一種空間機械臂地面三維空間運動測試裝置及方法與流程

2023-06-15 22:43:19

本發明涉及一種空間機械臂地面三維空間運動測試裝置及方法，屬於空間運動測試技術領域。

背景技術：

隨著技術的進步，人類的活動在不斷地向太空擴展，各國正在研究以空間機器人為手段，以衛星維修、生命延長及太空垃圾清除為目的的空間機械臂在軌服務技術獲得了長足的進步。然而，受地面重力環境的影響，空間機械臂地面三維空間運動測試一直是困擾機械臂研發的一個關鍵問題。該問題主要表現在：由於空間機械臂是針對空間在軌微重力環境而設計的，在無輔助支撐設備條件下，其部分關節驅動力矩不足以克服重力矩，並且也不能實現在地麵條件下的三維空間自由運動。

目前，在地面模擬空間微重力環境的測試系統主要包括五類，分別是懸吊系統、自由落體系統、水浮系統、氣浮系統和輔助平行四邊形定質心及彈簧連接混合系統。自由落體系統(採用微重力塔)和水浮系統普遍存在成本和維護費用較高的問題，前者在實驗時還要求保證系統的密封性，後者雖然補償重力效果好，但作用時間太短，不適於空間機械臂的實驗操作；氣浮系統的重力補償效果較好，但只能夠讓空間機械臂在氣浮平面內運動，無法實現三維空間多軸聯動測試；輔助平行四邊形定質心及彈簧連接的混合方法技術還不成熟，難以滿足空間機械臂的實驗操作要求。

技術實現要素：

本發明提出了一種空間機械臂地面三維空間運動測試裝置及方法，以解決現有的空間機械臂在地面三維空間運動測試過程中存在的成本和維護費用較高、無法實現三維空間多軸聯動測試以及難以滿足空間機械臂的實驗操作要求的問題，為此本發明採用如下的技術方案：

一種空間機械臂地面三維空間運動測試裝置，包括機架和基座，基座設置在機架上並用於安裝空間機械臂，所述裝置還包括：兩條縱嚮導軌、至少兩條橫嚮導軌以及與橫嚮導軌數量相同的滑塊、定滑輪、吊絲、配重塊和滑環；兩條縱嚮導軌分別設置在機架上，每條橫嚮導軌的兩端分別與一條縱嚮導軌滑動連接，每條橫嚮導軌上設置有滑塊，在滑塊上安裝有定滑輪，在定滑輪上設置有吊絲，吊絲的兩端分別連接配重塊和滑環。

一種空間機械臂地面三維空間運動測試方法，包括：

將空間機械臂伸展開，再通過滑環套接在空間機械臂的臂杆上，以使空間機械臂呈垂直吊起狀態；

調節每段吊絲所吊的配重塊質量與對應段的空間機械臂的質量相匹配；

給定空間機械臂的運動軌跡並啟動空間機械臂的關節，以實現空間機械臂在重力補償狀態下的三維空間中做自由運動。

本發明能夠產生以下的有益效果：

1.該運動測試系統的重力補償為被動式補償，無需主動力介入，因而不需配置電機等其它驅動裝置，成本和維護費用較低；

2.與傳統的主動補償系統相比，該運動測試系統能夠實現三維空間多軸聯動測試，其重力補償效果可達90％以上；

3.該運動測試系統安裝調試簡便、易於操作，能夠滿足空間機械臂的實驗操作要求。

附圖說明

圖1為本發明所述的空間機械臂地面三維空間運動測試裝置的結構示意圖。

圖2為實施例一中的滑環在空間機械臂的臂杆上的連接方式示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

結合圖1所示，本具體實施方式提供的空間機械臂地面三維空間運動測試裝置，包括機架1和基座2、兩條縱嚮導軌4、至少兩條橫嚮導軌5以及與橫嚮導軌5數量相同的滑塊6、定滑輪7、吊絲8、配重塊9和滑環10；基座2設置在機架1上並用於安裝空間機械臂3，兩條縱嚮導軌4分別設置在機架1上，每條橫嚮導軌5的兩端分別與一條縱嚮導軌4滑動連接，每條橫嚮導軌5上設置有滑塊6，在滑塊6上安裝有定滑輪7，在定滑輪7上設置有吊絲8，吊絲8的兩端分別連接配重塊9和滑環10。

可選的，兩條縱嚮導軌4均採用線性度小於千分之0.05的圓柱體。

可選的，兩條縱嚮導軌4的平行度優於1弧分。

可選的，每條橫嚮導軌5兩端分別通過直線軸承套裝在一條縱嚮導軌4上。

可選的，每條橫嚮導軌5均採用滾珠滑動導軌。

可選的，空間機械臂3通過安裝法蘭固定在機架1的基座2上。

本具體實施方式還提出了一種基於上述空間機械臂地面三維空間運動測試裝置的測試方法，包括：

步驟1，將空間機械臂3伸展開，再通過滑環10套接在空間機械臂3的臂杆上，以使空間機械臂3呈垂直吊起狀態；

步驟2，調節每段吊絲8所吊的配重塊9質量與對應段的空間機械臂3的質量相匹配；

步驟3，給定空間機械臂3的運動軌跡並啟動空間機械臂3的關節，以實現空間機械臂3在重力補償狀態下的三維空間中做自由運動。

下面通過具體的實施例對本發明提出的空間機械臂地面三維空間運動測試裝置及方法進行詳細說明。

實施例一

結合圖1至圖2所示，該三維空間運動測試系統的機架1可採用框架式結構，各部分通過螺釘連接，易於加工製造。

兩條縱嚮導軌4採用磨光的圓柱，線性度小於千分之0.05，並且兩條縱嚮導軌4的平行度優於1弧分；將直線軸承套裝在每條縱嚮導軌4的圓柱上，使滑動摩擦係數小於千分之一。

每條橫嚮導軌5的兩端分別通過螺釘安裝在一條縱嚮導軌4的直線軸承上，這樣橫嚮導軌5能夠沿縱向方向運動，橫嚮導軌5採用thk滾珠滑動導軌。

每條橫嚮導軌5上裝有一個滑塊6，可在橫嚮導軌5上自由運動，滑動摩擦係數小於千分之一。

每個滑塊6下面安裝一個定滑輪7，在定滑輪7上設置有吊絲8，吊絲8的兩端分別與配重塊9和空間機械臂3上面的滑環10連接；滑環10可以繞空間機械臂3的臂杆自由旋轉。

在進行三維空間運動測試時，空間機械臂3的安裝法蘭被通過螺釘固定在機架1的基座2上。當空間機械臂3完全展開時，將空間機械臂的兩個臂杆通過滑環10分別吊裝在定滑輪7上，並通過配重塊9平衡空間機械臂3所承受的重力。

測試時，規劃好一段空間軌跡(注意檢驗是否發生碰撞幹涉)，啟動空間機械臂3的關節驅動電機，控制關節按所規劃的軌跡完成三維空間多關節聯動測試，以檢驗空間機械臂3的控制性能。

採用本實施例提出的空間機械臂地面三維空間運動測試裝置及方法，其重力補償為被動式補償，無需主動力介入，因而不需配置電機等其它驅動裝置，成本和維護費用較低；能夠實現三維空間多軸聯動測試，其重力補償效果可達90％以上；安裝調試簡便、易於操作，能夠滿足空間機械臂的實驗操作要求。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，這些具體實施方式都是基於本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。