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摘 要： 在空间站当中，空间机械臂是一个十分重要的设备，是空间站工作中不可 缺少的设备之一。因此，空间机械臂机电一体化关节的设计和控制就显得尤为重要。在实际应用中，为了使空间机械臂能够发挥出更大的作用，就要对其机电一体化关节的设计和控制进行细致的分析，从而满足其实际应用的需求。
关键词： 空间机械臂；机电一体化；关节控制；设计
【中图分类号】 V476.1 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）12-0148-01
引言
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臂的关键构成部分，在空间机械臂的应用过程中发挥着重要的作用。机电一体化关节的设计不但影响着空间机械臂的控制精度，还影响着空间机械臂的整体性能。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。
一、空间机械臂和机电一体化关节简介
空间机械臂是空间站的重要组成部分，其主要由结构系统、机构系统、地面控制操作台、在轨控制系统、移动基座系统、末端效应器系统、关节驱动控制系统等组成。空间机械臂的臂杆与关节等结构是与末端效应器系统相连接的，空间机械臂设备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臂的重要构成部分，空间机械臂通过机电一体化关节的速度、位置以及力闭环控制，就可以完成多自由度的旋转运动。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。第二，机电一体化关节能够实现空间机械臂的紧急制动。第三，机电一体化关节还能够保护空间机械臂的结构。第四，机电一体化关节能够有效的提升空间机械臂的作业精度。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。
二、空间机械臂机电一体化关节的设计
在设计机电一体化关节的过程中，首先，要确保机电一体化关节能够具备传动、制动、驱动、驱动控制、温度信号采集、位置信号采集，速度信号采集以及通讯等功能。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。第四，对机电一体化关节的控制算法进行设计，同时编写出相应的控制软件。第五，在完成了机电一体化关节内部结构和软硬件的设计工作之后，就要对机电一体化关节进行相关的功能测试，在测试成功之后，才能够正式投入使用。
三、空间机械臂机电一体化关节的设计的控制
（一）机电一体化关节的控制模式。
要实现对机电一体化关节的控制，需要通过中央控制器发出指令。机电一体化关节的控制模式主要包括位置控制、速度控制以及力矩控制。在对关节进行位置控制的过程中，关节控制系统会使用速度、电流和位置三闭环结构，对速度、电流和位置控制器进行环路设置，然后利用传感器取得末端位置以及关节转速等信息数据。在对关节进行速度控制的过程中，关节控制系统会使用电流、速度双闭环结构，对速度和电流控制器进行环路设置，最后利用传感器得到关节转速等信息数据。在对关节进行力矩控制的过程中，关节控制系统使用电流和力矩双闭环结构，对力矩和电流控制器进行环路设置，最后利用传感器得到输出力矩和电机等效电流等数据信息。
（二）机电一体化关节的控制方法。
机电一体化关节最为重要的部件就是伺服电动机和谐波减速器，减速器柔轮与扭转弹簧之间存在着等效的关系。另外，由于系统控制会受到摩擦和外界干扰等因素的影响，所以应该要针对关节系统来建立相应的力学模型，然够根据该力学模型对后续矢量控制等参数进行计算设置。在机电一体化关节的控制系统中，主要包括位置环、电流环以及速度环三个部分，这三个部分是一个三闭环的调节系统。在对机电一体化关节进行运动控制的过程中，首先要确保关节在变负载或不同负载等情况下保持稳定的状态。第二，在控制算法中，应该要重视对关节的柔性影响，这样做的话，不但可以有效的对振动进行抑制控制，还可以有效的降低振动的次数和振幅。机电一体化关节的运动控制算法主要包括计算力矩前馈、状态空间反馈以及PID控制加柔性补偿等。在进行参数设置的过程中，PID技术的应用效果较好，能够根据经验来进行参数的设置，不但具备较高的灵活性，还具备良好的控制性能。目前，PID增量控制算法的应用最为广泛。
四、结束语
综上所述，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。对于空间机械臂来说，机电一体化关节不但可以促进其稳定高效的运行，还可以提升其性能。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。
参考文献
[1] 胡素梅. 空间机械臂机电一体化关节的设计与控制[J]. 电子制作，2014，01：54.
[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，2014，13：156.
