CN104175331A - 关节式机械臂微低重力补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种关节式机械臂微低重力补偿系统，包括：支撑架，安装于所述支撑架的上层平台且可相对于所述上层平台的X、Y方向运动的直角式跟踪平台，安装于所述直角式跟踪平台的下方且可绕所述直角式跟踪平台的Z轴自转或随所述直角式跟踪平台在X、Y方向运动的极坐标式跟踪平台，安装于所述直角式跟踪平台的顶部和所述极坐标式跟踪平台的底部的重力补偿系统，连接于重力补偿系统和关节式机械手臂之间的悬吊装置及用于监控上述部件的控制系统。本发明将直角式跟踪平台和极坐标系跟踪平台结合，实现对多关节机械臂复杂运动的跟踪，并能够适应不同姿态载体上机械臂的运动跟踪，实现多臂悬吊、多吊点协调运动，低重力补偿精度高。

Description

关节式机械臂微低重力补偿系统

技术领域

本发明创造属于宇宙航行条件的模拟装置领域，尤其是涉及一种微低重力补偿系统。

背景技术

随着我国航天事业的深入发展，空间机械臂逐渐成为完成空间任务的重要工具。为了验证机械臂在空间中能否正常工作，充分保证机械臂在空间环境中工作性能，需要对其进行微低重力模拟试验。机械臂微低重力模拟试验是在地球重力环境下模拟机械臂在空间微低重力环境的受力试验，其基本原理是利用重力补偿系统提供机械臂重力差值，实现空间微低重力环境的模拟。微低重力补偿系统是微低重力试验的重要组成部分。目前常用的微低重力补偿方法可以归结为水浮法、气球悬浮法、气浮平台法、自由落体法和悬吊重力补偿法。其中悬吊式重力补偿方法由于容易满足试验对象的三维运动的跟踪，通过先进的控制和测量手段，补偿精度可以很高，并且试验时间一般不受限制，在微低重力试验模拟中逐渐得到重视。

为满足模拟试验的要求，悬吊式补偿系统由顶向下至少应该包括随动跟踪系统、拉力补偿系统和悬吊系统。最下层的悬吊系统是与机械臂直接相关部分；次下层为拉力补偿系统，为机械臂提供所需的补偿力；顶层为随动跟踪系统，作为拉力补偿系统和悬吊装置跟踪机械臂运动的载体。其中拉力补偿系统通常包含主动式补偿和被动式补偿。被动补偿方式由于补偿精度和适应性、灵活性较差，因而常用于运动性能和精度要求不高的场合。主动式补偿方式由于补偿力可以主动控制，因而特别适应变载荷的试验对象，并且通过一定的控制方法补偿精度较高，可以较真实的实现微低重力模拟。目前常用的悬吊重力补偿系统一般针对单一物体(或可以看成单一物体)的运动，仅利用单一X-Y形式的直角坐标式运动机构对目标进行跟踪，难以实现对类似关节式机械臂等需要多臂悬吊、多吊点协调运动的试验对象进行模拟试验。

发明内容

本发明创造要解决的问题是提供一种关节式机械臂微低重力补偿系统，完成对关节式机械臂的微低重力补偿，实现在地球重力环境下模拟关节式机械臂在空间微低重力环境下的运动情况，从而验证其在空间微低重力环境下的工作性能。

为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：一种关节式机械臂微低重力补偿系统，包括：用于支撑整个补偿系统的支撑架，包括上层平台和支柱；直角式跟踪平台，安装于所述支撑架的上层平台且可相对于所述上层平台的X、Y方向运动；极坐标式跟踪平台，安装于所述直角式跟踪平台的下方且可绕所述直角式跟踪平台的Z轴自转或随所述直角式跟踪平台在X、Y方向运动；重力补偿系统，安装于所述直角式跟踪平台的顶部和所述极坐标式跟踪平台的底部，用于提供重力补偿力；悬吊装置，连接于重力补偿系统和关节式机械手臂之间；控制系统，用于控制直角式跟踪平台和极坐标式跟踪平台的运动、监控所述重力补偿系统的补偿力。

