CN103979121A - 一种含谐波传动的空间机械臂模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，属于航天工程技术领域。该装置采用谐波减速器传动及空间机械臂微重力测试机构，包含以下5个部分：基座，具有90°安装可调功能；关节驱动机构，采用伺服电机驱动与谐波减速器传动的形式；臂杆刚化调节机构，采用可更换臂杆套筒的拉力预紧机构，以模拟应力刚化作用下臂杆的不同柔性；悬吊机构，采用铝合金型材支架和无附加约束的二维悬吊机构；运动精度测试机构，采用PSD位置传感器和激光发生器，可测量机械臂末端的柔性变形量。该装置能够实现谐波传动空间机械臂在微重力环境下的动力学性能测试，在航天工程领域有广阔的应用前景。

Description

一种含谐波传动的空间机械臂模拟装置

技术领域

本发明提供一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，属于民用航天工程技术领域。

背景技术

随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航天飞机、空间机器人等的诞生及成功应用，空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术已经进入太空，并越来越受到人们的关注。空间机械臂作为航天器上的重要维护工具，可以完成释放、回收卫星以及空间站的在轨装配、维修等各种任务，并作为航天员出舱工作的辅助工具。近年来，空间站在轨服务、深空探测等空间技术领域的迅速发展，对于空间机械臂的工作能力和性能要求越来越高。在工程应用方面，空间机械臂技术的发展提升了航天器在轨维护与建设的能力，增强了航天器的工作性能。

开展空间机械臂的地面微重力仿真实验对空间机械臂的设计和控制研究具有重要的工程价值。此外，谐波减速器的结构紧凑、传动效率高和回差小等优点使得其成为未来空间机械臂的主要减速机构。目前为止，国内外科研机构和学者针对空间机械臂的地面实验提出了一系列的模拟装置。根据机械臂的模拟装置研究现状，结合相关文献发现现有的模拟装置主要存在以下问题：

(1)只关注机械臂的重力补偿，而没有具体的采用谐波减速的机械臂关节设计研究，如中国专利CN103144104；

(2)现多采用气浮法只能进行二维转动及一维转动和球面的三轴姿态控制试验，如中国专利CN101865655；

(3)空间机械臂地面实验很少设计臂杆柔性的主动控制装置，如美国专利US005390288。

发明内容

本发明考虑到现有空间机械臂地面模拟实验装置的缺陷，提出了一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，该装置包含谐波减速器传动及空间机械臂微重力测试机构，能够实现谐波传动空间机械臂在微重力环境下的动力学性能测试。

本发明采用的技术方案如下：

该装置主要由四部分组成，分别是机械臂回转运动机构、微重力模拟与测试机构、臂杆刚化调节机构、运动精度测试机构；

所述臂杆刚化调节机构设置于机械臂回转运动机构的臂杆中，微重力模拟与测试机构设置于机械臂回转运动机构上方，并与机械臂回转运动机构的臂杆连接，运动精度测试机构设置于机械臂回转运动机构的二级臂杆的前端；

所述机械臂回转运动机构由基座、连接件、关节、臂杆组成；其中，所述基座由T型槽、T型滑块、支架和底座杆四部分组成，T型滑块嵌在T型槽中，通过螺栓螺母把支架和T型滑块连接，底座杆固定安装在支架上；连接件有四件，关节和臂杆各有两件：第一连接件连接底座杆与一级关节，具有90度安装可调功能；第二连接件连接一级关节与一级臂杆；第三连接件连接一级臂杆与二级关节；第四连接件连接二级关节与二级臂杆；关节由关节壳体和关节驱动机构组成；

所述臂杆刚化调节机构由拉力传感器、吊环螺母、钢丝、预紧调节装置组成；第一拉力传感器一端与第二连接件连接，另一端与第一吊环螺母连接；在第二吊环螺母上连接螺栓，再将两个吊环螺母连接在第一钢丝的两端；将第二吊环螺母的螺栓穿过预紧螺母挡环，预紧螺母挡环卡在第三连接件中，用螺母将第二吊环螺母固定以拉紧钢丝，以调节一级臂杆的刚度；

预紧调节装置安装在二级臂杆的末端，第二拉力传感器一端与第四连接件连接，另一端与第三吊环螺母连接；在第四吊环螺母上连接螺栓，再将两个吊环螺母连接在第二钢丝的两端；将第四吊环螺母的螺栓穿过预紧调节装置并用蝶形螺母固定，以调节二级臂杆的刚度；

