CN112948999B - 一种空间机器人用关节可靠性验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间机器人用关节可靠性验证方法，首先确定所述关节在各任务阶段下的工作模式、工作时间及工作环境，建立关节的任务剖面表；然后建立关节的可靠性模型；确定关节可靠性R的特征量为关节的输出圈数X；确定关节可靠性R的特征量的分布规律；确定进行关节可靠性验证试验的关节样品的状态和数量；确定关节样品的试验环境条件和试验工况：最后根据确定的关节样品的状态、关节样品的数量n、试验环境条件及试验工况，对用户提供的关节可靠性R进行验证试验；本发明能够建立关节的可靠性模型，确定关节可靠性的特征量及其分布规律，综合关节的任务剖面表，设计可靠性验证方案，解决关节样品验证高可靠指标要求的技术问题。

Description

一种空间机器人用关节可靠性验证方法

技术领域

本发明属于空间机器人技术领域，具体涉及一种空间机器人用关节可靠性验证方法。

背景技术

关节是构成空间机器人的关键部件，用来实现机器人在空间各个方向的运动需求。关节一般由电机组件、减速器、旋变和轴系等组成。关节一般要求可靠性指标高，需要进行可靠性验证。

目前在国内外相关文献中尚没有发现有关关节的可靠性验证方法。关节的相关文献主要是基于关节的部件轴承寿命的研究，基于一定的假设建立了不同轴承的磨损失效模型，对轴承寿命进行预测；或利用加速寿命试验的方法，建立轴承加速模型和失效模型，设计加速试验，来对寿命进行加速，结合加速试验数据和失效模型对轴承的可靠性进行评估验证。其他相关文献是对介绍了关节电机寿命试验的设计方法和电机的可靠性验证方法。

对关节的可靠性验证如果利用传统的成败型产品试验方法，利用二项分布方法建模评估进行试验设计，则对于航天产品小子样高可靠(一般0.99以上)要求来说几乎不可能。

寿命和可靠性是一对指标，只有在一定寿命约束下可靠性指标才有意义。当前在国内航天领域对于关节的寿命试验一般有了传统的做法，即结合在轨任务需求和地面试验规划，对寿命次数进行统计，在至少满足1.5倍基础上进行寿命验证。

因此统计以上情况，目前关于关节的可靠性验证上存在以下问题：

(1)只有关于关节部分组成部件的可靠性验证方法，关节不是电机和轴承的简单集合，是还包括敏感测量装置和减速器及轴系等产品的复杂机电产品。尚不能利用电机和轴承给出关节的可靠性评估指标。

(2)利用二项分布的可靠性建模评估验证试验设计则需要大量的样本，不能满足航天小子样需求。

(3)关于关节整机的可靠性验证方法目前还没有文献给出，不能解决空间产品高可靠性指标验证需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种空间机器人用关节可靠性验证方法，能够建立关节的可靠性模型，确定关节可靠性的特征量及其分布规律，综合关节的任务剖面表，设计可靠性验证方案，解决关节样品验证高可靠指标要求的技术问题。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种空间机器人用关节可靠性验证方法，具体步骤如下：

步骤1，结合空间机器人的任务需求划分所述空间机器人执行空间任务的任务阶段，确定所述关节在各任务阶段下的工作模式、工作时间及工作环境，建立关节的任务剖面表；

步骤2，建立关节的可靠性模型，如下：

R＝R_a×R_b×R_c (1)

其中，R_a为承载与连接功能可靠性，R_b为构型与精度保持功能可靠度，R_c为运动功能可靠度；且R_a＝1，R_b＝1；此时，

R＝R_c (2)

步骤3，确定关节可靠性R的特征量为关节的输出圈数X，关节可靠性R用“在规定的环境条件下，规定的任务时间内，输出圈数X大于要求圈数指标Xu的概率P”来表示，即：

R_c＝P(X>X_u) (3)