其中，所述直角式跟踪平台包括X向移动平台及其驱动、传动系统和Y向移动平台及其驱动、传动系统，所述X向移动平台和所述Y向移动平台之间设置有X向直线导轨，且X向移动平台沿所述X向直线导轨运动，所述Y向移动平台和所述上层平台之间设置有Y向直线导轨，且所述Y向移动平台沿所述Y向直线导轨运动；所述重力补偿系统安装于所述X向移动平台顶部。

X向移动平台和Y向移动平台在两者各自的驱动、传动系统的作用下实现相对运动及同步运动，从而实现其下方的极坐标式跟踪系统的X、Y向运动。

其中，所述极坐标式跟踪平台，包括回转平台及其驱动、传动系统和直线移动平台及其驱动、传动系统，所述回转平台平行于水平面且其回转轴与所述直角式跟踪平台的Z轴重合，所述直线移动平台通过直线移动导轨连接于所述回转平台的底部且相对于所述回转平台做直线运动；所述重力补偿系统安装于所述直线移动平台上。

其中，所述重力补偿系统为主动重力补偿，包括主动重力补偿装置和绳索收放装置，所述主动重力补偿系统连接所述绳索收放装置并控制后者上下收放所述悬吊装置。

其中，所述悬吊装置包括吊索、吊架和转接工装，所述吊架通过所述吊索连接其上方的重力补偿系统，所述吊架通过所述转接工装连接其下方的关节式机械臂，所述吊索上设置有用于测定吊索拉力和吊索倾角的传感器。

进一步，与所述直角式跟踪平台上的重力补偿系统相连的吊索穿过所述极坐标式跟踪平台的回转轴，从而保证该吊索所属的悬吊装置不会相对于所述极坐标式跟踪平台发生X、Y方向的位移，而与所述直线移动平台相连的悬吊装置则可绕所述极坐标式跟踪平台的或转轴公转，通过上述两个悬吊装置的配合可实现关节式机械臂的动作转换。

进一步，所述吊索与所述吊架通过销轴铰接，所述转接工装通过球形接头铰接所述吊架，所述转接工装固接关节式机械臂。

其中，所述控制系统通过线缆连接直角式跟踪平台、极坐标式跟踪平台、重力补偿系统和悬吊装置中的传感器。根据关节式机械臂的运动计算出直角式跟踪平台和极坐标式跟踪平台的运动，并控制重力补偿系统提供相应的补偿力，通过悬吊装置上的传感器反馈的信息，对机械臂的运动、直角式及极坐标式跟踪平台的运动、重力补偿系统的补偿力进行监测。

本发明创造具有的优点和积极效果是：本发明将直角式跟踪平台和极坐标系跟踪平台结合，实现对多关节机械臂复杂运动的跟踪，并能够适应不同姿态载体上机械臂的运动跟踪，实现多臂悬吊、多吊点协调运动，采用主动跟踪和主动重力补偿，使得补偿精度大大提高，从而保证试验的准确定和可参考性。

附图说明

图1是关节式机械臂的结构示意图

图2是本发明创造的结构示意图

图3是本发明创造中的直角式跟踪平台的结构示意图

图4是本发明创造中的极坐标式跟踪平台的结构示意图

图5是本发明创造中悬吊装置的结构示意图

图6是悬吊装置的局部放大示意图

图中：关节式机械臂示意图——11基座12回转轴13俯仰轴A14臂A15俯仰轴B16臂B；

本系统示意图——21支撑架22直角式跟踪平台231重力补偿系统A232重力补偿系统B24极坐标式跟踪平台25悬吊装置26关节式机械臂27控制系统；

直角式跟踪平台——301Y向驱动电机302Y向减速器303Y向传动轴304Y向传动带305Y向直线导轨306Y向移动平台307Y向移动导向块308X向驱动电机309X向减速器310X向传动轴311X向移动传动带312X向直线导轨313X向移动平台314X向移动导向块315直角式跟踪平台吊索316支柱317上层平台

