的过程中，负载重力的方向也会发生变化，具体变化姿态应当与机械臂末端姿态具备较强的一致性，假定重力与六维传感器在坐标系x，y，z轴中的夹角分别为a，b，c，这可以得出负载重力在坐标系中的投影，具体为：

在以上公式中，Gx、Gy、Gz分别表示的是六维传感器测定力分量中负载重力的内容，将这一内容与坐标代入相关公式，就可以得到具体的作用力矩数据，即Mgx、Mgy、Mgz。在此基础上，可以进一步得到人手作用力在坐标轴上的分量：

人手力矩在坐标轴上的分量为：

4.3 柔性力控

在上文中，已经基本确定了人手作用的力、力矩信息与计算方式。在这一背景下，研究人员初步拟定了两种工作场景的具体操纵方式：（1）大范围移动工件。此时，机械臂的移动距离可以由人手作用力与一个固定系数相乘进行计算，在实际工作情境中，这个固定系数的具体数字可以根据实际情况进行调整确定[7]。（2）小范围调整工件，大体积工件的小范围调整在航天器制造过程中是一个比较常见的工序，在这一过程中，可以将工件的移动距离设定为一个固定值，并给人手作用力设定一个阈值，当人手作用力超过阈值时，则控制工件移动一个固定值，如果人手作用力小于等于阈值时，则机械臂保持静止状态。为了防止人手持续作用导致精确度下降，应当设定移动一个固定值后暂停，待人手作用力降到阈值之下并重新上升至阈值之上时才能继续移动的流程[8]。

4.4 实践分析

为了进一步确定本文的理论研究内容在实际工作环节是否能够发挥出作用，研究人员在实践中设计了一个真实工况，并采用本文提出的技术内容进行了安全实验。

具体安装工况为：工件质量为102 kg，需要安装到一个与工件大小几乎相似的腔体内部，同时不能对腔体周边进行磕碰，工件在实际操作过程中允许进行活动的空间在3 mm 左右。

在这一工况下，采取人工安装的方式非常影响安装质量与安装效率，甚至可能会对机器舱壁造成磕碰，最终影响机械设备的正常运行。在验证实验中，制作重量、重心位置等指标与真品完全一致的模拟器件，并提供与真实工况完全一致的安装条件。在具体安装过程中，采取本文提出的柔性力控方式，在距离较远时采取模式1（大范围移动工件力控模式），在距离较近的时候采取模式2（精细化安装力控方式）。总安装用时为35 min，安装质量良好，机械未发生磕碰，与传统人工安装用时需要的5 h 相比，其工作效率、工作质量均有了非常大的提升，能够满足航天器工作的基本需要。

5 结论

综上所述，随着时代的发展，航天器生产与制造已经成为我国工业生产的重要组成部分，对于我国空天战略目标的实现具备十分重要的价值与意义。在航天器装配过程中，大重量工件的装配一直都是工程的重难点。本文提出了一种柔性力控辅助装配办法，确定负载重量、重心位置、柔性力控，并结合实际情况，初步验证了该方式确实能够在现实中航天器装配工作中发挥一定的价值与作用，并保证安装过程的稳定性。

本文的力控算法相对比较粗糙，在精确度方面依旧存在较大的提升空间。希望相关单位可以以本文的研究内容作为参考，并结合自身的实际情况，对具体操作方式进行进一步更新，解决航天器装配过程中产生的各种问题。相关理论学者也可以在本文研究的基础上，提出精确度更高、稳定性更强的机械臂力控优化方案，进而提升我国航天工业的整体质量，最终为我国空天战略目标的顺利实现提供必要的技术支持与理论保障。