CN103158150B - 空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置 - Google Patents

空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置 Download PDF

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Abstract

空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置，它涉及一种柔性关节模拟装置。本发明为解决现有的空间机械臂柔性关节模拟装置难以实现柔性大负载、关节间隙可调的模拟试验以及试验验证周期长、耗资巨大的问题。驱动连接杆的一端与盘形延长轴转动连接，驱动连接杆的另一端与柔性弹片的一端固定连接，柔性弹片的另一端与负载固定框的侧壁固接，重物设置在负载固定框内，负载固定框固定在气浮足的上端面上；两个螺钉固定座关于驱动连接杆对称设置在调间隙转盘的上端面上，每个螺钉固定座上设置有一个调间隙内六角螺钉，两个力传感器对称设置在驱动连接杆的两侧壁上，两个力传感器与两个调间隙内六角螺钉同轴设置。本发明用于验证柔性关节模拟装置力学性能。

Description

空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置
技术领域
本发明涉及一种空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置，属于航空航天领域。
背景技术
空间机械臂是深入开展载人航天以及深空探测活动必不可少的工具，它在空间站系统中承担着舱段捕获与转移、仪器设备转移与安装、辅助航天员作业等功能。空间机械臂系统属于大型空间设备，具备承载能力大、定位精度高、柔性特性明显等特点，技术纵深大，交叉学科和关联环节多，涉及机、电、热、控等多个学科方面的技术，是一个多学科集成化、一体化的典型系统。
为了验证空间机械臂结构设计的合理性以及任务过程中的可靠性，需要在地面建立一个实验验证模拟装置。目前，国内的大型空间机械臂的地面模拟装置都是通过理论与实验相结合，通过高精度动态测量技术与理论模型修正，得到用于任务验证的机械臂精确动力模型与面向在轨应用的实时动力学模型。这些动力学模型的实际机构与空间机械臂的实际结构相差无几。因而这些空间机械臂地面模拟装置都是体积大、质量大、耗资大并且实验验证周期长。另外，实际空间机械臂在工作过程中都会涉及到大负载情况，实际的大负载质量可以达到二十五吨，这在现有的大型空间机械臂地面模拟装置上无法实现；随着空间机械臂关节在工作过程中会产生磨损，导致关节间隙增大，机构的特性退化，而现有的地面模拟装置也无法调节关节间隙，故无法模拟空间机械臂在工作过程中因磨损而产生的关节间隙增大这一情况；现有的空间机械臂模拟装置的臂杆刚度也是不可调的。
综上，现有的空间机械臂柔性关节模拟装置难以实现柔性大负载、关节间隙可调的模拟试验以及试验验证周期长、耗资巨大。
发明内容
本发明为解决现有的空间机械臂柔性关节模拟装置难以实现柔性大负载、关节间隙可调的模拟试验以及试验验证周期长、耗资巨大的问题，进而提供一种空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
本发明的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置包括电机固定座、驱动电机、调间隙转盘、盘形延长轴、驱动连接杆、柔性弹片、负载固定框、重物、气浮足、两个力传感器、两个调间隙内六角螺钉、两个螺钉固定座；驱动电机通过电机固定座固装在试验台上，驱动电机的输出轴朝上竖直设置，调间隙转盘与驱动电机的输出轴固接，盘形延长轴固装在调间隙转盘的上端面上且盘形延长轴与驱动电机的输出轴同轴设置，驱动连接杆的一端与盘形延长轴转动连接，驱动连接杆的另一端与柔性弹片的一端固定连接，柔性弹片的另一端与负载固定框的侧壁固接，重物设置在负载固定框内，负载固定框固定在气浮足的上端面上；两个螺钉固定座关于驱动连接杆对称设置在调间隙转盘的上端面上，每个螺钉固定座上设置有一个调间隙内六角螺钉，两个力传感器对称设置在驱动连接杆的两侧壁上，两个力传感器与两个调间隙内六角螺钉同轴设置。
本发明的有益效果是：
本发明的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置通过两个调节间隙内六角螺钉可根据不同的情况实时调节与两个力传感器之间的间隙，本发明的柔性关节模拟装置的负载部分可以调节，气浮足保证装置的空间零重力模拟状态；柔性弹片具有柔性，本发明的柔性关节模拟装置的刚度可以通过更换不同的柔性弹片来调节；与现有的空间机械臂柔性关节模拟装置的空间及重载条件下地面实验验证很难实现相比，通过两个力传感器做到实时在线动态测量，大大缩短了验证周期，通过采集得到的数据和驱动电机的输入信号验证柔性关节模拟装置的力学性能；
本发明的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置是一个空间大型机械臂基于载荷和频率等效的具有柔性负载的缩比模型，比实际的空间机械臂在尺寸上小了很多，可置于一般的实验室进行实验验证，大大节省了实验投资。
附图说明
图1是本发明的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置的立体图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置包括电机固定座1、驱动电机2、调间隙转盘3、盘形延长轴5、驱动连接杆7、柔性弹片11、负载固定框12、重物13、气浮足14、两个力传感器8、两个调间隙内六角螺钉9、两个螺钉固定座10；驱动电机2通过电机固定座1固装在试验台上，驱动电机2的输出轴朝上竖直设置，调间隙转盘3与驱动电机2的输出轴固接，盘形延长轴5固装在调间隙转盘3的上端面上且盘形延长轴5与驱动电机2的输出轴同轴设置，驱动连接杆7的一端与盘形延长轴5转动连接，驱动连接杆7的另一端与柔性弹片11的一端固定连接，柔性弹片11的另一端与负载固定框12的侧壁固接，重物13设置在负载固定框12内，负载固定框12固定在气浮足14的上端面上；两个螺钉固定座10关于驱动连接杆7对称设置在调间隙转盘3的上端面上，每个螺钉固定座10上设置有一个调间隙内六角螺钉9，两个力传感器8对称设置在驱动连接杆7的两侧壁上，两个力传感器8与两个调间隙内六角螺钉9同轴设置。
电机固定座1放置于光滑水平的实验台上，将驱动电机2用四个螺栓和电机固定座1连接起来，这样，可以保证驱动电机2在运转地时电机的候稳定和电机输出轴的竖直；如果电机输出轴直接作用到驱动连接杆7上的话，就无法模拟关节内部的碰撞情况更不能实现间隙可调的碰撞。所以，电机输出轴通过平键将电机的运动情况传给调间隙转盘3，使得驱动电机2的转动和调间隙转盘3的运动一致，然后靠调间隙转盘3带动驱动连接杆7转动，在调间隙转盘3的上方和电机输出轴同回转轴的地方固定一个盘形延长轴5，使得驱动连接杆7在受调间隙转盘3的力的作用的时候绕着电机输出轴的回转轴转动，而驱动连接杆7和盘形延长轴5之间相互接触并存在相对运动；
需要模拟的关节不同，其内部的间隙也不相同，通过旋转调间隙螺钉9来实现间隙调节，并通过固定在驱动连接杆7上的力传感器8测得调间隙螺钉9和驱动连接杆7之间力的动态关系，可以测得驱动力也可以是碰撞过程中某一时刻的瞬时力；
根据不同的负载重量调节柔性弹片11的刚度，进而控制机械臂的振动频率。负载固定框12和重量可调节的重物13通过螺栓和螺母紧固在一起，气浮足14和负载固定框12也通过螺栓和螺钉连接起来，共同构成了装置的负载部分；调节气浮足便可以模拟机械臂在零重力条件下的运动，该套装置实现了基于载荷和频率等效的气浮零重力缩比实验验证。
具体实施方式二：如图1所示，本实施方式驱动连接杆7的一端通过两个深沟球轴承与盘形延长轴5的上部转动连接，两个深沟球轴承上下对应套装在盘形延长轴5上。如此设置，轴承的内圈和盘形延长轴5紧密配合，轴承的外圈和驱动连接杆7紧密配合，滚动滑动效果好。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1所示，本实施方式所述盘形延长轴5由固定圆盘5-1和延长轴5-2构成，延长轴5-2与固定圆盘5-1同轴固装为一体。如此设计，便于盘形延长轴5固定在调间隙转盘3上。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式所述所述柔性关节模拟装置的回转半径为785mm。如此设计，可置于一般的实验室进行实验验证，无需较大的实验投资。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
工作原理：
首先给驱动电机2输入一个信号使电机轴做变速运动，根据电机控制器反馈的信息看信号跟踪是否良好；驱动电机2带动调间隙转盘3转动的过程中，由于是变速运动，故调间隙螺钉会和驱动连接杆7发生碰撞接触，碰撞力由对称放置于驱动连接杆7两侧的力传感器8采集。根据采集到数据结合驱动电机的输入信号获得机械臂关节的运动状态，测试其动力学特性。通过调间隙内六角螺钉9改变关节的间隙大小，模拟机械臂关节在长期工作关节磨损后关节间隙变大的情况。通过更换不同刚度的柔性弹片11可以实现不同刚度机械臂的地面模拟试验。通过精确的动态测量，可以模拟空间机械臂在不同条件下的力学特性，验证空间机械臂设计的合理性和工作过程中的可靠性。