步骤4，确定关节可靠性R的特征量的分布规律F(X)服从威布尔分布，即

式中，η为特征寿命；m为形状参数；

步骤5，确定进行关节可靠性验证试验的关节样品的状态和数量

步骤6，根据任务剖面表，确定关节样品的试验环境条件和试验工况：

步骤7，根据步骤5-6确定的关节样品的状态、关节样品的数量n、试验环境条件及试验工况，对用户提供的关节可靠性R进行验证试验；

若关节样品未发生故障，则表示关节样品的关节可靠性R满足要求；

若关节样品发生故障，对所述故障进行判断：

若所述故障为非关联故障，剔除对应的试验数据，对试验设备采取改进措施后，继续进行后续试验，之前的数据有效；

若所述故障为关联故障，则改进关节样品的设计或工艺，重新进行验证，发生故障前的试验数据对可靠性评估无效。

进一步的，在步骤5中，关节样品的状态为：进行关节可靠性验证试验的关节样品的功能和性能均合格，且与实际关节状态一致。

进一步的，在步骤5中，关节样品的数量n为：

①结合空间机器人的在轨任务和寿命要求计算关节的输出圈数要求值X₀；

②根据用户要求的关节可靠性R和置信度γ，计算关节可靠性验证试验的关节样本数量n与关节的特征量试验值，即试验输出圈数X_R的对应关系，计算公式如下：

其中，输出圈数要求值X₀对应的关节可靠性R为所述关节可靠性验证试验的验证目标；

③在保证关节的失效机理不能发生改变的前提下，根据关节相关产品历史数据及关节的输出圈数X的分布规律确定关节样本的试验输出圈数X_R的最大值X_max，将X_max带入公式(5)，计算得到关节样品的数量n。

进一步的，在步骤6中，试验环境条件为：

根据关节的任务剖面表中的各种工作环境影响及关节的工作方式、润滑形式及结构设计的分析，将关节的敏感的环境应力作为加载的试验应力，即作为试验环境条件。

进一步的，在步骤6中，试验工况为：

根据空间机器人的空间任务及关节的在轨载荷，确定关节在轨所经历的各种工况，关节样品的试验工况能够覆盖关节在轨的各种工况，因此，按寿命周期内各种工况出现的顺序和时间来对试验的关节样品进行相应比例的工况加载。

进一步的，形状参数m的取值为2～2.5。

有益效果：(1)本发明为一种对空间机器人用关节在有可靠性定量指标要求下，进行试验设计和评估验证的可靠性验证的方法，本发明针对空间机器人用关节的功能进行分析，结合关节的工作环境和任务要求确定任务剖面，根据关节的设计特性分析关节可靠性模型，确定了关节可靠性的特征量及其分布规律，综合确定模型参数并确定进行验证试验的关节样品数量和试验条件，确定了验证试验方案来验证关节的可靠性，提高了试验设计的可行性。

(2)本发明利用特征量建模进行可靠性验证的方法相比于成败型方法或低层次产品建模进行综合的方法能够极大降低样本试验数量，即可以用较少的试验样本验证较高的可靠性指标，极大地节省了关节可靠性试验的费用。

附图说明

图1为本发明的可靠性框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种空间机器人用关节可靠性验证方法，具体步骤如下：

步骤1，建立关节的任务剖面表：

根据用户需求，确定空间机器人用关节的寿命周期(即从空间机器人发射开始到寿命终止之间)的环境，结合任务需求划分所述空间机器人执行空间任务的任务阶段，确定所述关节在各任务阶段下的工作模式、工作时间及工作环境，即建立关节的任务剖面表，参见表1：

表1关节的任务剖面表

步骤2，建立关节的可靠性模型：

根据所述关节的组成和功能原理(即关节是空间机器人的核心部件，在空间机器人执行空间任务时，由多个关节联合运动实现空间机器人所要达到的位置、速度和力矩等精度要求；关节在此过程中实现承载功能、运动功能和构型与精度保持功能)，建立关节的可靠性框图，参见附图1；根据附图1可知，关节可靠性R包括：承载与连接功能可靠性R_a、构型与精度保持功能可靠度R_b及运动功能可靠度R_c，且R_a、R_b及R_c为串联关系；

因此，根据所述关节的可靠性框图建立可靠性模型，如下：

R＝R_a×R_b×R_c(1)

其中，关节的承载功能和构型与精度保持功能由机械部件实现，对应的承载与连接功能可靠性R_a和构型与精度保持功能可靠度R_b，以关节的刚度和强度的裕度设计结合力学试验进行保证，具体保证措施如下：

