空间机械臂机电一体化关节的设计与控制分析

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【摘要】在空间站当中，空间机械臂是一个十分重要的设备，是空间站工作中不可 缺少的设备之一。因此，空间机械臂机电一体化关节的设计和控制就显得尤为重要。在实际应用中，为了使空间机械臂能够发挥出更大的作用，就要对其机电一体化关节的设计和控制进行细致的分析，从而满足其实际应用的需求。

【关键词】空间机械臂；机电一体化关节；设计与控制

前言：随着我国航天事业的发展，在建造空间站、维护设备、进行科学实验等过程中，空间机械臂都发挥出了重要的作用，在维护和组装空间站的工作当中，是一个十分关键的设备。基于太空当中的特殊环境，在机械臂的设计和应用中，机电一体化关节是其最为重要的构成部分，直接影响着空间机械臂的工作精度。

一、机电一体化关节的设计

（一）机械臂的构成

在空间机械臂当中，主要包括在轨控制系统、移动基座系统、末端效应器系统、关节驱动控制系统、结构与机构系统、视觉系统、末端作业工具系统、地面控制台等部分。其中，末端效应器连接臂杆和关节等结构，机械臂的空间运动就能够通过关节的旋转来完成[1]。

（二）机械臂关节的要求

在机械臂关节的实际应用中，需要对完成空间站的维修、建设、维护等工作，从而对空间站的运行状态加以确保。提高航天员的安全性和行动能力，降低航天员的出舱次数。此外，还需要最大限度的将航天员的作业风险降低，同时确保作业环境的安全。在机械臂当中，关节是最为重要的结构，通过力闭环、位置和速度的控制，使机械臂能够实现多自由度的旋转运动。关节需要提供操作驱动和负载能力给机械臂，同时能够紧急制动机械臂，有效限制欲动角度，保护机械臂结构。同时需要提高机械臂控制和测量的精度。通过关节，能够交互中央控制系统和机械臂之间的信息。此外，如果关节发生失效会损坏，应当能够进行方便的在轨拆装。

（三）关节的设计方案

机电一体化关机需要提供传动、驱动、制动、驱动控制、通信、位置速度信号采集、温度信号采集等功能，同时应当严格控制关节的体积和质量。因此，在设计过程中，在确保功能满足要求的基础上，应当尽量进行轻量化、小型化的处理。此外，还应当具备良好的可靠性和环境适应能力。因此，在实际设计过程中，应当结合实际需求，首先确定整体的设计方案，包括冗余设计、中心孔走线、传感器和零部件选型等[2]。结合性能参数和功能要求，对性能指标加以分配，同时对零部件的接口和尺寸进行详细的核对。然后设计关节的电气控制硬件、内部结构，编写相应的控制软件，设定控制算法。在完成关节软硬件和结构的设计之后，还要进行相应的测试检验才能投入使用。

二、机电一体化关节的控制

（一）关节控制模式

在机电一体化关节控制当中，主要包括位置控制、速度控制、力矩控制。在位置控制当中，中央控制器将位置命令发送给关节控制系统，通过位置三闭环结构、电流、速度控制，设置位置控制器、电流和速度，利用传感器获取末端位置、电机等效电流、关节转速等参数，从而对为控制环路提供闭环反馈。在速度控制当中，中央控制器将速度命令发送给关节控制系统，利用双闭环、速度、电流等结构，设置电流和速度控制器[3]。然后利用传感器收集和计算电机等效电流和关节转速，并对控制环路提供闭环反馈。在力矩控制中，中央控制器将力矩命令发送给关节控制系统，利用力矩双闭环和电流结构，来设置电流和力矩控制器。再利用传感器采集和计算电机等效电流和力矩参数，为控制环路提供闭环反馈。

（二）关节控制方法

在机电一体化关节当中，主要包含了谐波减速器、伺服电动机等结构。其中的扭转弹簧具有一定的刚度，它与减速器柔轮之间存在着等效的关系。在系统控制的过程中，外界干扰和摩擦等因素将会对其造成影响。因此，应当针对关节系统，进行力学模型的建立。通过这一模型来计算和设置后续矢量控制等参数。在这一过程中，会涉及到关节输出轴位置、电机轴位置、负载惯量、扭转弹簧刚度系数、减速比、非线性摩擦力矩、电机惯量、电机阻尼系数、驱动力矩等参数。

在关节控制系统中，主要包括位置环、电流环、速度环等部分。因此，在其运动控制的过程中，应当确保其在变负载、不同负载等情况下保持稳定状态。由于关节运动速度较低，位置动态响应能力要求也不高，因此，在控制算法中，应当对关节柔性影响给予更高的重视。这样，就能够抑制控制振动，使振动次数和振幅降低。在抑制柔性关节扭转振动的过程中，与低速非线性摩擦补偿、高精度定位控制设计、级联动力特性等问题密切相关[4]。

在机械臂关节空间转动过程中，时变性惯量的出现，与机械臂的负载变化和位型变化有关。在运动控制算法中，主要涉及到PID控制加柔性补偿、计算力矩前馈、状态空间反馈等问题。在设置参数的过程中，PID技术能够发挥良好的作用，具有较高的灵活性，因而能够产生良好的控制性能。在当前很多相关产品中，都对线性PID增量控制算法进行了应用。如果没有对动态响应提出过高的要求，在控制位置、电流、转速闭环的时候，可以采用PI控制方式，利用动态模型来模拟摩擦模型，并在控制其中进行补偿。另外，由于谐波减速器需要达到一定的刚度，应当进行柔性扭转控制补偿，对变参数PI设计加以应用。如果负载面发生大范围变化，控制系统应当结合实际情况，分别设定多个控制参数，在线进行调整和切换，从而维持机械臂的稳定运行。

结论

在当前的航空领域当中，空间机械臂是一种非常重要的设备，在空间站的各项工作任务中，空间机械臂都发挥着不可替代的巨大作用。在实际应用中，若要实现空间机械臂稳定、高效的运行，就离不开关节的辅助。对于空间机械臂来说，其性能会受到机电一体化关节的直接影响。因此，应当对其进行详细的设计和控制分析，从而使其能够更加良好的发挥作用。

参考文献：

[1]胡素梅. 空间机械臂机电一体化关节的设计与控制[J]. 电子制作，2014，01：54.

[2]罗俊. 浅谈机电一体化关节在空间机械臂中的设计和控制[J]. 山东工业技术，2014，13：156.

[3]孙敬F，史士财，郭闯强，刘宏. 空间机械臂在轨快换高精度模块化关节的研制[J]. 四川大学学报（工程科学版），2012，01：209-214.

[4]宋伟，江鹏，郑彦宁，邓邦飞，张文杰，徐文福. 基于模块化关节高压巡线机器人方案改进[J]. 仪器仪表学报，2014，S2：42-49.