面向空间太阳能电站在轨装配的爬行机器人关键技术①

0 引言

世界经济迅速发展，对能源的需求量越来越大。过度开采与使用矿物燃料造成地球环境恶化，人类急需寻找新型可再生能源。空间太阳能具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、洁净、无污染等优点[1-2]，致使空间太阳能发电备受世界各国关注。任何航天运载工具的运载能力都是有限的，空间重型或大型结构只能在太空中实施在轨装配。按照有无人的直接参与，在轨组装大体可分为“有人在轨组装”和“无人在轨组装”2 种类型[3]。有人在轨组装只适用于轨道环境安全、工作强度适中、价格昂贵的在轨组装任务，难以实现普及。无人在轨组装借助空间机器人、机械臂等，通过地面遥控或自主进行操作，也可是航天器直接利用自主交会对接完成在轨组装任务的方式[4]。对于大型空间太阳能电站，需要几年的在轨组装、并将提供几十年的保养维护，在此期间，电站可能很少或根本没有人在轨道上的支持，同时面临着辐射、高压、微波等恶劣环境影响[5]。因此，必须采用空间机器人、机械臂等无人在轨组装技术。

本文研究了针对太阳能电站桁架和薄膜结构的在轨组装的爬行机器人，对机器人在桁架结构和薄膜结构上的爬行过程进行仿真研究，验证了利用爬行机器人系统实现薄膜-桁架模块在轨操作与组装的方案可行性。验证了空间爬行机器人实现一种新型的空间载荷操控方式，通过机器人在目标航天器表面粘附爬行，实现了高灵活性和可达性，并降低了操作风险。机器人成本低、体积小、重量轻、便于主动执行航天器多个任务，非常适合进行空间非合作目标的在轨操控任务。对空间爬行机器人进行研究，将对国内空间在轨操控任务提供有力支持，为国内空间活动提供有力保障，具有重要的研究价值和现实意义。

试验地位于贵州省思南县塘头镇机场坝，地处108°11′470″E，27°44′551″N，海拔398米，年降雨量1 140毫米，年蒸发量750毫米，年均温度17.5摄氏度，有效积温5 300摄氏度，无霜期290天。土壤类型为沙壤潮泥，肥力中等，排灌方便。土壤肥力，全氮1.261克/公斤,有效氮58.078毫克/公斤,有效磷47.083毫克/公斤，有效钾96.698毫克/公斤，酸碱度6.41，有机质21.087克/公斤，有效硼0.622毫克/公斤。

3.1.3 “农业+民俗文化”：文化创意带动产业的相互融合与促进 在现代农业产业规划中，以当地的传统文化、风俗习惯及区域特色为切入点，进一步把握其文化的深层次含义，通过合理策划来为农业生产及展示等活动注入更多活力，充分体现其文化性与地域性。基于现有的农业产业链及三大产业的共同发展，重点发展乡村文化，实现文明创新，有机结合农村产业与乡村旅游、区域文化[6]。通过多元化的产业文化和一目了然的体验形式来深化游客对文化的理解与体会。

1 爬行机器人功能

空间太阳能电站作为一个超大型的航天结构，多采用高度模块化设计思路，各分系统无论从尺度还是规模上都远超目前的空间结构系统。组装子模块尺寸大，装配时间需要数年，为此设计了爬行机器人应实现模块运输、装配定位、检测与维护三大功能。

1.1 模块运输功能

在笛卡尔坐标系中，坐标系中的任意质点的位置都可用一个3×1的位置矢量来表示该质点到坐标原点的位置关系。

不适当用药的严重危害是造成老年人住院甚至死亡的重要因素，因此，老年患者的潜在不适当用药逐渐引起各国广泛的关注和探讨[5]。

  

图1 模块运输工作示意图

 

Fig.1 Module transport work diagram

1.2 装配与定位功能

在进行模块与模块的对接时，需要首先获得航天器的全面运行信息与环境参数，这就要求用于对目标航天器进行观察、监视和诊断的测量系统，能够在一定距离范围内以预定精度对目标航天器的预定部位进行信息获取，如拍照、扫描检测等[9]。可由爬行机器人携带测量系统，采集信息进行对接与装配。同时，若自动捕获装配失误时，能够操作机器人进行机械操作，提高航天器工作的稳定性。其工作示意图如图2所示。

