空间机械臂机电一体化关节控制设计探究

空间机械臂机电一体化关节控制设计探究

摘要：随着我国经济实力和科技水平的不断提升，我国的航天事业也得到了长

足的发展，空间机械臂是空间站的重要组成部分，是维护设备和组建空间站的关

键设备。机电一体化关节是空间机械手的关键组成部分，在空间机械手的应用中

发挥着重要作用。机电一体化接头的设计不仅影响空间机械手的控制精度，而且

影响空间机械手的整体性能。因此，要对机电一体化关节的控制和设计予以高度

的重视，以此来不断的提升空间机械臂的集成性和可靠性。本文阐述了空间机械

臂机电一体化关节的控制设计。

关键词：空间机械臂；机电一体化；关节控制；设计

引言：空间机械臂是空间站的重要组成部分，在航空領域中发挥着重要的作用。对于空间机械手，机电接头不仅可以促进稳定高效的操作，还可以提高其性能。因此，一定要对机电一体化关节的控制和设计予以高度的重视。

1.空间机械臂和机电一体化关节简介

太空机械手是空间站的重要组成部分，主要由结构系统，机构系统，地面控

制台，在轨控制系统，移动基座系统，末端执行器系统，关节驱动控制系统等组成。空间机械手的臂和关节的结构连接到末端执行器系统，并且空间机械手装置

需要依靠关节的旋转来完成相关的空间运动。空间机械臂在空间站中发挥着重要

的作用，不但可以为空间站的建设和维护提供强大的助力，还可以为航天员提供

相应的援助，以此来提升航天员的行动能力。另外，通过空间机械臂的应用，可

以很有效的减少航天员的出仓次数，不但降低了航天员的作业风险，也提升了航

天员在宇宙空间的安全性。机电一体化关节是空间机械手的重要组成部分。空间

机械手可以通过机电关节的速度，位置和力的闭环控制来完成多自由度旋转运动。机电一体化关节的功能性很强，第一，能够为空间机械臂提供操作的驱动力和负

载能力。其次，机电一体化关节可以实现空间机械手的紧急制动。第三，机电关

节还可以保护空间机械手的结构。第四，机电一体化关节可以有效地提高空间机

械手的工作精度。第五，通过机电一体化关节，空间机械臂能够和中央控制系统

实现信息的交互。空间机械臂的组成空间机械臂主要包括8个子系统：关节与驱

动控制结构、结构与机构、视觉、末端作业工具、移动基座、末端效应器、在轨

操作控制及地面遥控操作控制，图1所示为空间机械臂详细组成图。关节与驱动

控制结构中共有7个关节和驱动控制器，其分别布置在机械臂的腕部、肩部及肘部，关节和末端效应器是相互连接的，其中关节可以确保机械臂能够做三维空间

运动。图1.空间机械臂详细组成图：

2.空间机械臂机电一体化关节的设计

在设计机电一体化接头的过程中，首先要确保机电一体化接头具有传动，制动，驱动，驱动控制，温度信号采集，位置信号采集，速度信号采集和通信等功能。其次，要对机电一体化关节的重量和体积进行有效的控制。在满足机电一体

化关节功能需求的基础上尽可能的实现关节的小型化和轻量化。另外，由于宇宙

空间的环境较为特殊，机电一体化关节还应该具备较强的环境适应能力。在实际

的机电一体化关节设计过程中，首先，要根据实际的需求来制定出整体的设计方案。除了要重视前期的调研工作之外，还要科学合理的进行中心孔走线、传感器

和零部件选型以及冗余设计等工作。第二，按照实际的性能参数和功能要求来合

理的分配性能指标，同时对零部件的接口和尺寸进行详细的核对。第三，科学合

理的对机电一体化关节的内部结构和电气控制硬件进行设计[1]。

3.空间机械臂机电一体化关节的设计的控制

3.1机电一体化关节的控制模式

在空间机械臂机电一体化关节控制过程中，想要实现对机电一体化关节的控制，必须要通过中央控制器发出信号指令，并完成所有的操作。在操作过程中，

关节控制系统在机电一体化中发挥着重要的作用，而关节控制指的是控制系统的

速度、电流以及位置等，并应用传感器获取关节信息的准确时速。此外，在对关

节进行速度控制过程中，机电接头控制、位置控制、转矩控制和速度控制极为重要，关节控制系统使用电流、速度双闭环结构对机电环路进行有效的控制，并且

设定扭矩和电流控制器的回路，然后利用传感器得到关节时速等信息数据，而且

这些信息数据都是有依据的，并准确，值得今后在运用时得以借鉴。

3.2机电一体化关节的控制方法

在机电一体化中，关节控制的方法值得推荐，而关节控制的最重要的部件是

电动机和减速器，在机电一体化中发挥着重要的作用，而且减速器与弹簧之间存

在着等效的关系，两者相互依存。此外，为了更好地做好控制系统的工作，要针

对控制系统的实际情况采取不同的控制方法，对机电一体化的参数进行计算，并

针对控制系统的关键环节建立相应的力学模型，对后续矢量进行准确的计算，得

到准确的数据。在机电接头的运动控制过程中，首先，要针对接头的实际情况，

对接头的变化以及负载详细的记录，而数据的准确性主要依靠负载的稳定。其次，机电一体化关节的控制算法包括多方面的[2]，主要包括：状态空间反馈、PID控

制加柔性补偿以及计算力矩前馈，其中最主要的是PID控制加柔性补偿，其应用

范围较为广泛，得到了人们的青睐。所以，在使用过程中，一定要重视关节柔性

的影响，降低关节振动的次数，并根据机电一体化工作的经验，进行参数设置，

经过多年来的发展，PID控制技术得到了很好的应用，不但具有一定的灵活性，

而且控制效果较好，值得推广。

3.3位置控制模式

对位置控制模式进行说明，在位置控制模式下关节控制系统会接收来自中央

控制器传送的位置命令，之后借助位置，电流以及速度三闭环结构实现三者环路

设置的要求，使用传感器对关节转动速度，末端所处位置以及电机等效电流进行

收集和计算。其三，对力矩控制模式进行说明。此种模式属于备份模式之一，关

节控制系统在成功接收中央控制器的命令后借助电流及力矩双闭环结构达到两者

环路设计的目的，相关数据信息收集同上[3]。

结论

简而言之，在空间站中，空间机械手是非常重要的装置，是空间站工作中不

可或缺的装置之一。因此，空间机械手的机械接头的设计和控制尤为重要。在实

际应用中，为了使空间机械手发挥更大的作用，有必要对机电一体化接头的设计

和控制进行详细分析，以满足其实际应用的需要。

参考文献

[1]李冲.空间机械臂机电一体化关节的设计与控制分析[J].军民两用技术与产品，2018（20）：88-88.

[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，2019（11）：166-166.