1)在设计过程中对关节进行强度和刚度校核分析，使关节的裕度满足要求；

2)在研制过程中对关节的刚度进行了分析和测试，结合关节的力学分析，在空间机器人执行空间任务的过程中，关节的力矩裕度均满足相关规范要求；

3)在研制过程中对关节进行力学环境试验的考核，在所述考核中未发生破坏或塑性变形；

在上述三种保证措施下，关节的承载与连接功能可靠性R_a和构型与精度保持功能可靠度R_b均视为1，即R_a＝1，R_b＝1；此时，关节可靠性R取决于运动功能可靠度R_c，即：

R＝R_c(2)

步骤3，确定关节可靠性R(即运动功能可靠度R_c)的特征量：

关节的运动功能通过关节的输出圈数来实现，其输出圈数的多少决定了空间机器人运动的位置，输出圈数的快慢即关节输出的转速决定了机器人运动的快慢，因此，确定关节可靠性R的特征量为关节的输出圈数X，关节可靠性R(即运动功能可靠度R_c)可用“在规定的环境条件下，规定的任务时间内，输出圈数X大于要求圈数指标Xu的概率P”来表示，即：

R_c＝P(X>X_u) (3)

公式(3)表示，关节可靠性R为：输出圈数X大于要求圈数指标Xu的概率P；

步骤4，确定关节可靠性R的特征量(即关节的输出圈数X)的分布规律：

由于空间机器人用关节包括电机、减速器及传感器，关节通过电机、减速器配合完成运动功能，关节的失效模式为随着工作次数的变化导致润滑膜的磨损疲劳失效，因此，根据关节的磨损疲劳失效，确定关节可靠性R的特征量(即关节的输出圈数X)的分布规律F(X)服从威布尔分布，即

式中，η为特征寿命；m为形状参数，m的取值参考同类关节相关经验和生产工艺的稳定程度，一般在2～2.5之间选取；

步骤5，确定进行关节可靠性验证试验的关节样品的状态和数量

1)关节样品的状态

进行关节可靠性验证试验的关节样品的功能和性能均合格，且与实际关节状态一致；

2)关节样品的数量n

①结合空间机器人的在轨任务和寿命要求计算关节的输出圈数要求值X₀；

②根据用户要求的关节可靠性R和置信度γ，计算关节可靠性验证试验的关节样本数量n与关节的特征量试验值，即试验输出圈数X_R的对应关系，计算公式如下：

其中，输出圈数要求值X₀对应的关节可靠性R为所述关节可靠性验证试验的验证目标；

③在保证关节的失效机理不能发生改变的前提下，根据关节相关产品历史数据及关节的输出圈数X的分布规律确定关节样本的试验输出圈数X_R的最大值X_max，将X_max带入公式(5)，计算得到关节样品的数量n；

其中，根据(5)式计算时，关节样本的试验输出圈数X_R不能超过关节的极限寿命要求(一般根据经验和相关产品数据确定)；且进行关节可靠性验证试验的所有关节样品均未发生失效；

步骤6，根据任务剖面表，确定关节样品的试验环境条件和试验工况：

1)试验环境条件

根据任务剖面表，空间机器人用关节的工作环境包括真空、高低温及空间辐射环境等；关节根据其润滑形式的差异，敏感的环境应力也不尽相同；因此，根据关节的任务剖面表中的各种工作环境影响及关节的工作方式、润滑形式及结构设计的分析，将关节的敏感的环境应力作为加载的试验应力，即作为试验环境条件；

一般情况下关节的试验环境条件都需要考虑温度的影响和真空的影响，结合关节的润滑形式确定真空环境是否为敏感的环境应力，此外若关节没有密封则要考虑空间辐射和尘沙的影响；

2)试验工况

根据空间机器人的空间任务及关节的在轨载荷，确定关节在轨所经历的各种工况，关节样品的试验工况能够覆盖关节在轨的各种工况，且试验工况的选取可严于关节在轨的工况但不能低于关节在轨的工况，因此，按寿命周期内各种工况出现的顺序和时间来对试验的关节样品进行相应比例的工况加载；