民间社会组织作为传递儿童福利的重要载体，弥补政府在弱势儿童福利服务中的某些空白，是中国儿童福利制度中必不可少的组成部分，特别是像孤儿这样的弱势儿童的综合服务需求强烈，民间组织是极其重要的服务力量。但是目前由于我国民间组织相关政策法规体系、行政管理体系、评估监控体系都没有完整地建立起来，儿童福利政策缺失、儿童行政管理体制缺乏协调等原因，使得孤儿救助类民间组织的发展依然处于困境当中。

  

图2 装配与定位工作示意图

 

Fig.2 Assembly and positioning work diagram

1.3 检测与维护功能

SSPS 作为超大型空间结构，面临着大空间尺度装配和超长装配时间的问题，更意味着存在质心变化、子模块偏移、冲击振动变形一系列问题，当预先设置的程序无法处理紧急情况的时候，需要爬行机器人实现航天结构的姿态调整、连接处的结构加固、损坏薄膜的修复任务[10]。同时，太阳能电池板必须保持干净清洁，否则会导致太阳能电池板的光电转化率下降，蓄电池储电量不够[11]。其工作示意图如图3所示。

  

图3 检测与维护工作示意图

 

Fig.3 Inspection and maintenance work diagram

2 机器人工作过程设计与分析

图4给出了空间爬行机器人站立腿的站立示意图。图4中，Ai 代表站立腿的立足点；Bi代表机器人机体臀关节的连接点；li(j=1，2，…5)代表第j个连杆的长度，其中l1、l2和l3属于平面连杆机构；φi、φi和χi代表驱动关节的位置(角度)，而εi、δi和θi代表被动关节的位置；∑o(O-XYZ)代表固定在地面上的参考坐标系，而∑Bi(Bi-XYZ)代表固定在臀关节Bi上并使旋转轴线和Z轴重合的相对坐标系，opAi和opBi为Ai和Bi在参考坐标系∑o中的位置矢量。腿关节模型化为互相正交的旋转关节εi、δi和θi，以及两个连杆l4和l5，一般而言，两者的长度为0。

转子磁链矢量Ψr随转子以电角速度ω=pΩ转动，定子磁链矢量Ψs在极短的瞬间△t内所发生的变化，致使其瞬间旋转速度略大于或小于转子磁链矢量Ψr的转速，从而引起定、转子磁链矢量之间的交角δsr产生甚微的增量△δsr，(在极短的瞬间△t内，可认为转子转速因惯性而维持原值不会改变)。鉴于△δsr可有正、负及零等不同增量，所以在不同△t内可对△δsr不断地进行调整，式(2)表明电磁转矩T于是得以调控。

在笛卡尔坐标系中，表示空间中刚体B在坐标系{A}中的方位，通常假设该刚体B固定连接一个笛卡尔坐标系{B}，刚体B在坐标系{A}中的方位就可转化为坐标系{B}在坐标系{A}中的方位，通常用坐标系{B}的单位主矢量{AxB，AyB，AzB}相对于坐标系{A}中的方向余弦来表示刚体B在坐标系{A}中的方位：

2.1 机器人运动计算

相比于传统仿生机器人，本文的爬行机器人具有两方面的改进地方。首先，机器人腿部，采用欠驱动方式来减轻机器人整体重量，使结构更加紧凑，降低成本，同时提高它的运动灵活性。另外，在机器人腿足端双侧加工出仿壁虎刚毛，以便在作业时除机械锁紧外，增加对攀爬对象的刚毛粘附力作用，提高稳定性。

  

图4 站立腿示意图

 

Fig.4 Standing leg diagram

为构建适用于空间的大型太阳能电站，美国卡内基梅隆大学的机器人实验室与NASA合作，开发了名为 Skyworker 的在轨机器人系统[6]。它具有一定自主移动以及自主移动载荷的能力，其覆盖范围达到数千米，载重量达到吨级整个系统的质量为10 000～12 000 t，它是第一代轨道组装、检测和维护并附带移动的机器人[7]。分析表明，机器人的大部分时间都用于执行运输任务，预计为爬行机器人配置的有效载荷用于运输和操纵从千克级到数吨质量的子模块，有效载荷运输半径将达到半公里[8]。然而，在太空的失重环境下，爬行机器人只需提供很小的有效载荷。借鉴上述分析，本文所涉及的薄膜在轨运输与组装功能，可通过牵引和推动的方式实现，动力采用喷射气体实现反推进，质量较轻的薄膜结构，通过足部刚毛的粘附力来拉动薄膜。其工作示意图如图1所示。

