空间机械臂机电一体化关节控制设计浅析

 空间机械臂机电一体化关节控制设计浅析

赵勇

无锡市惠浩塑胶机械有限公司 214100

摘要：空间机械臂是我国空间站重要的设备，能够为航天员开展工作提供可靠的帮助，对于减轻航天员的工作量发挥了重要作用。空间机械臂机电一体化关节的设计与应用，能够进一步提高空间机械臂运行的效率和精准性，因此，应对机电一体化关节进行科学地设计并重视关节的控制方法的应用，确保空间机械臂各项功能的有效发挥，为促进我国航天事业的发展提供有利的支持。本文主要论述了空间机械臂机电一体化关节控制设计，为满足空间机械臂各项功能需求提供可靠的参考。

关键词：空间机械臂；机电一体化；关节控制；设计

我国对宇宙探索的不断深入，我国航空航天事业的发展水平不断提高，在空间站建设和运行维护工作中，空间机械臂是辅助开展各项工作的重要机械设备，为提升航天员的工作效率和保障人身安全都发挥了重要作用。机电一体化关节是机械臂精准执行操作指令的核心部件，能够有效提升空间机械臂执行操作命令的准确性。因此，需要对机电一体化关节进行科学的设计，使其能够更加精准地执行操作命令，提高空间机械臂运行的效率和可靠性。同时结合空间站开展工作的需求，应确保空间机械臂整体性能性指标达到操作要求，这就需要重视机电一体化关节的科学设计与研究，采用科学的关节控制方法，提高机械臂操作的精准性和运行可靠性。

一、空间机械臂和机电一体化关节概述

（一）空间机械臂简介

空间机械臂是空间站运行维护过程中使用的重要机械设备，其整体结构主要由多个系统和部件构成。在空间机械臂执行各项操作指令的过程中，应确保空间机械手臂和关节精准地连接到末端执行器系统中，这样才能保证空间机械臂精准高效地执行操作的指令。空间机械手装置在执行操作指令的过程中，是通过关节的旋转来完成多角度的操作。空间机械臂能够为空间站的各项工作开展提供可靠的帮助，对于建设和维护空间站提供了有效帮助。同时也减少了航天员的工作量，为开展空间作业提供了可靠的帮助，提升航天员工作的效率和质量。此外，空间机械臂能够在空间站的舱外开展各项操作，保障了航天员的作业安全，为我国航天事业的发展提供了有利的支持。

（二）机电一体化关节介绍

机电一体化关节是空间机械臂的核心结构。空间机械臂在执行各项操作指令的过程中，需要通过机电关节的多角度旋转和操作速度控制实现精准的运行操作。机电一体化关节在实际应用过程中的功能性较强，主要体现在以下方面：首先，机电一体化关节能够为空间机械臂的多角度旋转和位置控制提供驱动力。其次，根据操作指令要求，对空间机械手进行紧急停止操作。最后，机电一体化关节还能够有效保护空间机械手的整体结构，并且确保机械手操作达到精准度要求。此外，机电一体化关节的应用，能够实现空间机械臂与控制系统之间实现信息的相互沟通和交流，提高指令执行的效率和精准性。

二、空间机械臂的功能需求

空间机械臂作为空间站的重要设备，在机械臂设计过程中应满足以下使用功能需求。（1）具有较强的负载驱动功能。此种功能主要是机械臂的末端操作应具备一定的驱动及负载功能，能够精准执行操作指令；（2）机械限位和制动功能。此项功能能够促使机械臂在执行操作命令过程中能够安全减速和紧急制动，对机械臂的关节结构和运行周角起到良好的保护功能[1]。（3）信号传输功能。机械臂中央控制系统能够通过与关节连接的电缆进行充电，实现与中央控制器之间传输实时的命令信号，确保接收操作指令的实时性和精准性。（4）运行位置和力矩传感。此项功能的有效发挥能够确保空间机械臂在特定的空间范围内提升操作运行的精准性。（5）关节操作控制。机械臂关节能够精准定位运行位置并控制运行速度，根据中央控制器传输的操作指令，达到机械臂整体位置移动和速度控制要求。（6）安装及拆卸功能。空间机械臂操作运行期间，一些部件或者关节位置会出现损坏或者功能下降的情况，就需要航天工作人员能够根据关节结构设计特点，快速拆卸和安装关节，并且要保证安装完成后的关节臂杆与末端效应器实现高精度的连接，并确保刚度达到标准和要求，确保关节的使用功能不受影响。