[3] 孙敬，史士财，郭闯强，刘宏. 空间机械臂在轨快换高精度模块化关节的研制[J]. 四川大学学报（工程科学版），2012，01：209-214.
关键词： 空间机械臂；机电一体化；关节控制；设计
【中图分类号】 V476.1 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）12-0148-01
引言
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臂的关键构成部分，在空间机械臂的应用过程中发挥着重要的作用。机电一体化关节的设计不但影响着空间机械臂的控制精度，还影响着空间机械臂的整体性能。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。
一、空间机械臂和机电一体化关节简介
空间机械臂是空间站的重要组成部分，其主要由结构系统、机构系统、地面控制操作台、在轨控制系统、移动基座系统、末端效应器系统、关节驱动控制系统等组成。空间机械臂的臂杆与关节等结构是与末端效应器系统相连接的，空间机械臂设备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臂的重要构成部分，空间机械臂通过机电一体化关节的速度、位置以及力闭环控制，就可以完成多自由度的旋转运动。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。第二，机电一体化关节能够实现空间机械臂的紧急制动。第三，机电一体化关节还能够保护空间机械臂的结构。第四，机电一体化关节能够有效的提升空间机械臂的作业精度。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。
二、空间机械臂机电一体化关节的设计
在设计机电一体化关节的过程中，首先，要确保机电一体化关节能够具备传动、制动、驱动、驱动控制、温度信号采集、位置信号采集，速度信号采集以及通讯等功能。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。第四，对机电一体化关节的控制算法进行设计，同时编写出相应的控制软件。第五，在完成了机电一体化关节内部结构和软硬件的设计工作之后，就要对机电一体化关节进行相关的功能测试，在测试成功之后，才能够正式投入使用。
三、空间机械臂机电一体化关节的设计的控制
（一）机电一体化关节的控制模式。
要实现对机电一体化关节的控制，需要通过中央控制器发出指令。机电一体化关节的控制模式主要包括位置控制、速度控制以及力矩控制。在对关节进行位置控制的过程中，关节控制系统会使用速度、电流和位置三闭环结构，对速度、电流和位置控制器进行环路设置，然后利用传感器取得末端位置以及关节转速等信息数据。在对关节进行速度控制的过程中，关节控制系统会使用电流、速度双闭环结构，对速度和电流控制器进行环路设置，最后利用传感器得到关节转速等信息数据。在对关节进行力矩控制的过程中，关节控制系统使用电流和力矩双闭环结构，对力矩和电流控制器进行环路设置，最后利用传感器得到输出力矩和电机等效电流等数据信息。
（二）机电一体化关节的控制方法。
机电一体化关节最为重要的部件就是伺服电动机和谐波减速器，减速器柔轮与扭转弹簧之间存在着等效的关系。另外，由于系统控制会受到摩擦和外界干扰等因素的影响，所以应该要针对关节系统来建立相应的力学模型，然够根据该力学模型对后续矢量控制等参数进行计算设置。在机电一体化关节的控制系统中，主要包括位置环、电流环以及速度环三个部分，这三个部分是一个三闭环的调节系统。在对机电一体化关节进行运动控制的过程中，首先要确保关节在变负载或不同负载等情况下保持稳定的状态。第二，在控制算法中，应该要重视对关节的柔性影响，这样做的话，不但可以有效的对振动进行抑制控制，还可以有效的降低振动的次数和振幅。机电一体化关节的运动控制算法主要包括计算力矩前馈、状态空间反馈以及PID控制加柔性补偿等。在进行参数设置的过程中，PID技术的应用效果较好，能够根据经验来进行参数的设置，不但具备较高的灵活性，还具备良好的控制性能。目前，PID增量控制算法的应用最为广泛。
四、结束语
综上所述，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。对于空间机械臂来说，机电一体化关节不但可以促进其稳定高效的运行，还可以提升其性能。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。
参考文献
[1] 胡素梅. 空间机械臂机电一体化关节的设计与控制[J]. 电子制作，2014，01：54.
[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，2014，13：156.
[3] 孙敬，史士财，郭闯强，刘宏. 空间机械臂在轨快换高精度模块化关节的研制[J]. 四川大学学报（工程科学版），2012，01：209-214.