“凡有血气，皆有争心”暗示“争”是伴随血气之生而来的一种本能冲动，是“六志”不得协调的结果。而“六志”经由礼乐文化的疏导和满足才可能达致协调，当“变法”活动成为春秋后期的一股潮流之时，叔向、蔡史墨及仲尼这样一些深谙礼乐精神的贤人已经指出，那些改变礼乐传统所塑造的社会形态的改革活动，将不可避免地导向“锥刀之末，将尽争之”的乱境。礼与争的对立关系，或许在“受天地之中以生”的人群中有其根源。这一认识构成了荀子礼论的重要基础。

 

(1)

其中，AP中的A代表坐标系{A}，P 代表坐标系中的质点，Px、Py、Pz分别表示点p在坐标系{A}中三个坐标分量。

机器人的步行腿由一个平面连杆机构、臀关节机构和足及其足关节组成，足关节是球绞，有三个转动自由度。因此，整条腿有六个自由度，当足与地面接触时，该腿定义为站立腿，并假设足与地面的接触点在腿移开前是不变的，随着足的移开，腿处于摆动状态，则该腿定义为摆动腿。爬行过程采用三角连续步态，在尽量减少施加在结构上的力的同时，最大限度地提高运输的速度和效率。机器人的运动方式分为在桁架结构上的爬杆和在薄膜结构的爬行两种，交替使用实现模块运输、装配定位、检测与维护三大功能。

 

(2)

旋转矩阵为3×3的正交阵。

为完全描述刚体B相对于坐标系{A}的位姿，通常用3×1的列向量表示该刚体固结坐标系{B}原点相对于坐标系{A}的位置矢量，用一个3×3的矩阵表示该刚体固结坐标系{B}相对坐标系{A}姿态的旋转矩阵。完整的位姿矩阵是将位置向量和旋转位姿矩阵相结合构成一个4×4的齐次变换矩阵：

 

(3)

齐次变换矩阵可完整描述刚体坐标系{B}在机器人坐标系{A}中的位姿，通过齐次变换矩阵可实现任意两坐标系之间的位姿变换，齐次变换也可由平动齐次变换和旋转齐次变换导出。

 

(4)

其中，I3×3为3×3阶单位矩阵。

对于图4所示的站立腿，如果初始∑Bi与∑o重合，然后从Ai到Bi进行平移和旋转变换，通过以下齐次变换，可得到∑Bi最后的姿态

TBi= trans(oxAi，oyAi，ozAi)rot(z，θi)trans(0，0，I5)

×trans(I4，0，0)rot(y，εi)trans(0，0，I3)

×rot(y，χi)trans(0，0，I2)rot(y，φi)trans(0，0，I1)

 

(5)

其中，(oxAi，oyAi，ozAi)为Ai在∑o中的位置坐标。展开方程，可得

 

(6)

其中

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oxBi=oxAi+l4cosθi+l3cosθisinδi+l3sinθisinδicosεi+l2cosθisin(εi+χi)

+l2sinθisinδicos(εi+χi)+l1cosθisin(εi+χi+φi)+l1sinθisinδicos(εi+χi+φi)

oyBi=oyAi+l4sinθi+l3sinθisinεi-l3cosθisinδicosεi+l2sinθisin(εi+χi)

-l2cosθisinδicos(εi+χi)+l1sinθisin(εi+χi+φi)-l1cosθisinδicos(εi+χi+φi)

ozBi=ozAi+l5+l3cosδicosεi+l2cosθicos(εi+χi)+l1cosδicos(εi+χi+φi)

2.2 桁架攀爬功能

当通过高度较低的桁架时，可通过提高主体高度来实现越障，当机器人发生图8所示的转换时，臀关节向上转动相同角度，会使腿足抬离地面更高的距离，实现翻越爬行。

当抱抓对象为圆形截面杆时，机器人左右对称的两条臂成合拢姿态将圆杆包络，此时机器人臂和圆杆的接触均为点接触，臂内侧的刚毛微阵列的对圆杆的粘附作用较小，可起辅助作用。因此，抱抓锁紧主要靠的是机器人腿足的几何形状的锁死。

当抱抓对象为矩形截面杆时，若截面面积较小以至于机器人腿部的小臂可与机器人相对的第四条边完全接触，从而实现对物体的几何形状的锁死。另外，小臂内侧与第四条边贴合，依靠刚毛微阵列的粘附作用，实现抱紧不致松动和脱落；若截面面积较大，机器人臂的三节连杆无法实现对物体的半包围或半周长以上的围挡，即机器人臂无法接触方杆的第四条边，如图5所示。这种情况下机器人的大臂和中臂与物体为点接触，而小臂与物体左右两边紧密贴合，内侧的刚毛微阵列依靠粘附作用，实现对物体的锁紧。图6为机器人爬杆时的三维模型。