三、空间机械臂机电一体化关节的设计

机电一体化关节的设计应遵循一定的设计思路和要求，确保机电一体化关节元器件在有限空间范围内实施科学布置，进而达到其使用的功能性要求。同时还确保关节设计的轻量化和小型化，能够在不同的环境下达到安全可靠性的操作要求。在机电一体化关节实际设计过程中，首先，接头具有驱动以及控制和信号采集的作用，同时还能够实现对指令信号的快速采集和通信功能。另外，在设计过程中还需要有效控制关节的重量和体积，达到小型化和轻量化设计的要求。在达到机电一体化关节功能性需求的同时，还应使其在执行指令操作过程中具有一定的安全性。由于空间机械臂使用的环境具有特殊性，应确保机电一体化关节在实际应用过程中对不同的环境条件具有较强的适应性，这样才能高效地完成不同的操作指令

[2]。其次，机电一体化关节设计应事先制定完善的设计方案，并做好调研工作，对整个结构中心孔走线和传感器安装位置以及壁间选型等方面进行详细掌握，保证这些部件设计与安装的科学合理性。最后，根据设计的性能参数和使用功能要求，对机械臂各个部件和系统的安装位置进行确定，并做好各个接口和接线的质量检验工作，确保零部件接口和部件尺寸符合系统安装要求，保证机电一体化关节内部结构设计达到其操作运行标准，有效发挥出电气控制系统以及关节的各项性能。

四、空间机械臂机电一体化关节控制设计

（一）机电一体化关节控制模式

机电一体化关节控制要想达到精准高效控制的目标，就需要充分利用中央控制器系统发出指令信号，并确保机械臂内部系统和结构部件，尤其是机电一体化关节能够严格按照指令要求完成各项运行操作。在操作环节中，关节控制能够根据指令要求，实现机械臂运行速度的控制，并且达到精准的定位目标，并通过系统内部安装的传感器设备精准获得关节运行速度以及位置运行信息。另外，关节运行速度控制设计时，需要重视机电接头控制和位置信息控制以及转矩控制等，关节控制系统控制作用的发挥需要利用电流和速度双闭环结构对电机环路的运行情况进行掌控，同时还需要对关节的扭矩和电流控制器的回路按照要求进行设定，然后再通过传感器传输的信息获得关节运行的时速数据，这些信息和数据的获取都是具有可靠来源的，并且具有准确性，在以后的系统设计过程中可以作为重要的参考[3]。

（二）机电一体化关节的控制方法

在机电一体化关节控制方法的研究与设计过程中，应掌握关节控制的重要部件是电动机和减速器，明确了这两个重要部件在关节操作过程中的重要性作用，才能提高关节设计的科学性。在机电一体化关节设计过程中，减速器和弹簧间存在等效关系，二者在系统运行过程中具有相互依存的关系。另外，为了实现关节的精准运行，还需要采用不同的控制方法，结合机械臂操作运行的功能性需求，对机电一体化关节的参数进行精准计算，并结合具体操作需求，对数据实施矢量计算，得到机电一体化关节设计的标准性参数，为关节的功能性设计提供可靠的参考依据。在机电接头运行控制环节中，应对接头的变化和负载情况进行分析，基于获得的分析数据，对荷载性能进行设计，进而实现提高负载稳定性的目的。其次，应考虑到机电一体化关节控制算法的多方面性，包括状态空间反馈和计算力矩前反馈以及PID控制加柔性补偿，关键应对PID控制加柔性补偿进行深入分析，使其能够有效地发挥优势和性能[4]。空间机械臂在应用期间应重视关节柔性设计，并操作过程中尽量减少急速操作导致的振动情况，根据机电一体化技术应用情况，对相关参数进行调整，从整体上提升PID控制水平，促使空间机械臂的灵活性提高，达到预期的操作和控制效果。

结束语：

空间机械臂是我国航空航天事业发展过程中研发出的一种新型设备，也是空间站建设和运行维护使用的重要装置，空间机械臂能够为航天员开展工作提供有效的帮助。机电一体化关节是机械臂重要的结构组成部分，为了有效提升机械臂的运行可靠性，达到操作精度要求，就需要对机电一体化关节进行科学的设计，使其能够具有良好的操作灵活性和准确性，满足空间机械臂多种运行操作需求，促进空间机械臂各项使用功能更好地发挥出来，促进我国航空航天事业的进一步发展。

参考文献：

[1]姜涛、胡作勇、赵天成、蔚增岩.空间机械臂遥操作力觉操控手柄的设计与分析[J].长春理工大学学报：自然科学版,2020,43(5):7.

[2]靳新.基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法[J].计算机测量与控制,2022,30(11):92-97.

[3]吴昊,谭元,郭小龙,等.一种基于模型预测控制的柔性关节空间机械臂的轨迹跟踪控制[J].空间控制技术与应用,2019,45(2):7.

[4]李德伦，朱超，张运，刘鑫，王康，谢宗武.空间站机械臂一体化关节设计与试验验证[J].载人航天,2022,28(5):666-674.