CN103950042A - 三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置 - Google Patents

Abstract

三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置，它涉及一种重力补偿装置。本发明为解决目前没有六自由度空间机械臂在地面进行空间模拟实验的重力补偿系统的问题。定小臂的一端固装在主回转轴的轴心上，主回转臂的一端与主回转轴转动连接；主回转臂的另一端与大回转轴的上端转动连接，大回转臂的一端安装在大回转轴的下端；大回转臂的另一端与小回转轴转动连接，小回转臂的一端安装在小回转轴的下端；定小臂与六自由度空间机械臂的第一连杆通过一套吊丝配重系统连接，大回转臂与六自由度空间机械臂的第二连杆通过一套吊丝配重系统连接。本发明用于悬挂式六自由度空间机械臂在地面进行空间模拟实验的重力补偿。

Description

三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂重力补偿装置，具体涉及一种三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置。

背景技术

六自由度空间机械臂分系统是空间机器人系统的重要组成部分。在完成实验室研制阶段应进行机械臂的功能验证、运动学算法验证，在总装场要实现机械臂与卫星本体的安装，安装后还要验证机械臂的功能和测试机械臂的运动精度。上述过程都要在地面完成，而机械臂是按照太空失重环境要求设计的，在地面试验中，如果不进行重力补偿，重力的作用将会在各关节部位产生较大的力和力矩，会导致驱动电机无法正常运转，甚至损坏机械臂。因此，需要研制六自由度空间机械臂重力补偿系统，重力补偿的目的是要在地面上模拟空间的零重力环境，以实现对空间机械臂的控制，进行太空环境中机械臂运动模拟试验。

综上，目前没有六自由度空间机械臂在地面进行空间模拟实验的重力补偿系统。

发明内容

本发明为解决目前没有六自由度空间机械臂在地面进行空间模拟实验的重力补偿系统的问题，进而提供了一种三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置包括主回转臂机构、大回转臂机构、小回转臂机构和三套吊丝配重系统，主回转臂机构、大回转臂机构和小回转臂机构依次连接；

主回转臂机构包括主回转轴、主回转臂和定小臂，主回转轴竖直设置且与六自由度空间机械臂的第一关节同轴设置，主回转轴的上端固定在基座上，定小臂水平设置，定小臂的一端固装在主回转轴的轴心上，主回转臂水平设置，主回转臂的一端与主回转轴转动连接；

大回转臂机构包括大回转轴和大回转臂，大回转轴竖直设置且与六自由度空间机械臂的第二关节同轴设置，主回转臂的另一端与大回转轴的上端转动连接，大回转臂水平设置，大回转臂的一端安装在大回转轴的下端上且大回转臂与大回转轴转动连接；

小回转臂机构包括小回转轴和小回转臂，小回转轴竖直设置且与六自由度空间机械臂的第三关节同轴设置，大回转臂的另一端与小回转轴转动连接，小回转臂水平设置，小回转臂的一端安装在小回转轴的下端上且小回转臂与小回转轴转动连接；

定小臂与六自由度空间机械臂的第一连杆通过一套吊丝配重系统连接，大回转臂与六自由度空间机械臂的第三连杆通过一套吊丝配重系统连接，小回转臂与六自由度空间机械臂的第四连杆通过一套吊丝配重系统连接。

本发明的有益效果是：

本发明的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置采用三个串联回转机构对六自由度空间机械臂的三个固定吊点进行悬挂，六自由度空间机械臂的三个固定吊点位于六自由度空间机械臂的第一连杆、第二连杆和第三连杆上，三个固定吊点通过吊丝配重系统对应连接在定小臂、大回转臂和小回转臂上；主回转臂机构中的主回转轴与六自由度空间机械臂的第一关节同轴设置，因此主回转臂跟随六自由度空间机械臂的第二连杆运动，大回转臂机构中的大回转轴与六自由度空间机械臂的第二关节同轴，因此大回转臂跟随六自由度空间机械臂的第三连杆运动；小回转臂机构中的小回转轴与六自由度空间机械臂的第三关节同轴，因此小回转臂跟随六自由度空间机械臂的第四连杆运动，有效地解决了六自由度空间机械臂在地面进行模拟实验时候的重力补偿问题，安全方便有效，具有较高的可靠性和良好的可扩展性；

本发明的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置还具有结构简单、可操作能力强，跟随效果好的优点。