极坐标式跟踪平台——41安装架42回转驱动电机43回转减速器44回转平台45直线运动驱动电机46直线运动减速器47直线运动传动带48直线移动平台49直线移动导轨；

悬吊装置——501吊索502传感器503吊架504转接工装505悬吊装置放大部分；

悬吊装置局部放大图——601吊架位置A602吊架位置B603球型接头

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。

如图1所示，关节式机械臂包括顺序相接的基座11、回转轴12、俯仰轴A13、臂A14、俯仰轴B15及臂B16，关节式机械臂能实现绕回转轴12回转，绕俯仰轴A、B(13,15)进行俯仰运动。

如图2所示，本关节式机械臂微低重力补偿系统，包括支撑架21，支撑架21由四根支柱316和上层平台317组成，为整个微低重力补偿系统提供支撑，上层平台317留有接口，与直角式跟踪平台22进行连接；直角式跟踪平台22，安装于支撑架21的上层平台317之上，直角式跟踪平台22的顶部安装有重力补偿系统A231；极坐标式跟踪平台24安装于直角式跟踪平台22的下方，且可绕后者的Z轴自转，极坐标式跟踪平台的底部安装有重力补偿系统B232；悬吊装置25，是连接重力补偿系统A231和重力补偿系统B232与关节式机械臂26的媒介，重力补偿系统A231和关节式机械臂的臂A14之间连接有悬吊装置A，重力补偿系统B232和关节式机械臂的臂B16之间连接有悬吊装置B，关节式机械臂26，安装于地面或工作台面上；控制系统27，通过相应线缆或其他通讯方式与整个系统进行通讯。

图3示出了直角式跟踪平台22的一种实施方式。直角式跟踪平台，包括X向移动平台313和Y向移动平台306，Y向移动平台306通过其底部的Y向移动导向块307与设置于支撑架21的上层平台317之上的Y向直线导轨305相接，X向移动平台313通过其底部的X向移动导向块314与设置在Y向移动平台306上的X向直线导轨相接；还包括由Y向驱动电机301、Y向减速器302、Y向传动轴303和Y向传动带304组成的Y向驱动、传动系统以及由X向驱动电机308、X向减速器309、X向传动轴310和X向传动带311组成的X向驱动、传动系统。重力补偿系统A231安装于X向移动平台313之上。

图4示出了极坐标式跟踪平台24的一种实施方式。极坐标式跟踪平台，包括安装架41、回转平台44和直线移动平台48；极坐标式跟踪平台24通过安装架41与X向移动平台313连接，回转平台44可以绕安装架41的轴线旋转；在回转平台44底部安装有直线移动平台48，直线移动平台48与回转平台44的安装方式相似于Y向移动平台306在支撑架上层平台317之上的安装方式；还包括由回转驱动电机42和回转减速器43组成的回转驱动、传动系统以及由直线移动驱动电机45、直线移动减速器46和直线移动传动带组成的直线驱动、传动系统。重力补偿系统B232安装于直线移动平台48之上。

图5、图6为悬吊装置组成和放大图。悬吊装置通过吊索501分别与其上方的重力补偿系统A231和重力补偿系统B232相连接，通过下端的转换工装504分别与机械臂26的臂A14和臂B16连接，其中，与重力补偿系统A231连接的直角式跟踪平台吊索315穿过极坐标式跟踪平台24的回转轴；在吊索501上安装有用来测定绳索拉力和绳索倾角的传感器502，吊索501与吊架503通过销轴铰接；吊架503根据机械臂16的机构和运动范围进行避让设计；如图6为悬吊装置放大部分505示意图，吊架503与转接工装604通过球型接头603连接，因而可以实现吊架601从吊架位置A601到吊架位置B602的运动，从而实现位置的适应性。

