一種用于模擬多剛體機械臂運動的空間微低重力補償方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于模擬多剛體機械臂運動的空間微低重力補償方法，在機械臂運動時，通過懸吊裝置上的吊索傾角測量系統(tǒng)監(jiān)測懸吊裝置中吊索的偏角，同時，通過懸吊裝置上的力傳感器試試監(jiān)測吊索對機械臂的補償力，將偏角數值和補償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應的位置跟蹤運動以縮小偏角至允許誤差內，重力補償系統(tǒng)調節(jié)補償力的大小以縮小補償力的變化量至允許誤差內。本補償方法，不僅可以為多剛體機械臂提供月球表面微低重力的力學試驗空間，而且從根本上解決了在地面力學環(huán)境條件下模擬月球力學環(huán)境的難題。
【專利說明】一種用于模擬多剛體機械臂運動的空間微低重力補償方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于空間微低重力補償【技術領域】，尤其是涉及一種模擬月球表面微低重力的補償方法。

【背景技術】
[0002]在我國探月工程不斷取得成功之后，月球表面采樣活動將成為我國航天未來發(fā)展的重點，所以開展相關技術的研究和分析將成為下一步工作的重點，其中模擬月球表面微低重力環(huán)境，為后續(xù)相關模擬月球力學環(huán)境試驗提供技術保障是其中的關鍵研究內容之一，而多剛體機械臂地面環(huán)境微低重力模擬就是其中典型的代表。多剛體機械臂是由多個剛體通過不同自由度串聯而成的剛體系統(tǒng)，其顯著的特征就是自由度運動軌跡復雜，為了在地面環(huán)境條件下模擬其月球表面力學環(huán)境，為多剛體機械臂地面試驗和測試提供較為真實的月球表面工作力學環(huán)境，從而模擬驗證多剛體機械臂在月球環(huán)境下的全運動過程。本發(fā)明就是針對以上問題，而提出的一種全新的空間微低重力補償實現方法，該方法可以有效的模擬月球表面的微低重力環(huán)境，從而保證了多剛體機械臂在全過程的運動范圍內始終保持在微低重力的試驗環(huán)境下。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明要解決的問題是提供一種用于模擬多剛體機械臂運動的空間微低重力補償方法，不僅可以為多剛體機械臂提供月球表面微低重力的力學試驗空間，而且從根本上解決了在地面力學環(huán)境條件下模擬月球力學環(huán)境的難題。
[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種用于模擬多剛體機械臂運動的空間微低重力補償方法，包括以下步驟:
[0005]S1.通過懸吊裝置將機械臂懸吊連接于位置跟蹤系統(tǒng)，在機械臂未運動時，懸吊裝置中的吊索處于鉛直狀態(tài)；
[0006]S2.機械臂運動時，懸吊裝置上的吊索傾角測量系統(tǒng)監(jiān)測懸吊裝置中吊索的偏角，吊索傾角測量系統(tǒng)將偏角數值傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應的位置跟蹤運動以縮小偏角至允許誤差內；
[0007]S3.機械臂運動時，懸吊裝置上的力傳感器試試監(jiān)測吊索對機械臂的補償力，并將補償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，當補償力的變化量超出允許的誤差時，綜控系統(tǒng)控制重力補償系統(tǒng)調節(jié)補償力的大小以縮小補償力的變化量至允許誤差內；
[0008]S2和S3同時進行，實現機械臂運動時的位置跟蹤和重力補償。
[0009]其中，懸吊裝置懸吊連接于機械臂的質心。
[0010]其中，吊索傾角測量系統(tǒng)采用十字軸原理，其包括角度傳感器，吊索￠)的頂端與十字軸的一對轉軸連接，十字軸的另一對轉軸鉸接于重力補償系統(tǒng)且安裝有角度傳感器。
[0011]其中，機械臂的兩條臂桿分別設置有用于連接吊索下端的吊點，機械臂的內臂桿上設置雙側吊點，機械臂的外臂桿上設置單側吊點。
[0012]進一步，懸吊裝置還包括設置于吊索和機械臂之間的避讓機構和萬向軸承，吊索的下端連接于避讓機構，避讓機構的下端通過萬向軸承連接機械臂上的吊點。
[0013]進一步，位置跟蹤運動系統(tǒng)包括直角式跟蹤平臺和極坐標式跟蹤平臺，直角式跟蹤平臺跟蹤內臂桿的運動，極坐標式跟蹤平臺跟蹤外臂桿的運動，且與內臂桿相接的吊索穿過極坐標式跟蹤平臺的Z軸，與外臂桿相接的吊索連接直角式跟蹤平臺。