步骤7，根据步骤5-6确定的关节样品的状态、关节样品的数量n、试验环境条件及试验工况，对用户提供的关节可靠性R进行验证试验；

若关节样品未发生故障，则表示关节样品的关节可靠性R满足要求；

若关节样品发生故障，对所述故障进行判断：

若所述故障为非关联故障，应剔除对应的试验数据，对试验设备采取改进措施后，可继续进行后续试验，之前的数据有效；

若所述故障为关联故障，则需要改进关节样品的设计或工艺，重新进行验证，发生故障前的试验数据对可靠性评估无效。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空间机器人用关节可靠性验证方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，结合空间机器人的任务需求划分所述空间机器人执行空间任务的任务阶段，确定所述关节在各任务阶段下的工作模式、工作时间及工作环境，建立关节的任务剖面表；

步骤2，建立关节的可靠性模型，如下：

R＝R_a×R_b×R_c (1)

其中，R_a为承载与连接功能可靠性，R_b为构型与精度保持功能可靠度，R_c为运动功能可靠度；且R_a＝1，R_b＝1；此时，

R＝R_c (2)

步骤3，确定关节可靠性R的特征量为关节的输出圈数X，关节可靠性R用“在规定的环境条件下，规定的任务时间内，输出圈数X大于要求圈数指标Xu的概率P”来表示，即：

R_c＝P(X>X_u) (3)

步骤4，确定关节可靠性R的特征量的分布规律F(X)服从威布尔分布，即

式中，η为特征寿命；m为形状参数；

步骤5，确定进行关节可靠性验证试验的关节样品的状态和数量

步骤6，根据任务剖面表，确定关节样品的试验环境条件和试验工况：

步骤7，根据步骤5-6确定的关节样品的状态、关节样品的数量n、试验环境条件及试验工况，对用户提供的关节可靠性R进行验证试验；

若关节样品未发生故障，则表示关节样品的关节可靠性R满足要求；

若关节样品发生故障，对所述故障进行判断：

若所述故障为非关联故障，剔除对应的试验数据，对试验设备采取改进措施后，继续进行后续试验，之前的数据有效；

若所述故障为关联故障，则改进关节样品的设计或工艺，重新进行验证，发生故障前的试验数据对可靠性评估无效。

2.如权利要求1所述的一种空间机器人用关节可靠性验证方法，其特征在于，在步骤5中，关节样品的状态为：进行关节可靠性验证试验的关节样品的功能和性能均合格，且与实际关节状态一致。

3.如权利要求1所述的一种空间机器人用关节可靠性验证方法，其特征在于，在步骤5中，关节样品的数量n为：

①结合空间机器人的在轨任务和寿命要求计算关节的输出圈数要求值X₀；

②根据用户要求的关节可靠性R和置信度γ，计算关节可靠性验证试验的关节样本数量n与关节的特征量试验值，即试验输出圈数X_R的对应关系，计算公式如下：

其中，输出圈数要求值X₀对应的关节可靠性R为所述关节可靠性验证试验的验证目标；

③在保证关节的失效机理不能发生改变的前提下，根据关节相关产品历史数据及关节的输出圈数X的分布规律确定关节样本的试验输出圈数X_R的最大值X_max，将X_max带入公式(5)，计算得到关节样品的数量n。

4.如权利要求1所述的一种空间机器人用关节可靠性验证方法，其特征在于，在步骤6中，试验环境条件为：

根据关节的任务剖面表中的各种工作环境影响及关节的工作方式、润滑形式及结构设计的分析，将关节的敏感的环境应力作为加载的试验应力，即作为试验环境条件。

5.如权利要求1所述的一种空间机器人用关节可靠性验证方法，其特征在于，在步骤6中，试验工况为：

根据空间机器人的空间任务及关节的在轨载荷，确定关节在轨所经历的各种工况，关节样品的试验工况能够覆盖关节在轨的各种工况，因此，按寿命周期内各种工况出现的顺序和时间来对试验的关节样品进行相应比例的工况加载。

6.如权利要求1所述的一种空间机器人用关节可靠性验证方法，其特征在于，形状参数m的取值为2～2.5。