SPJ｜中科院沈阳自动化所刘金国团队：面向在轨服务、组装和制造的1U可展开空间机械臂

       空间站和人造卫星已广泛应用于通信、导航、气象、天文观测、军事等领域，但在复杂多变的空间环境下，航天器可能会因功能模块退化、故障、燃料耗尽而失效。失效航天器如果不能及时进行修复，就会成为空间碎片。因此，包含在轨维护、在轨组装、在轨探测、空间碎片清除等多项内容的在轨服务技术得到充分发展。另一方面，随着空间任务逐步向轻量化、小型化、多模块化、多功能化发展，以立方星CubeSat为载体的任务模式也越发成熟。在Space: Science & Technology (《空间科学与技术》（英文）)《微小卫星动力学与控制研究最新进展》特刊新发表的文章中，中科院沈阳自动化研究所的刘金国团队结合CubeSat技术，创新性地提出了一种1U尺寸的可展开空间机器臂（Cubot）来应对碎片清除、在轨组装和制造等复杂空间任务。

       首先，作者从结构设计、工作模式、工作区域三方面介绍了Cubot的系统设计方案。在结构设计方面，作者提出了空间机械臂的模块化结构设计方法。Cubot由三部分组成，包括主动关节、被动关节和末端执行器。杆长、被动关节数、末端执行器尺寸等设计参数可根据具体在轨任务进行灵活调节和定制，连杆长度和连杆偏移量则需要根据可用存储空间确定。执行在轨任务时，Cubot可用于两种工作模式：模式A主要用于空间站的在轨维护，而B模式则面向空间碎片的主动清除。在工作区域设置方面，Cubot在展开过程和展开后拥有不同的工作区域。在展开过程中，被动关节可视为具有角度限制的主动关节，其限制角度由扭转弹簧的预设角度决定。由此，展开过程中的Cubot可以看作是一个七自由度机械臂。完全展开后，与被动关节相连的两个连杆合二为一，被动关节被固定，只剩下主动关节。在这种配置下，Cubot变成了一个只有主动关节的三自由度机械臂。

       然后，作者提出了一种面向具有被动关节的自由飞行空间机器人的运动学建模方法并进行了动力学仿真。第一步，作者推导了时变系统的无源关节自由飞行空间机械臂的一般运动学模型，建模结果显示展开过程的运动状态与被动关节的物理特性以及预设角度密切相关。第二步，作者利用ADAMS软件动态仿真了Cubot的展开过程，并分析了Cubot的动量变化。结果表明，系统在展开过程开始时有较大的冲量，且主动关节B所受冲量最大。第三步，作者针对末端执行器进行了有限元分析，得到了末端执行器在受力分布和夹持角影响下的应力响应。结果表明，Cubot在抓取不同尺寸的目标时，其失效位置和最大夹持力可以由最大应力响应面确定。

      最后，作者研制了原理样机并通过地面试验验证了Cubot的可行性和可靠性。在原理样机研制方面，电机、弹簧和蜗杆等部件均是根据Cubot的实际工作条件选择的。测试结果表明，带有末端执行器的Cubot可以完全收纳在1U空间中。之后，作者总共执行了10组展开过程测试。结果表明，所有被动关节和末端执行器均可顺利展开。此外，作者还使用Cubot以不同的姿势去捕获不同形状的物体，经验证末端执行器可以有效地实现期望的操作。

The prototype of deployable Cubot