在太空作业环境下，在轨组装是一个重要的领域，其中空间站中的机械臂需要在复杂的组装过程中频繁、直接地与物体交互。但传统机械手控制，在适应多样化的装配任务方面存在局限性，并且容易受到振动的影响，导致装配失败。

针对这一问题，近日，北京理工大学的研究人员提出了一种基于人臂可变阻尼特性的类人可变导纳控制方法。该方法可以有效提高机器人空间装配的安全性、鲁棒性和适应性。该团队研究成果已于2023年9月发表在《影响因子》期刊上。

太空中的“大力神臂”

2021年7月4日，中国航天员刘伯明、汤洪波顺利出舱，雄伟有力的空间站核心舱机械臂首次托举航天员到指定位置圆满完成出舱操作，首次检验了航天员与机械臂协同工作的能力及出舱活动相关支持设备的可靠性与安全性，为空间站后续出舱活动的顺利实施奠定了重要基础。

空间站核心舱机械臂是我国首个可长期在太空轨道运行的机械臂，它由两根臂杆组成，对应着人体的大臂和小臂。两根臂杆的展开长度可达10.2米，可实现联合动作或单根臂杆的独立工作。其肩部设置了三个关节、肘部设置了一个关节，腕部设置了三个关节，一共七关节，每个关节对应一个自由度。

所谓“七自由度”，就是说它能像人的手臂一样，具有七自由度的活动能力，通过旋转结构，能够实现自身前后左右任意角度与位置的抓取和操作，为航天员顺利出舱“一展身手”提供强有力的保证。

由于核心舱机械臂采用了“肩3+肘1+腕3”的配置方案，肩部关节与腕部关节配置完全相同，两端的活动功能一致；同时，机械臂的肩部与腕部各有一个末端执行器，通过末端执行器与舱体表面的目标适配器进行对接。而在空间站三大舱段外表面均配置了大量的适配器，机械臂通过与其对接和分离，同时配合各关节的联合运动，就能实现在空间站舱体表面自主爬行功能，能自行选择合适的转位基座实现舱外爬行，实现自我移位和安装。

为实现整个机械臂的平稳运行和精确定位，它便化身为一个高智能机器人，它具有明亮的眼睛——视觉系统，具有头部和尾部——两个末端执行器，具有触觉神经——末端执行器上面的多个传感器，它们对各位置的信息交互起到连接和转发的功能，对于机械臂关节和末端的灵活性和精准度起到着至关重要的作用；而机械臂智慧的大脑——中央控制器，则作为机械臂管理系统的控制和通信枢纽，负责接收地面飞控人员的各种指令，迅速制定动作方案，进而控制机械臂精准地完成各种动作。

得能应对复杂空间环境

除了功能强大之外，研制人员还充分考虑了机械臂的运行环境，在安全防护方面也做足了功课。

大家常说的重力、温度、宇宙射线，单粒子的影响，包括在控制器选型上都会考虑这些因素，所以都有一些防护，包括这些外壳。本身设计的时候都考虑了空间站以外的其他碎片，防撞击的性能也都做过一些相关试验。即使真出现了恶劣情况，应该也不会对本身功能造成影响。

目前正在飞行的空间站组合体，仅核心舱的长度就有16.6米，而机械臂展开后长度只有10.2米，那么，超过机械臂长度的地方如果需要安装或维修设备，又该如何作业呢？按计划，明年还将会有两个实验舱与核心舱对接，形成一个更大的、“T”字构型的空间站，如何保证机械臂的工作范围能覆盖整个空间站？为此，研制人员设计了让机械臂在舱外爬行的“神操作”。

单纯依靠机械臂自身的长度，是无论如何也不可能照顾到空间站的各个位置的，于是，研制人员为机械臂设计了一个独特的功能。通过机械臂两端的末端执行器与空间站表面的适配器相连接，机械臂在可以空间站上“爬行”，从而使机械臂的工作范围完全覆盖整个空间站。

空间站机械臂控制系统主任设计师梁常春表示：咱们国家空间站是将来要建成“T”字构型，我们机械臂是要面向整个15年的运营，要去不同的位置进行一些辅助作业，所以机械臂要覆盖整个舱段。尽量把机械臂的位置扩展一下，我们就想通过一种既灵活又经济简便的方式来实现整个空间站的覆盖，所以就设计了爬行的方式。

通过“爬行”，机械臂的工作范围可以覆盖整个空间站，这就为未来的众多任务提供了保障。在后续任务中，机械臂还将承担舱段转位、悬停飞行器捕获和辅助对接、舱外货物搬运、空间环境试验平台照料等重要任务。

机械臂装配取得新进展

机器人装配是一个重要的研究领域，近年来取得了重要进展。合规控制已成为使机器人执行复杂装配任务的主要方法。然而，柔顺控制对机械手的接触性能提出了很高的要求，使得达到所需的精度和适应性水平具有挑战性。   针对这些挑战，研究人员提出了各种柔顺控制方法，包括阻尼控制、刚度控制、力/位置混合控制和模糊自适应控制算法。这些算法旨在提高机器人执行装配任务时的适应性和效率，特别是在未知环境中。

装配任务经常涉及操纵器和正在装配的物体之间的接触。为了防止过大的接触力损坏物体，需要阻尼来耗散能量并抑制振动。阻尼越大的物体在外力作用下消耗能量的速度越快。人体手臂的肌肉骨骼系统可以灵活调节阻尼，安全稳定地执行各种任务。

为了收集接触力和速度等参数，团队建立了一个动态数据采集平台来捕捉人体手臂运动。该系统的主要组件包括运动捕捉子系统和接触力测量子系统。ATIomega1606D力传感器用于收集人手与装配部件之间的接触力数据，而人臂的最终速度数据则使用StereolabsZEDmini运动捕捉系统获得。“为了更准确地了解人体手臂的运动特性，我们使用高性能设备对获得的数据进行测量和分析。”北京工业大学研究员肖黄说。

为了让机器人更好地完成装配任务，研究人员通过分析人手臂在装配过程中的运动数据，总结出人类的动态特性，并将这一特性应用到机器人上。此外，由于卫星组装任务多样、接触模式复杂，研究团队分析了卫星组装过程中的各种场景，总结出卫星组装的三种接触模式。

北京工业大学研究员曹晓雷表示：“这可以帮助我们更好地模拟机器人卫星组装的接触，并更准确地控制机器人的安全组装。”针对该研究，团队通过地面实验平台进行了空间卫星组装模拟验证。他们的机器人平台能够测量机械臂末端X、Y和Z方向的力和扭矩。他们将类人变参数导纳控制器应用到机器人卫星组装实验中，成功验证了类人变参数导纳控制器的有效性。

类人控制策略可以提高机器人执行空间组装和维护任务的适应性、精度和可控性。然而，要使机器人能够完成与真人相媲美的灵活装配任务，还需要进一步的研究。还需要能够承受恶劣太空环境的耐用且可靠的机器人。北京工业大学教授姜志宏表示：“人形控制策略的进步可能对未来太空探索和开发产生重要影响，进一步提高任务效率、安全性和可靠性。”

文章来源： 机器人大讲堂，光明网，央视新闻客户端