附图说明

图1是本发明的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置的整体结构示意图，图2是具体实施方式一中吊丝配重系统14的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～2所示，本实施方式的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置包括主回转臂机构11、大回转臂机构12、小回转臂机构13和三套吊丝配重系统14，主回转臂机构11、大回转臂机构12和小回转臂机构13依次连接；

主回转臂机构11包括主回转轴11-1、主回转臂11-2和定小臂11-3，主回转轴11-1竖直设置且与六自由度空间机械臂的第一关节2同轴设置，主回转轴11-1的上端固定在基座上，定小臂11-3水平设置，定小臂11-3的一端固装在主回转轴11-1的轴心上，主回转臂11-2水平设置，主回转臂11-2的一端与主回转轴11-1转动连接；

大回转臂机构12包括大回转轴12-1和大回转臂12-2，大回转轴12-1竖直设置且与六自由度空间机械臂的第二关节4同轴设置，主回转臂11-2的另一端与大回转轴12-1的上端转动连接，大回转臂12-2水平设置，大回转臂12-2的一端安装在大回转轴12-1的下端上且大回转臂12-2与大回转轴12-1转动连接；

小回转臂机构13包括小回转轴13-1和小回转臂13-2，小回转轴13-1竖直设置且与六自由度空间机械臂的第三关节6同轴设置，大回转臂12-2的另一端与小回转轴13-1转动连接，小回转臂13-2水平设置，小回转臂13-2的一端安装在小回转轴13-1的下端上且小回转臂13-2与小回转轴13-1转动连接；

定小臂11-3与六自由度空间机械臂的第一连杆1通过一套吊丝配重系统14连接，大回转臂12-2与六自由度空间机械臂的第三连杆5通过一套吊丝配重系统14连接，小回转臂13-2与六自由度空间机械臂的第四连杆7通过一套吊丝配重系统14连接。

主回转臂机构中的主回转轴与六自由度空间机械臂的第一关节同轴设置，因此主回转臂跟随六自由度空间机械臂的第二连杆3运动，大回转臂机构中的大回转轴与六自由度空间机械臂的第二关节同轴，因此大回转臂跟随六自由度空间机械臂的第三连杆5运动；小回转臂机构中的小回转轴与六自由度空间机械臂的第三关节同轴，因此小回转臂跟随六自由度空间机械臂的第四连杆7运动。

本发明的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置重力补偿机构采用柱坐标式主旋转臂套副旋转臂的方式，本发明的重力补偿装置的运动均为单轴旋转运动。如此设计，结构简单、跟随能力强，控制方便。

具体实施方式二：如图1～2所示，本实施方式吊丝配重系统14包括吊绳14-1、定滑轮14-2和配重块14-3，定小臂11-3、大回转臂12-2和小回转臂13-2上均安装有一个定滑轮14-2，每个定滑轮14-2上安装有一根吊绳14-1，吊绳14-1的一端连接有配重块14-3，吊绳14-1的另一端与对应的六自由度空间机械臂连杆相连接。如此设计，结构简单，并且便于调整各个吊点的配重，为重力补偿提供方便。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，本实施方式所述重力补偿装置还包括第一轴套15，第一轴套15套装在主回转轴11-1上，主回转臂11-2的一端固装在第一轴套15的外壁上。如此设计，可以使主回转轴11-1方便的绕着主回转臂11-2转动，结构简单，方便灵活。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：如图1所示，本实施方式所述重力补偿装置还包括第二轴套16，第二轴套16套装在大回转轴12-1上，主回转臂11-2的另一端固装在第二轴套16的外壁上。如此设计，可以使大回转轴12-1方便的带动大回转臂12-2转动，结构简单，方便灵活。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式所述重力补偿装置还包括第三轴套17，

第三轴套17套装在小回转轴13-1上，大回转臂12-2的另一端固装在第三轴套17的外壁上。如此设计，可以使小回转轴13-1方便的带动小回转臂13-2转动，结构简单，方便灵活。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

工作原理：

本发明采用随动控制方法对空间机械臂进行重力补偿。安装时，重力补偿装置的主回转轴11-1与机械臂的第一关节2同轴，大回转轴12-1与第二关节4同轴，小回转轴13-1与第三关节6同轴；另外采用三套吊丝配重系统14分别对选定好的三对悬挂点进行悬挂，然后调节吊丝配重系统的配重块14-3使空间机械臂达到重力补偿的效果。