[0014]本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是:
[0015]1、吊索傾角測量系統(tǒng)采用十字軸的測量方法，對機械臂運動時產生的偏角進行檢測和反饋，進而通過綜控系統(tǒng)進行位置跟蹤系統(tǒng)的運動控制，實時性好、控制簡捷；
[0016]2、懸吊裝置與機械臂連接分別采用雙側懸吊和單側懸吊的連接方式，可以解決機械臂運動過程中，由合攏狀態(tài)到展開狀態(tài)出現的吊點位置突變的情況；
[0017]3、位置跟蹤系統(tǒng)的直角式跟蹤平臺和極坐標式跟蹤平臺，用于跟蹤內臂桿和外臂桿的運動，且內臂桿的吊索從極坐標式跟蹤平臺的中心穿過，此方法可以實現吊索在位置跟蹤系統(tǒng)上的吊點任意移動，而多個吊點之間不產生干涉現象。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的原理結構示意圖
[0019]圖2是吊索傾角測量系統(tǒng)的測量原理圖
[0020]圖3是吊索與機械臂的吊點位置示意圖
[0021]圖4是吊索與機械臂的連接結構示意圖
[0022]圖中:1-機械臂，11-內臂桿，12-外臂桿，2-懸吊裝置，21-避讓機構，22-萬向軸承，3-重力補償系統(tǒng)，4-極坐標式跟蹤平臺，5-直角式跟蹤平臺，6-吊索

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細說明。
[0024]本方法在空間微低重力補償系統(tǒng)下實現，空間微低重力補償系統(tǒng)包括支撐架；安裝于支撐架上層平臺的位置跟蹤系統(tǒng)，位置跟蹤系統(tǒng)包括可相對于上層平臺的X、Y方向運動的直角式跟蹤平臺，安裝于直角式跟蹤平臺的下方且可自轉或隨所述直角式跟蹤平臺在X、Y方向運動的極坐標式跟蹤平臺；安裝于直角式跟蹤平臺的頂部和所述極坐標式跟蹤平臺的底部的重力補償系統(tǒng)，連接重力補償系統(tǒng)和機械臂的懸吊裝置及用于監(jiān)控上述部件的綜控系統(tǒng)。懸吊裝置上設置有吊索傾角測量系統(tǒng)。
[0025]如圖1所示，一種用于模擬多剛體機械臂運動的空間微低重力補償方法，包括以下步驟:
[0026]S1.通過懸吊裝置2將機械臂I懸吊連接于位置跟蹤系統(tǒng)，在機械臂I未運動時，懸吊裝置2中的吊索6處于鉛直狀態(tài)；
[0027]S2.機械臂I運動時，懸吊裝置2上的吊索傾角測量系統(tǒng)監(jiān)測懸吊裝置2中吊索6的偏角，吊索傾角測量系統(tǒng)將偏角數值傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應的位置跟蹤運動以縮小偏角至允許誤差內；
[0028]S3.機械臂I運動時，懸吊裝置2上的力傳感器實時監(jiān)測吊索62對機械臂I的補償力，并將補償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，當補償力的變化量超出允許的誤差時，綜控系統(tǒng)控制重力補償系統(tǒng)3調節(jié)補償力的大小以縮小補償力的變化量至允許誤差內；
[0029]S2和S3同時進行，實現機械臂I運動時的位置跟蹤和重力補償。
[0030]吊索傾角測量系統(tǒng)的作用是監(jiān)測吊索6的偏角，構成位置閉環(huán)，其構成包括十字軸和角度傳感器，吊索6的頂端與十字軸的一對轉軸連接，十字軸的另一對轉軸鉸接于重力補償系統(tǒng)且安裝有角度傳感器，當吊索傾斜式，帶動十字軸轉動，角度傳感器可監(jiān)測傾斜的角度。通過角度傳感器的監(jiān)測，結合空間幾何的方法來解算機械臂的位置及姿態(tài)，求解吊索6的偏角，其原理如圖2所示，偏角α和β為吊索在與水平面垂直的平面內與鉛垂線的夾角。
[0031]位置跟蹤系統(tǒng)的作用是保持吊索6鉛垂，其包括極坐標式跟蹤平臺4和直角式跟蹤平臺5，直角式跟蹤平臺5跟蹤內臂桿11的運動，極坐標平臺5跟蹤外臂桿12的運動，且與內臂桿11相接的吊索穿過極坐標式跟蹤平臺4的Z軸，與外臂桿12相接的吊索連接直角式跟蹤平臺5。本方法可以實現吊索6在位置跟蹤系統(tǒng)上的兩個吊點任意移動，而不產生干涉現象。
[0032]重力補償系統(tǒng)3可以控制吊索6拉力，其包括力矩電機，拉力機構、傳感器、相關傳動和支撐部件組成。重力補償系統(tǒng)3設置于吊索6的上端位置，控制吊索6的伸縮，具有工作過程中拉力可調的特性，從而可以適應機械臂I不同工況下的工作要求。