结合城市总体规划及各区绿色建筑重点发展潜力分布图，明确广州各区绿色建筑空间分布潜力高的区域。以黄埔区为例，黄埔区“十三五”期间需累计完成新建绿色建筑总面积为1310万m2，占全市绿色建筑发展目标比重为16%，其中二星及以上绿色建筑总面积为200万m2。主要集中分布于黄埔临港经济区、广州开发区、中新广州知识城（图8）。

2.3 薄膜爬行功能

若机器人需通过较高的桁架无法用高低姿态转换实现越障，或者需要由攀爬姿态转换为爬行姿态时，由于在太空环境机器人处于失重环境，本文提出一种翻转方式。首先，右侧机器人臂重心下降保持稳定，右侧机器人臂与主体保持不动，左侧机器人臂绕臀关节向上旋转180°；下一步右侧机器人臂保持不动，主体与左侧臂绕左侧臀关节旋转180°，实现翻转，最后进行姿态微调。此种转换方式同样适用于爬行姿态向攀爬姿态的转化。图9为爬杆到爬行的姿态调整。

  

图5 圆形与矩形截面杆的抱抓动作

 

Fig.5 Round and rectangular cross-section bar gripping action

  

图6 机器人爬杆三维模型示意图

 

Fig.6 Three-dimensional model diagram of robot climbing rod

  

图7 机器人爬行步态示意图

 

Fig.7 Robot crawling gait diagram

桁架攀爬最主要的动作是抱抓动作，它是保证机器人具有爬行功能的基础。机器人的抱抓对象主要分以下两种情况。

抓制度完善。坚持问题导向，督促各单位针对工程项目、公务接待、选人用人等重点问题，结合巡察、审计意见建议，加强制度建设，增强制度的针对性、可操作性，新制定制度6项，修善制度15项，将制度的笼子扎紧、扎实。

  

图8 高低姿态转换示意图

 

Fig.8 High and low posture conversion diagram

2.4 桁架攀爬到薄膜爬行的姿态调整

机器人正常爬行步态与传统六足仿生机器人相同，所谓机器人的运动步态，是指机器人的每条腿，按照一定的顺序、移动规律和轨迹所进行的运动过程，简单来说就是机器人系统在爬行过程中，抬腿和放腿的顺序规划。分析六足纲昆虫爬行过程的运动机理，它们均采用三角步态[12]，图7所示为机器人爬行步态示意图。

  

图9 机器人从爬杆到爬行转换示意图

 

Fig.9 Schematic diagram of robot’s transition from climbing pole to crawling

3 机器人爬行过程动力学仿真

3.1 桁架爬行过程仿真分析

通过动力学分析软件Adams和离散元分析软件EDEM的耦合，对机器人在桁架上攀爬和在薄膜上爬行进行仿真分析。由于在EDEM中无法建立几何体之间的运动关系，所以将机器人模型导入动力学分析软件Adams中，对应各个关节设置旋转副[13]。针对不同的仿真过程，设置不同的驱动，利用step函数确定机器人腿臂动作的先后顺序。在法向脱附中，臀关节不能转动，依靠踝关节的转动来可实现机器人小臂对板的垂直脱附。在切向脱附中，各关节中设置臀关节是唯一转动，保证小臂对板的切向移动。耦合过程中，将两软件中的板、机器人参与仿真的腿臂进行匹配，其余几何体不需参与耦合，以便数据传递。之后，设置Adams和EDEM中的时间步长及仿真总时间，各自时间步长要成整数倍关系。最后，进行耦合仿真。图10为机器人在桁架攀爬的仿真示意图。

  

图10 桁架攀爬仿真示意图

 

Fig.10 Truss climbing simulation diagram

3.2 薄膜爬行过程仿真分析

在爬杆运动的基础上，通过选用Hertz-Mindlin with Bonding接触模型来粘结颗粒来形成薄膜，它采用一个有限大小的“粘结剂”粘接。Hertz-Mindlin with Bonding接触模型的具体仿真参数包括五项：单位面积法向刚度、单位面积切向刚度、临界法向应力、临界切向应力以及粘接圆面半径。经过参数匹配后，对相应参数进行设定，具体设定值如表1所示。