所述微重力模拟与测试机构由铝型材支架、悬吊绳索、滑块、滑轨、拉力传感器组成；

所述运动精度测试机构由PSD位置传感器和激光发射器组成。所述PSD位置传感器固定于二级臂杆的前端，激光发射器固定在二级臂杆的另一端上。所述激光发生器与PSD位置传感器的组合用于测量柔性臂末端的柔性变形量。

所述基座采用铸铁的T型槽和不锈钢支架，底座杆与第一连接件连接处设置4个弧形的孔，具有90°安装可调功能。

所述关节驱动机构，采用伺服电机驱动与谐波减速器传动的形式，由伺服电动机、联轴器、谐波减速器组成；其中，伺服电动机的额定输出为50W，额定输出转速为3000r/min；谐波减速器为XB1-25号单级谐波减速器，传动比为63：1。

所述微重力模拟与测试机构包含：铝型材支架、悬吊绳索、滑块、滑轨、拉力传感器；所述铝型材支架由2根1360mm、5根1250mm的、6根1500mm的规格为40mm×40mm的铝型材搭成；滑轨分为横向滑轨和纵向滑轨；横向滑轨两端固定在位于前面和后面的支架上，每根横向滑轨上有两个滑块，将纵向滑轨两端固定在所述两横向滑轨的滑块上，每根纵向滑轨上有一个滑块。所述悬吊绳索一端固定在所述纵向滑轨的滑块上，另一端连接在机械臂的臂杆中间位置。所述拉力传感器串联在悬吊绳索上，可以测试机械臂在运动过程中悬吊绳索的实时拉力。

所述臂杆包含：喉箍、6061铝合金管。6061铝合金管套在所述连接件上，通过喉箍紧箍。

所述臂杆刚化调节机构采用可更换臂杆套筒，安装在机械臂回转运动机构的臂杆中。

本发明的技术效果为：

(1)本发明研制了一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，其优点及功效在于可以研究含谐波减速器的空间机械臂动力学输出特性。

(2)本发明的悬吊机构简单，对空间机械臂没有干涉，并可以调整悬吊绳索的张力。

(3)本发明可以方便地调整臂杆刚化调节机构中钢丝的预紧力，能实时获得钢丝张力的数值。

(4)本发明采用高精度二维悬吊系统模拟空间机械臂的微重力测试实验，并设计了臂杆柔性的主动控制装置，扩展了空间机械臂地面模拟实验的功能。

(5)本发明能测试在不同驱动参数情况下空间机械臂的运动学特性，能模拟多种机械故障情况下空间机械臂臂杆的振动情况。

附图说明

图1(a)和图1(b)是含谐波传动空间机械臂模拟装置的整体结构示意图；

图2是基座的结构示意图；

图3是关节壳体结构原理图；

图4是关节驱动机构的原理图；

图5是关节的整装图；

图6是一级臂杆刚度调节原理图；

图7是二级臂杆刚度调节原理图；

图8是臂杆的结构图；

图9是悬吊装置结构图；

图10是运动精度测试原理图。

图中标号：

1-基座；1A-T型槽；1B-T型滑块；1C-支架；1D-底座杆；2A-第一连接件；2B-第二连接件；2C-第三连接件；2D-第四连接件；3-关节壳体；3A-电机壳轴；3B-电机壳；3C-垫板；3D-减速器壳；4-关节驱动机构；4A-伺服电动机；4B-联轴器；4C-谐波减速器；5A-铝合金管；5B-喉箍；5C-一级臂杆；5D-二级臂杆；6A-第一拉力传感器；6B-第二拉力传感器；7-吊环螺母；8A-第一钢丝；8B-第二钢丝；9-预紧调节装置；9A-螺母挡环；9B-螺栓；9C-螺母；9D-蝶形螺母；9E-末端预紧螺母挡环；10-铝型材支架；11-吊绳；12-滑块；13A-横向滑轨；13B-纵向滑轨；14-第三拉力传感器；15-PSD位置传感器；16-激光发射器。

具体实施方式

本发明提供了一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，下面结合附图对本发明的结构、原理与实施方式进一步说明。