[0033]懸吊裝置2用于連接機械臂I和重力補償系統(tǒng)3，其還包括設置于吊索6和機械臂I之間的避讓機構21和萬向軸承22，吊索6的下端連接于避讓機構21，避讓機構21的下端通過萬向軸承22連接機械臂I上的吊點。使用萬向軸承22的目的是使懸吊裝置2可以適應機械臂I的不同運動過程。使用避讓機構21的目的是防止出現懸吊裝置2與機械臂I產生干涉的情況出現，因為在機械臂I運動過程中會出現當機械臂I展開時吊點位置改變和當機械臂I在傾斜狀態(tài)下展開時吊點發(fā)生的“穿透”現象，為了消除這兩種現象，所以就需要萬向軸承22和避讓機構21配合使用。本發(fā)明的一個實施例中，如圖4所示，避讓機構設置為凸型的吊桿，吊桿的上端連接吊索，吊桿的下端連接萬向軸承，吊桿的中部彎折出一凸部，凸部增大了機械臂運動過程中避讓機構與機械臂之間的距離，避免二者發(fā)生碰撞。
[0034]優(yōu)選地，懸吊裝置2懸吊連接于機械臂I的質心。
[0035]優(yōu)選地，機械臂I的兩條臂桿分別設置有用于連接吊索6下端的吊點，機械臂I的內臂桿11上設置雙側吊點，即吊索6在其下端分成兩條分支，且兩條吊索分支分別連接機械臂I的兩側，如圖3所示；機械臂I的外臂桿12上設置單側吊點。這樣可以解決機械臂I運動過程中，由于合攏狀態(tài)運動到展開狀態(tài)而出現的吊點位置突變的情況。
[0036]綜控系統(tǒng)是人機交互、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)和記錄系統(tǒng)操作信息的平臺。
[0037]以上對本發(fā)明的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于模擬多剛體機械臂運動的空間微低重力補償方法，其特征在于:包括以下步驟: 51.通過懸吊裝置(2)將機械臂(I)懸吊連接于位置跟蹤系統(tǒng)，在機械臂(I)未運動時，懸吊裝置(2)中的吊索(6)處于鉛直狀態(tài)； 52.機械臂⑴運動時，懸吊裝置(2)上的吊索傾角測量系統(tǒng)監(jiān)測吊索(6)的偏角，吊索傾角測量系統(tǒng)將偏角數值傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應的位置跟蹤運動以縮小偏角至允許誤差內； 53.機械臂(I)運動時，懸吊裝置(2)上的力傳感器試試監(jiān)測吊索(6)對機械臂的補償力，并將補償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，當補償力的變化量超出允許的誤差時，綜控系統(tǒng)控制重力補償系統(tǒng)(3)調節(jié)補償力的大小以縮小補償力的變化量至允許誤差內； S2和S3同時進行，實現機械臂(I)運動時的位置跟蹤和重力補償。
2.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于:懸吊裝置(2)懸吊連接于機械臂(I)的質心。
3.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于:吊索傾角測量系統(tǒng)采用十字軸原理，其包括角度傳感器，吊索￠)的頂端與十字軸的一對轉軸連接，十字軸的另一對轉軸鉸接于重力補償系統(tǒng)且安裝有角度傳感器。
4.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于:機械臂(I)的兩條臂桿分別設置有用于連接吊索(6)下端的吊點，機械臂⑴的內臂桿(11)上設置雙側吊點，機械臂⑴的外臂桿(12)上設置單側吊點。
5.根據權利要求4所述的補償方法，其特征在于:懸吊裝置(2)還包括設置于吊索(6)和機械臂⑴之間的避讓機構(21)和萬向軸承(22)，吊索(6)的下端連接于避讓機構(21)，避讓機構(21)的下端通過萬向軸承(22)連接機械臂(I)上的吊點。
6.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于:位置跟蹤運動系統(tǒng)包括直角式跟蹤平臺(5)和極坐標式跟蹤平臺(4)，直角式跟蹤平臺(5)跟蹤內臂桿(11)的運動，極坐標式跟蹤平臺⑷跟蹤外臂桿(12)的運動，且與內臂桿(11)相接的吊索(6)穿過極坐標式跟蹤平臺⑷的Z軸，與外臂桿(12)相接的吊索(6)連接直角式跟蹤平臺(5)。
【文檔編號】B25J19/00GK104385302SQ201410545087
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權日:2014年10月15日
【發(fā)明者】劉鵬, 高奔, 陳建鵬, 韓佩彤 申請人:天津航天機電設備研究所