一种空间机械臂三维运动重力补偿系统

技术领域

本发明涉及航天工程地面测试设备技术领域，特别涉及一种空间机械臂三维运动重力补偿系统。

背景技术

随着航天探索活动的不断开展，空间机械臂越来越成为完成空间操作任务的有效工具，可以代替航天员完成舱外作业，极大降低航天员的出舱风险，也可以在轨协助航天员完成舱内实验，减轻航天员的劳动强度。空间机械臂的实际工作环境为微重力环境，在地面验证其运动性能时，需要为其构造微重力模拟环境，才能验证、评估其真实工作状态下的定位精度、运动速度、操作力、力矩等性能指标。常用于空间机械臂地面重力补偿的方法有水浮法、气浮法与吊丝悬挂法等。水浮法需要搭建专用的水池测试系统，且需要对被补偿机械臂进行密封处理，成本较高。气浮法通常用于平面运动机构的重力补偿中，对于像机械臂这种多自由、且在三维空间中运动的系统，如果用气浮法，一般需要将机构分成几部分，分别单独在不同平面内作重力补偿下的运动模拟测试。空间机械臂在地面测试中，需要做长时间的运动寿命测试，如果将机械臂三维运动分解成几个不同平面运动单独进行气浮式微重力模拟测试，不但耗费巨大的时间成本，而且也不能完全模拟微重力下的动力学特性。吊丝悬挂法在微重力模拟中应用较多，其优点是成本低、实施简单，缺点是各个吊丝间可能存在干涉，因此通常难以用于三维运动机构，除非设计巧妙的构型以规避各吊丝间的干涉。吊丝法的应用受机械臂的具体构型影响较大，没有通用方案。另外，当在空间机械臂中应用吊丝配重时，通常只对受重力影响较大的部分关节进行配重。

针对一款空间六自由度小型机械臂的地面运动测试需求，为其搭建地面微重力模拟环境。为实现轻量化、小型化设计，空间机械臂的电机力矩按微重力环境下负载设计，需要对驱动性能受重力影响较大的关节进行重力补偿，且为了完成尽量全面的考核测试，机械臂需要进行长期的三维空间运动。目前没有现成的重力补偿系统可用，需要设计一套能适用于机械臂三维运动的重力补偿系统，以辅助其完成地面的运动性能测试、疲劳寿命测试与功能、性能指标测试等多项测试任务。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种空间机械臂三维运动重力补偿系统，对一款空间机械臂进行多轴、三维运动重力补偿，达到能在地面模拟空间微重力工作状态的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空间机械臂三维运动重力补偿系统，包括被补偿机械臂、随动机构、支架及吊丝悬挂系统，其中被补偿机械臂设置于支架的底部，随动机构设置于支架的顶部，且通过吊丝悬挂系统与被补偿机械臂连接；

