航天工业的发展水平代表人类科学技术发展的最高水平，象征着一个国家的科技水平和综合国力。为推动航天工业的发展并缩小与航天强国的差距，《“十四五”规划》等政策明确指出，“航天装备”是我国的重点发展方向，可见航天工业对于国家战略布局具有重要意义。装配是航天装备生产中重要的环节，装配的质量和效率将直接影响航天装备生产的质量和效率。航天装备尺度大、重量大、对接触力敏感，在机器人装配任务中微小的装配误差可能会引起巨大的接触力，从而破坏航天装备接触面的质量和特殊涂层，并影响航天装备的在轨服役寿命。为控制航天装备的装配接触力，现提出一种自适应柔顺控制方法，通过仿真及实验验证方法的有效性，有望在航天装备的机器人装配任务中取得应用，推动我国航天工业的飞速发展。

研究方法

在航天器部件装配的过程中，无法通过试装的方式获取准确的接触位置和接触刚度，因此柔顺控制的目标位置和控制参数仅能分别根据位置测量系统的测量结果和经验值来预设。柔顺控制的目标位置和接触刚度直接影响装配完成时的残余接触力，预设的目标位置和接触刚度将导致装配完成时的残余接触力不可控。

为解决该问题，本团队在经典的导纳控制的基础上，提出了一种自适应柔顺控制方法。通过在装配过程中机器人的实际接触位置和实时接触力，动态调整导纳控制的期望位姿和刚度矩阵，使得两装配体之间的残余接触力能收敛到预设值附近。自适应柔顺控制的控制框图如图1所示。这种控制方法在装配前无需精准的控制参数、可根据装配系统的状态自动调整控制参数、能使得残余接触力收敛到预设值附近、能快速适应不同的装配任务。

图1 自适应柔顺控制的控制框图

成果简介

力矩陀螺是典型的航天器部件，其被安装在空间站上以控制空间站的在轨姿态。在力矩陀螺装配任务中，需要通过机器人将力矩陀螺安装到空间站的安装基底上。针对力矩陀螺装配任务，本团队开发了如图2所示的力矩陀螺装配样机。该样机由6-DOF机器人、F/T传感器、力矩陀螺、四个完全相同的测量模组组成的测量系统和安装基底等组成。

图2 力矩陀螺装配样机

在实际的装配任务中，首先，根据本团队前期研究成果，利用测量系统测量力矩陀螺和安装基底装配特征的空间相对位姿；其次，利用位置控制以驱动机器人运动，使得两航天装备相互靠近；最后，利用自适应柔顺控制方法控制两航天装备装配过程的接触力，并完成装配任务。力矩陀螺装配流程如图3所示。

图3 力矩陀螺装配流程

在推导自适应柔顺控制的控制方程之后，本团队利用仿真及实验的方式验证了方法的可行性。其中，本团队分别利用自适应柔顺控制、导纳控制和位置控制完成了力矩陀螺装配实验。在装配过程中，力矩陀螺在z、α和β三个方向会受到接触力或接触力矩。上述三个方向在实验中的位移曲线和所受到的接触力曲线如图4所示。

图4 力矩陀螺在z、α和β三个方向的位移曲线和所受接触力曲线

通过分析实验结果，可得到如下结论：

（1）与位置控制和导纳控制相比，自适应柔顺控制的收敛速度快、残余接触力小；

（2） 本文提出的自适应柔顺控制方法能控制力矩陀螺自动收敛到实际接触位姿附近；

（3） 该方法能使得两装配体保持一定的接触力，以确保两个航天装备的接触面处于接触状态。

针对航天器部件因装配误差引起的接触力会影响其服役寿命的问题，本文提出了一种新颖的柔顺控制方法。通过根据装配过程中的接触力信息和装配系统的状态信息，自动地调整柔顺控制的目标位置和控制参数，使得控制系统能够快速地收敛至实际接触位置附近，避免了过大的接触力破坏接触面的表面质量和涂层。

作者简介

李铁民，清华大学，长聘副教授，研究领域：机器人学、并联运动机器、数控机床的精度保证技术和基于智能结构的机器人技术。已发表论文150余篇，被SCI收录60余篇；获授权国家发明专利40余项；主持国家级课题5项。

文章信息

陈书清,李铁民.基于自适应柔顺控制的航天器部件装配[J/OL].清华大学学报(自然科学版):1-12[2023-05-04].https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.014.