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1、2010年7月6-9日,中国，济南《世界智能控制和自动化第八次大会》 太空机械臂关节一体化设计YuHe,JunJiang,ZhihongJiang,HuiLiandQiangHuang中国北京,北京理工大学电机工程学院,中国北京,中国空间技术研究院,he_yu1101@yahoo.com.cn摘要-太空机械臂技术发展迅速并被广泛应用于太空探索的任务中。太空关节设计是太空机械臂的关键技术之一。通过设计电机、控制模块驱动模块测量模块和恒温模块作为一个整体，实现体积小重量轻快速反应的特点。本文展示了一种可以实现双冗余检测的同时也可以通过差异
2、原则提高位置检测精度和抗干扰能力的的电机转子和关节位置。此外,等温设计采取联合热控制。最后,实验数据显示证明关节具有满足太空机械臂要求的良好性能。索引词-太空机械臂;一体化关节;热控制。1.前言太空机械臂是由关节和连杆机构组成的。关节是太空机械臂执行机构它的主要功能是输出给定的位置、速度和力矩。太空机械臂的关节通常是由机械结构、传动机构和驱动元件组成。为了控制位置、速度和力矩，关节必须有传感器,信号采样电路、控制电路和驱动电路。此外,在太空环境下，太空机械臂的关节应该有热控制的部分。因此,太空机械臂是一个集采集机构、传感器、控制器和热控
3、制器于一体的机电系统[1].目前,太空机械臂关节存在的主要问题如下：1)由于关节内部低的集成度造成的大体积、重量和低精度。目前,太空机械臂的传动部分、驱动部分和传感器通常都使用独立的组件。每个组件都有独立的壳包和安装表面,所以关节的集成度很低。依据关节的机制,一些组件的壳包和安装表面是没必要的。此外,这些都增加了关节的体积和重量,降低了关节的装配精度。2)太间机械臂关节复杂的外部接口导致了集成的复杂,和可靠性降低。关节的传感器、控制电路和驱动电路通常安装在关节的外侧,且传感器信号电线,动力电线和控制电线需要带出,所以关节外部接口的复杂,
4、增加了集成的困难。由于关节的任何改变都可能影响整个机械手的设计,当每一次设计一个新的太空机械臂,都需要重新设计关节和相应的传感器,控制系统和驱动系统。它增加了开发周期和成本,并且大量的资源将用于重复的工作3)关节的功耗主要集中在马达和驱动电路,所以它们和它们附近地方的温度要比其他地方高。如果这个问题得不到解决,尤其是在太间,将会由于大的温差导致关节变形,降低关节的精确度为了解决这些问题,于2001年安装在国际太空站的加拿大2号机械臂[2]-[11]、于2005年德国航空航天中心制造的ROKVIS[12]-[15],由哈尔滨工业大学与德国
5、航空航天中心在2007年制造的高度集成模块化的太空机械臂[16]和由北京邮电大学于2007年制造的模块化太空机械臂都使用了模块化设计的方法模块化设计方法实现了太空机械臂的机械系统,传感器系统、驱动系统、控制系统和电力系统的集成。所有的电缆都是通过模块化关节的中心孔,这样可以减少电路集成的困难。通过使用模块化关节,很容易就能制造太空机械臂。然而,模块化设计方法只是离散组件的集成,它没有同时从整体上设计和构思每个关节的系统[17]-[20]。我们对太空机械臂提出一个能够克服模块化设计缺点的高内聚和低耦合的一体化联合设计方法。在关节中高内聚是
6、高度整合的,低耦合是关节的简单的外部接口。高内聚和低耦合的目的简化关节结构,优化设备配置,提高性能,减少重量和体积,提高关节的可靠性。目前的设计方法是通过差别原则用安装在电机轴上的双重旋转变压器来改善关节位置检测精度,抗干扰能力,实现转子位置检测和关节位置检测双冗余。使用温度控制和等温设计来实现关节温度均化和改善关节的工作性能2.一体化关节的说明书在太空环境中,温度变化剧烈和电磁辐射非常激烈。在发射的过程中,太空机械臂不得不承受来自振动、过载、和火箭噪音的影响,所以要求组件的可靠性和太空机械臂关节的稳定性非常高旋转变压器是一个复杂的位置
7、和速度检测装置。它可以适用于所有可以使用旋转编码器的场合,也可以应用于热,冷湿、高速和剧烈振动等旋转编码器不能工作的场合,。此外,旋转变压器提供了绝对位置信息,并快速响应,所以旋转变压器非常适合于太空环境。永磁同步电动机的转子是永久磁铁,所以没有励磁损耗。转子不产生热量,因此提高了电动机的效率。永磁同步电动机的电枢绕组缠绕在定子上。定子产生的热量可以通过电机外壳转移,这样可以减少轴承的温度梯度。永磁同步电动机没有换向器刷,所以没有电刷磨损,以及电刷电弧放电。永磁同步电动机具有良好的机械性能和直流电机速度控制的性能,与此同时,永磁同步电动
8、机具有结构简单,运行可靠,寿命长,低速性能好等优点,所以永磁同步电动机是一个理想的太空机械臂关节的驱动器为了获得大的输出转矩,良好的散热性能和调速性能,可靠的位置检测,一体化关节选择永磁同步电动机和谐波减速