所述被补偿机械臂和随动机构的构型相同，通过同步控制所述被补偿机械臂和随动机构的运动，实现对所述被补偿机械臂的三维运动重力补偿。

所述被补偿机械臂包括依次转动连接的六个关节。

所述吊丝悬挂系统包括多组吊丝组件，各吊丝组件的两端分别与所述被补偿机械臂和所述随动机构相对应的关节连接，并且各吊丝组件均保持竖直拉伸状态。

所述吊丝组件包括吊丝、配重砝码、滑轮组件及固定安装组件，其中固定安装组件与所述随动机构的一关节连接，滑轮组件设置于固定安装组件上；

所述吊丝经过滑轮组件，且一端与配重砝码连接，另一端与所述被补偿机械臂的关节连接。

所述吊丝包括下吊丝和上吊丝，所述下吊丝和上吊丝通过拉力传感器连接。

所述吊丝的另一端可转动地连接有无损工装组件，所述无损工装组件与所述被补偿机械臂连接。

所述吊丝组件为四组，且分别连接在所述被补偿机械臂和所述随动机构的第一至第四关节的输出端。

所述被补偿机械臂的六个关节依次为关节Ⅰ、关节Ⅱ、关节Ⅲ、关节Ⅳ、关节Ⅴ及关节Ⅵ，其中关节Ⅰ与所述支架的底部连接，且可沿圆弧轨迹运动；

所述关节Ⅱ的转动轴线与所述关节Ⅰ的转动轴线平行；

所述关节Ⅲ的转动轴线与关节Ⅱ的转动轴线垂直；

所述关节Ⅳ和关节Ⅴ的转动轴线与关节Ⅲ的转动轴线平行；

所述关节Ⅵ的转动轴线与关节Ⅴ的转动轴线垂直。

所述关节Ⅲ和所述关节Ⅳ之间通过第一连杆连接；所述关节Ⅳ与所述关节Ⅴ之间通过第二连杆连接。

所述的空间机械臂三维运动重力补偿系统，还包括电连接的控制系统和显示系统，所述控制系统与所述被补偿机械臂和所述随动机构连接。

本发明的优点及有益效果是：

本发明功能更全面：本发明通过创新型的机构设计，实现了对四个自由度、作三维运动的机构进行了重力补偿。

本发明构型更简洁：本发明的随动机构采用串联臂式构型，与传统天车式随动机构相比，大大降低了机构的复杂度，提高了系统的可靠度，降低了控制难度。

本发明重力补偿精度更高：随动机构与被卸机械臂构型完全相同，通过控制两种机构的同步运动，不需要经过复杂的位置解算即能实现各个吊点的精确同步，显著提高动态补偿精度。

本发明操作更安全：通过无损工装将吊丝与被卸载机械臂连接，规避了对被卸载机械臂的结构破坏，并通过在吊丝中安装拉力传感器，实时监控吊丝拉力，防止同步控制误差导致的过大作用力对系统的破坏，并在控制程序中设置电流保护、紧急停止功能，实现了对系统的多重保护。

附图说明

图1为本发明空间机械臂三维运动重力补偿系统的结构示意图；

图2为本发明中被补偿机械臂的结构示意图；

图3为本发明中随动机构的结构示意图；

图4为本发明中吊丝悬挂系统的结构示意图；

图5为本发明吊丝组件的结构示意图。

图中：1为被补偿机械臂；11为关节Ⅰ；12为关节Ⅱ；13为关节Ⅲ；14为第一连杆；15为关节Ⅳ；16为第二连杆；17为关节Ⅴ；18为关节Ⅵ；2为随动机构；21为随动关节Ⅰ；22为随动关节Ⅱ；23为随动关节Ⅲ；24为随动关节Ⅳ；3为支架；4为吊丝悬挂系统；41为吊丝组件Ⅰ；42为吊丝组件Ⅱ；43为吊丝组件Ⅲ；44为吊丝组件Ⅳ；441为无损工装组件；442为下吊丝；443为拉力传感器；444为上吊丝；445为配重砝码；446为滑轮组件；447为固定安装组件；5为控制系统；6为显示系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种空间机械臂三维运动重力补偿系统，包括被补偿机械臂1、随动机构2、支架3及吊丝悬挂系统4，其中支架3为系统提供安装、支撑功能，被补偿机械臂1设置于支架3的底部，随动机构2设置于支架3的顶部，且通过吊丝悬挂系统4与被补偿机械臂1连接；被补偿机械臂1和随动机构2的构型相同，通过同步控制被补偿机械臂1和随动机构2的运动，实现对被补偿机械臂1的空间三维运动重力补偿。吊丝悬挂系统4用于连接被补偿机械臂1与随动机构2，为被补偿机械臂1提供向上的拉力，消除其关节驱动受重力的影响。

本发明的实施例中，被补偿机械臂1为六自由度6R构型的空间机械臂，包括依次转动连接的六个关节。如图2所示，被补偿机械臂1的六个关节依次为关节Ⅰ11、关节Ⅱ12、关节Ⅲ13、关节Ⅳ15、关节Ⅴ17及关节Ⅵ18，其中关节Ⅰ11与支架3的底部连接，且可沿圆弧轨迹运动；关节Ⅱ12的转动轴线与关节Ⅰ11的转动轴线平行，关节Ⅲ13的转动轴线与关节Ⅱ12的转动轴线垂直，关节Ⅳ15和关节Ⅴ17的转动轴线与关节Ⅲ13的转动轴线平行，关节Ⅵ18的转动轴线与关节Ⅴ17的转动轴线垂直。

进一步地，关节Ⅲ13和关节Ⅳ15之间通过第一连杆14连接，关节Ⅳ15与关节Ⅴ17之间通过第二连杆16连接，使机械臂满足操作空间的要求。各关节的结构设计中采用中空走线，线缆从各关节中心孔中穿过，可以实现±180°回转运动。关节Ⅰ11提供回转运动，是通过圆弧导轨与齿圈齿轮副构成的旋转关节，采用圆弧导轨与圆弧齿圈的支撑和驱动设计方式，可以在实现大范围可达的同时，使结构实现轻量化、高刚度化。