图1(a)和图1(b)是本发明中含谐波传动空间机械臂模拟装置的立体结构示意图。该装置包含四个主要部分，机械臂回转运动机构；臂杆刚化调节机构；微重力模拟与测试机构、运动精度测试机构。臂杆刚化调节机构设置于机械臂回转运动机构的臂杆中，微重力模拟与测试机构设置于机械臂回转运动机构上方，连接臂杆，运动精度测试机构设置于机械臂回转运动机构的二级臂杆的前端。

含谐波传动空间机械臂模拟装置包含：基座1、连接件、关节壳体3、关节驱动机构4、臂杆、拉力传感器、吊环螺母、钢丝、预紧调节装置9、铝型材支架10、吊绳11、滑块12、滑轨13、传感器14、PSD位置传感器15、激光发射器16。

图2是基座的结构示意图。基座1的组成包含：T型槽1A、T型滑块1B、支架1C、底座杆1D。T型滑块1B嵌在T型槽1A中，通过螺栓和螺母连接支架1C和T型滑块1B，将底座杆1D底部的带螺纹部分穿过支架1C中间的孔，用螺母紧固。将连接件2A上的弧形孔与底座杆1D上的弧形孔通过螺栓连接，具有90^°安装可调功能,可以调节机械臂的水平。

连接件有四件，关节和臂杆各有两件：第一连接件2A连接底座杆1D与一级关节，具有90度安装可调功能；第二连接件2B连接一级关节与一级臂杆5C；第三连接件2C连接一级臂杆5C与二级关节；第四连接件2D连接二级关节与二级臂杆5D；关节由关节壳体3和关节驱动机构4组成.

图3是关节壳体结构示意图。关节壳体3包含：电机壳轴3A、电机壳3B、垫板3C、减速器壳3D、六角螺栓、垫片、螺母。电机壳轴3A从电机壳3B顶端的圆孔穿出，用螺母固定，再通过螺栓将电机壳3B、垫板3C与减速器壳3D连接。如图1所示，电机壳轴3A穿出电机壳后固定在连接件2A上，其间通过键连接，再用弹簧垫片，普通垫片与螺母将电机壳轴3A与连接件2A紧固。

图5是关节的整装示意图。关节驱动机构包含：伺服电动机4A、联轴器4B、谐波减速器4C。伺服电动机4A额定输出50W，额定输出转速为3000r/min；谐波减速器4C为XB1-25号单级谐波减速器，速比为63。谐波减速器承载能力高，谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高，传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。如图4所示，联轴器4B将伺服电动机4A与谐波减速器4C联接。如图5所示，用螺栓螺母将伺服电机4A固定在垫板3C上，谐波减速器4C用螺钉固定在减速器壳上，完成整个关节的装配。

图6是一级臂杆刚度调节原理示意图。一级臂杆5C的预紧调节装置包含：预紧螺母挡环9A、螺栓9B、螺母9C。如图1、图6所示，第一拉力传感器6A的一端与第二连接件2B连接，另一端与第一吊环螺母连接；在第二吊环螺母上连接螺栓9B，再将两个吊环螺母连接在第一钢丝8A的两端；将第二吊环螺母的螺栓9B穿过螺母挡环9A，螺母挡环9A卡在第三连接件2C中，用螺母9C将第二吊环螺母固定以拉紧第一钢丝8A，以调节一级臂杆5C的刚度。

图7是本装置的二级臂杆刚度调节原理示意图。二级臂杆的预紧调节装置包含：末端预紧螺母挡环9E、螺栓9B、蝶形螺母9D。如图1、图7所示，二级臂杆5D的第二拉力传感器6B的一端与第四连接件2D连接，另一端连接第三吊环螺母。第四吊环螺母拧上螺栓9B，再用第二钢丝8B两端分别连上所述吊环螺母，穿过二级臂杆5D。将螺栓9B穿过末端预紧螺母挡环9E，用蝶形螺母9D拧上螺栓以拉紧第二钢丝8B，可以通过调节蝶形螺栓9D调节臂杆刚度进行测试。

图8是臂杆结构示意图。臂杆部分包含：6061铝合金管5A、喉箍5B。6061铝合金管壁厚2mm，一级臂杆5C一端套在第二连接件2B上，另一端套在第三连接件2C上，内含第一钢丝8A，两端分别用喉箍5B紧箍。二级臂杆5D一端套在第四连接件2D上用喉箍5B紧箍，另一端连接末端预紧螺母挡环9E。