工作时，当空间机械臂的第一关节2、第二关节4和第三关节6产生旋转运动时，重力补偿装置不跟随产生运动；当空间机械臂的第一关节2产生旋转运动时，重力补偿装置的主回转轴11-1跟随第一关节2产生旋转运动，带动主回转臂11-2跟随第二连杆3运动，使大回转轴12-1的轴线始终与第二关节4的轴线重合；当空间机械臂的第二关节4产生旋转运动时，重力补偿装置的大回转轴12-1跟随空间机械臂的第二关节4产生旋转运动，带动大回转臂12-2跟随第三连杆5运动，使小回转轴13-1的轴线始终与第三关节6的轴线重合；当空间机械臂的第三关节6产生旋转运动时，重力补偿装置的小回转轴13-1跟随空间机械臂的第三关节6产生旋转运动，带动小回转臂13-2跟随第四连杆7运动。如此一来即可完成对空间机械臂的重力补偿，可以进行空间机械臂的随动控制和被动的重力调整。

Claims (5)

1.一种三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置，其特征在于：所述重力补偿装置包括主回转臂机构（11）、大回转臂机构（12）、小回转臂机构（13）和三套吊丝配重系统（14），主回转臂机构（11）、大回转臂机构（12）和小回转臂机构（13）依次连接；

主回转臂机构（11）包括主回转轴（11-1）、主回转臂（11-2）和定小臂（11-3），主回转轴（11-1）竖直设置且与六自由度空间机械臂的第一关节（2）同轴设置，主回转轴（11-1）的上端固定在基座上，定小臂（11-3）水平设置，定小臂（11-3）的一端固装在主回转轴（11-1）的轴心上，主回转臂（11-2）水平设置，主回转臂（11-2）的一端与主回转轴（11-1）转动连接；

大回转臂机构（12）包括大回转轴（12-1）和大回转臂（12-2），大回转轴（12-1）竖直设置且与六自由度空间机械臂的第二关节（4）同轴设置，主回转臂（11-2）的另一端与大回转轴（12-1）的上端转动连接，大回转臂（12-2）水平设置，大回转臂（12-2）的一端安装在大回转轴（12-1）的下端上且大回转臂（12-2）与大回转轴（12-1）转动连接；

小回转臂机构（13）包括小回转轴（13-1）和小回转臂（13-2），小回转轴（13-1）竖直设置且与六自由度空间机械臂的第三关节（6）同轴设置，大回转臂（12-2）的另一端与小回转轴（13-1）转动连接，小回转臂（13-2）水平设置，小回转臂（13-2）的一端安装在小回转轴（13-1）的下端上且小回转臂（13-2）与小回转轴（13-1）转动连接；

定小臂（11-3）与六自由度空间机械臂的第一连杆（1）通过一套吊丝配重系统（14）连接，大回转臂（12-2）与六自由度空间机械臂的第三连杆（5）通过一套吊丝配重系统（14）连接，小回转臂（13-2）与六自由度空间机械臂的第四连杆（7）通过一套吊丝配重系统（14）连接。

2.根据权利要求1所述的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置，其特征在于：吊丝配重系统（14）包括吊绳（14-1）、定滑轮（14-2）和配重块（14-3），定小臂（11-3）、大回转臂（12-2）和小回转臂（13-2）上均安装有一个定滑轮（14-2），每个定滑轮（14-2）上安装有一根吊绳（14-1），吊绳（14-1）的一端连接有配重块（14-3），吊绳（14-1）的另一端与对应的六自由度空间机械臂连杆相连接。

3.根据权利要求1或2所述的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置，其特征在于：所述重力补偿装置还包括第一轴套（15），第一轴套（15）套装在主回转轴（11-1）上，主回转臂（11-2）的一端固装在第一轴套（15）的外壁上。

4.根据权利要求3所述的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置，其特征在于：所述重力补偿装置还包括第二轴套（16），第二轴套（16）套装在大回转轴（12-1）上，主回转臂（11-2）的另一端固装在第二轴套（16）的外壁上。

5.根据权利要求1、2或4所述的三回转臂串联悬挂式六自由度空间机械臂重力补偿装置，其特征在于：所述重力补偿装置还包括第三轴套（17），第三轴套（17）套装在小回转轴（13-1）上，大回转臂（12-2）的另一端固装在第三轴套（17）的外壁上。