本发明的实施例中，被补偿机械臂1的六个关节组成均是转动关节，组成6R的关节配置形式。在地面运动试验时，被补偿机械臂1的前四个关节受重力影响较大，需要对其进行重力补偿。在进行重力补偿时，关节Ⅴ17和关节Ⅵ18保持不动，等效为关节Ⅳ15输出机构的一部分。被补偿机械臂1的前四个关的转角分别为θ

如图3所示，本发明的实施例中，随动机构2具有与被补偿机械臂1的前四个关节相同的构型，包括依次转动连接的随动关节Ⅰ21、随动关节Ⅱ22、随动关节Ⅲ23及随动关节Ⅳ24，其转角分别为

如图4所示，本发明的实施例中，吊丝悬挂系统4包括多组吊丝组件，各吊丝组件的两端分别与被补偿机械臂1和随动机构2相对应的关节连接，并且各吊丝组件均保持竖直拉伸状态。

本实施例中吊丝悬挂系统4包括四组吊丝组件，分别为吊丝组件Ⅰ41、吊丝组件Ⅱ42、吊丝组件Ⅲ43及吊丝组件Ⅳ44，四组吊丝组件分别连接在被补偿机械臂1和随动机构2的前四个相对应的关节之间，分别用于被补偿机械臂1的第1至第4关节的输出端机构的重力补偿。

如图5所示，本发明的实施例中，四组吊丝组件结构相同，均包括吊丝、配重砝码445、滑轮组件446及固定安装组件447，其中固定安装组件447与随动机构2的一关节连接，滑轮组件446设置于固定安装组件447上；吊丝经过滑轮组件446，且一端与配重砝码445连接，另一端与被补偿机械臂1的关节连接。配重砝码445的重量与被补偿机构的重量相同。

本发明的实施例中，吊丝包括下吊丝442和上吊丝444，下吊丝442和上吊丝444通过拉力传感器443连接，通过拉力传感器443实时动态测量吊丝中的拉力。

进一步地，吊丝的另一端可转动地连接有无损工装组件441，无损工装组件441与被补偿机械臂1连接。具体地，无损工装组件441用于连接被补偿机械臂1上对应的机构，与被补偿机械臂1之间采用夹紧环连接，避免了对被补偿机械臂1的结构破坏，并且无损工装组件441的上下部分采用活动铰连接，使得在机械臂运动时，吊丝始终能保持在竖直方向上，并且其延长线通过被补偿机构的重心。

在上述实施例的基础上，本发明提供的一种空间机械臂三维运动重力补偿系统还包括电连接的控制系统5和显示系统6，控制系统5与被补偿机械臂1和随动机构2连接。控制系统5的作用是规划运动轨迹，并下发运动指令给被补偿机械臂1与随动机构2，使其同步运动。另外，将关节位置、速度、位置以及吊丝的拉力信息实时采集回控制系统，经过处理后用于存储与显示。显示系统6主要提供人机界面功能，用图表、线条、数字等形式实时显示运动机构的状态以及重力补偿的效果。

本实施例中，被补偿机械臂为一款空间六自由度机械臂，为串联式6R构型，第一个关节为圆弧导轨与齿圈齿轮副构成的旋转关节，后五个关节为模块化旋转关节。经过分析，其前四个关节的驱动性能受机构重力影响较大，需要对其进行重力补偿，后两个关节的输出机构的重心离回转轴较近，因此关节驱动性能受重力因素影响较小，可以不需要进行重力补偿。

本发明的实施例中，吊丝悬挂系统4主要提供各个关节的重力补偿功能，吊丝的一端处于被补偿机械臂关节的输出机构的重心正上方，吊丝的另一端通过滑轮连接一个砝码，对该关节始终提供向上的拉力，消除重力对关节驱动性能的影响。在每个吊丝上安装一拉力传感器，实时显示重力补偿效果。吊丝的下部通过夹紧环式的无损工装固定连接于被补偿机械臂，规避对被补偿机械臂造成结构损伤或破坏。重力补偿时同时补偿无损工装的重力，消除无损工装对各关节运动造成的扰动力矩。

本发明提出的一种空间机械臂三维运动重力补偿系统，首次提出用与被补偿机械臂相同构型的随动机构对空间机械臂进行重力补偿，创新设计多组吊丝悬挂系统及连接方式，不但解决了吊丝配重方法难以应用于三维运动机构的重力补偿问题，而且降低了同步控制的难度，大大提高了实时动态重力补偿的精度，以较低成本，实现了空间机械臂地面三维运动的实时、高精度重力补偿。

以上所述仅为本发明的实施方式，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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。