Claims (4)

1.一种空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置，其特征在于：所述柔性关节模拟装置包括电机固定座(1)、驱动电机(2)、调间隙转盘(3)、盘形延长轴(5)、驱动连接杆(7)、柔性弹片(11)、负载固定框(12)、重物(13)、气浮足(14)、两个力传感器(8)、两个调间隙内六角螺钉(9)、两个螺钉固定座(10)；驱动电机(2)通过电机固定座(1)固装在试验台上，驱动电机(2)的输出轴朝上竖直设置，调间隙转盘(3)与驱动电机(2)的输出轴固接，盘形延长轴(5)固装在调间隙转盘(3)的上端面上且盘形延长轴(5)与驱动电机(2)的输出轴同轴设置，驱动连接杆(7)的一端与盘形延长轴(5)转动连接，驱动连接杆(7)的另一端与柔性弹片(11)的一端固定连接，柔性弹片(11)的另一端与负载固定框(12)的侧壁固接，重物(13)设置在负载固定框(12)内，负载固定框(12)固定在气浮足(14)的上端面上；两个螺钉固定座(10)关于驱动连接杆(7)对称设置在调间隙转盘(3)的上端面上，每个螺钉固定座(10)上设置有一个调间隙内六角螺钉(9)，两个力传感器(8)对称设置在驱动连接杆(7)的两侧壁上，两个力传感器(8)与两个调间隙内六角螺钉(9)同轴设置。
2.根据权利要求1所述的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置，其特征在于：驱动连接杆(7)的一端通过两个深沟球轴承与盘形延长轴(5)的上部转动连接，两个深沟球轴承上下对应套装在盘形延长轴(5)上。
3.根据权利要求1或2所述的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置，其特征在于：所述盘形延长轴(5)由固定圆盘和延长轴构成，延长轴与固定圆盘同轴固装为一体。
4.根据权利要求3所述的空间机械臂间隙可调的柔性关节模拟装置，其特征在于：所述柔性关节模拟装置的回转半径为785mm。
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