 

表1 Bonding模型设定值-堆积粘结方式

 

Table 1 Bonding model parameter setting

  

参数量设定值开始时间/s0粘结作用颗粒类型10 mm颗粒之间单位面积法向刚度/(N/m2)2×108单位面积切向刚度/(N/m2)2×108临界法向应力/Pa1×10100临界切向应力/Pa1×10100粘结圆面半径/mm10

其中，粘接圆面半径可理解为，颗粒与颗粒之间的粘接是通过一个类圆柱体实现粘接，如图11所示。粘接圆面半径即为该圆柱的半径，因此一般粘接半径不超过两接触颗粒中最小的半径。而粘接圆面半径的值也会用于颗粒间粘接力的计算。其他参数一致的情况下，不同的粘接圆面半径值会得到不同的粘接效果。因此，为保证模型的一致性，在所有微阵列仿真模型中，此项参数值均设置为与小颗粒的半径值相等，即10 mm。

  

图11 颗粒与颗粒间Bonding模型粘接图

 

Fig.11 Bonding model between particles

这个粘接能够承受切向和法向位移，直到达到最大的法向和切向剪切应力而断裂，同时采用远程bonding方法，完成薄膜的建模[14]。图12为机器人在薄膜上爬行的示意图，下方黄色颗粒是颗粒粘接的薄膜，仿真模拟了机器人一条腿足的向前运动，以及对薄膜的接触作用。

中华古诗词弥漫着醉人的芬芳，诗词教学也芳香四溢，教学时应该抓住诗词中的重点词、写得传神的词反复咀嚼消化，抓住诗词中的诗眼。多种方式引领学生有感情地朗诵，通过师范读、齐读、个人读等方式把握文章的整体大意。接触作者的心灵，让学生通过了解作者来领会文意，教师应该重视学生对诗词的独特感受，应该做学生朗诵的组织者、合作者和指导者，让学生读出文章的意境。

  

图12 机器人薄膜爬行仿真示意图

 

Fig.12 Robot film crawl simulation diagram

针对攀爬桁架和薄膜爬行的情况，同时建立了机器人臂上刚毛与杆表面的离散元仿真模型。在Adams中的腿臂抱紧和抬起过程与EDEM中腿臂上刚毛粘附与脱附杆表面是一一对应的。图13为在EDEM中刚毛对杆表面的粘附脱附过程。

由于计算量巨大，若仿真时间过短很难看出粘附过程的变化，只可看到图13(b)的刚毛已经脱离了表面。同时，在EDEM软件的后处理模块中生成接触表面的受力散点图。图14为机器人腿臂内侧刚毛对攀爬对象的法向和切向脱附力变化过程。

  

(a)紧贴下方面板上 (b)脱附下方面板

 

图13 刚毛对杆表面的粘附脱附过程

 

Fig.13 Brine adhesion to the rod surface desorption process

  

(a)法向脱附力变化 (b)切向脱附力变化

 

图14 机器人腿臂内侧刚毛对攀爬对象的脱附力

 

Fig.14 Detachment of bristles on climbing objects by the medial side of the robot leg

由图14(a)可知，随着脱附过程的进行，板所受的法向粘附力随时间增加而增大，当到达某一时刻时到达峰值，接着粘附力开始逐渐减小，直至完全离开接触表面，这是因为脱附过程中刚毛压缩变形不同，以至于产生了脱开表面的先后次序，变形最大的最后脱附。由图14(b)结合仿真过程可知，随着水平脱附的进行，切向力逐渐增大，同样是到达某一时刻时到达峰值；随后，所有刚毛脱开表面，使得粘附力迅速下降，直至完全离开接触表面。

4 结论

空间太阳能电站前景巨大，在轨组装在其中发挥着越来越重要的作用。本文针对在轨组装的问题，提出一种解决问题的概念，设计一种由操作工具搭载平台、压电驱动式多关节腿、微结构修饰附着足组成的爬行机器人模型，用于实现模块运输、装配定位、检测与维护三大功能。提出机器人在桁架攀爬和在薄膜爬行的两种运动方式和姿态的调节，建立了太阳能薄膜、桁架结构、爬行机器人的模型，应用Adams和EDEM耦合进行了桁架攀爬与薄膜运动的仿真，验证了运动方案的可行性，又对刚毛的脱附过程进行初步分析，进一步为空间太阳能电站在轨装配任务提供技术储备。

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