图9是本发明的微重力模拟与测试机构示意图。微重力模拟与测试机构包含：铝型材支架10、悬吊绳索11、滑块12、滑轨、拉力传感器14。滑轨分为横向滑轨13A和纵向滑轨13B。

铝型材支架10选择规格为40mm×40mm的6061铝合金型材，整个悬吊支架由2根1360mm、5根1250mm的、6根1500mm的型材搭成。横向滑轨13A两端固定在前面和后面的支架上，每根横向滑轨13A上有两个滑块，将纵向滑轨13B两端固定在前面和后面的滑块上，每根纵向滑轨13B上有一个滑块。悬吊绳索11一端固定在纵向滑轨的滑块上，另一端连接在机械臂的中部。第三拉力传感器14串联在悬吊绳索11上，可以测试机械臂在运动过程中悬吊绳索的实时拉力。

图10的运动精度测试机构示意图。运动精度测试机构含有：PSD位置传感器15和激光发射器16。PSD位置传感器15固定在二级臂杆5D的前端，激光发射器16固定在二级臂杆5D的另一端上，因此激光发生器16与PSD位置传感器15的组合可用于测量柔性臂末端的柔性变形量。

Claims (5)

1.一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，主要由四部分组成，分别是机械臂回转运动机构、微重力模拟与测试机构、臂杆刚化调节机构、运动精度测试机构，其特征在于，

所述臂杆刚化调节机构设置于机械臂回转运动机构的臂杆中，微重力模拟与测试机构设置于机械臂回转运动机构上方，并与机械臂回转运动机构的臂杆连接，运动精度测试机构设置于机械臂回转运动机构的二级臂杆的前端；

所述机械臂回转运动机构由基座、连接件、关节、臂杆组成；其中，所述基座由T型槽、T型滑块、支架、底座杆四部分组成，T型滑块嵌在T型槽中，通过螺栓螺母把支架和T型滑块连接，底座杆固定安装在支架上；连接件有四件，关节和臂杆各有两件：第一连接件连接底座杆与一级关节，具有90度安装可调功能；第二连接件连接一级关节与一级臂杆；第三连接件连接一级臂杆与二级关节；第四连接件连接二级关节与二级臂杆；关节由关节壳体和关节驱动机构组成；

所述臂杆刚化调节机构由拉力传感器、吊环螺母、钢丝、预紧调节装置组成；第一拉力传感器一端与第二连接件连接，另一端与第一吊环螺母连接；在第二吊环螺母上连接螺栓，再将两个吊环螺母连接在第一钢丝的两端；将第二吊环螺母的螺栓穿过预紧螺母挡环，预紧螺母挡环卡在第三连接件中，用螺母将第二吊环螺母固定以拉紧钢丝，以调节一级臂杆的刚度；

预紧调节装置安装在二级臂杆的末端，第二拉力传感器一端与第四连接件连接，另一端与第三吊环螺母连接；在第四吊环螺母上连接螺栓，再将两个吊环螺母连接在第二钢丝的两端；将第四吊环螺母的螺栓穿过预紧调节装置并用蝶形螺母固定，以调节二级臂杆的刚度；

所述微重力模拟与测试机构由铝型材支架、悬吊绳索、滑块、滑轨、拉力传感器组成；

所述运动精度测试机构由PSD位置传感器和激光发射器组成，PSD位置传感器固定于二级臂杆的前端，激光发射器固定在二级臂杆的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，其特征在于：所述基座采用铸铁的T型槽和不锈钢支架，底座杆与第一连接件连接处设置4个弧形的孔，具有90°安装可调功能。

3.根据权利要求1所述的一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，其特征在于：所述关节驱动机构，采用伺服电机驱动与谐波减速器传动的形式，由伺服电动机、联轴器、谐波减速器组成；其中，伺服电动机的额定输出为50W，额定输出转速为3000r/min；谐波减速器为XB1-25号单级谐波减速器，传动比为63：1。

4.根据权利要求1所述的一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，其特征在于：所述微重力模拟与测试机构包含：铝型材支架、悬吊绳索、滑块、滑轨、第三拉力传感器；滑轨固定在铝型材支架上，并在滑轨上安装滑块，悬吊绳索的一端与滑块连接，另一端与臂杆连接，并在悬吊绳索上安装第三拉力传感器。

5.根据权利要求1所述的一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，其特征在于：所述臂杆刚化调节机构采用可更换臂杆套筒，安装在机械臂回转运动机构的臂杆中。