下面以一实施例来说明该系统的工作原理：

当机械臂26各关节按照预定轨迹进行运动时，悬吊装置25也随之运动，此时吊索501之上的传感器502检测吊索的拉力和倾斜方向，将其反馈到控制系统27，控制系统27根据一定的算法计算出直角式跟踪平台22和极坐标式跟踪平台24的跟踪运动数据，控制直角式跟踪平台22和极坐标式跟踪平台24协调运动；同时，控制系统27根据反馈的拉力来控制重力补偿系统A231和重力补偿系统B232提供相应的补偿力，并控制吊索501的收放，通过直角式跟踪平台22和极坐标式跟踪平台24以及重力补偿系统A、B(231,232)收放吊索501的动作实现关节式机械臂26的运动跟踪和重力的补偿。

对于直角式跟踪平台22的运动，如图3所示，控制系统27通过一系列的计算得出数据，控制X、Y向运动平台的直线运动。对于极坐标式跟踪平台24的运动，如图4所示，安装架41与直角式跟踪平台22的X向移动平台313连接，随其运动，控制系统27通过计算，控制回转平台44的自转运动；直线移动平台48通过直线移动导轨49与回转平台44连接，控制系统27控制直线运动平台48的直线运动，最终实现直角式跟踪平台22和极坐标式跟踪平台24的跟踪运动控制。

以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.关节式机械臂微低重力补偿系统，其特征在于：包括：

支撑架(21)，包括上层平台(317)和支柱(316)；

直角式跟踪平台(22)，安装于所述支撑架(21)的上层平台(317)且可相对于所述上层平台(317)的X、Y方向运动；

极坐标式跟踪平台(24)，安装于所述直角式跟踪平台(22)的下方且可绕所述直角式跟踪平台(22)的Z轴自转或随所述直角式跟踪平台(22)在X、Y方向运动；

重力补偿系统，安装于所述直角式跟踪平台(22)的顶部和所述极坐标式跟踪平台(24)的底部，用于提供重力补偿力；

悬吊装置(25)，连接于重力补偿系统和关节式机械手臂(26)之间；

控制系统(27)，用于控制直角式跟踪平台(22)和极坐标式跟踪平台(24)的运动、监控所述重力补偿系统的补偿力。

2.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于：所述直角式跟踪平台(22)，包括X向移动平台(313)及其驱动、传动系统和Y向移动平台(306)及其驱动、传动系统，所述X向移动平台(313)和所述Y向移动平台(306)之间设置有X向直线导轨(312)，且X向移动平台(313)沿所述X向直线导轨(312)运动，所述Y向移动平台(306)和所述上层平台(317)之间设置有Y向直线导轨(305)，且所述Y向移动平台(306)沿所述Y向直线导轨(305)运动；

所述重力补偿系统安装于所述X向移动平台(313)顶部。

3.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于：所述极坐标式跟踪平台(24)，包括回转平台(44)及其驱动、传动系统和直线移动平台(48)及其驱动、传动系统，所述回转平台(44)平行于水平面且其回转轴与所述直角式跟踪平台(22)的Z轴重合，所述直线移动平台(48)通过直线移动导轨(49)连接于所述回转平台(44)的底部且相对于所述回转平台(44)做直线运动；

所述重力补偿系统安装于所述直线移动平台(48)上。

4.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于：所述重力补偿系统包括主动重力补偿装置和绳索收放装置，所述主动重力补偿系统连接所述绳索收放装置并控制后者上下收放所述悬吊装置(25)。

5.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于：所述悬吊装置(25)包括吊索(501)、吊架(503)和转接工装(504)，所述吊架(503)通过所述吊索(501)连接其上方的重力补偿系统，所述吊架(503)通过所述转接工装(504)连接其下方的关节式机械臂(26)，所述吊索(501)上设置有用于测定吊索拉力和吊索倾角的传感器(502)。

6.根据权利要求3或5所述的微低重力补偿系统，其特征在于：与所述直角式跟踪平台(22)上的重力补偿系统相连的吊索(501)穿过所述极坐标式跟踪平台(24)的回转轴。

7.根据权利要求5所述的微低重力补偿系统，其特征在于：所述吊索(501)与所述吊架(503)通过销轴铰接，所述转接工装(504)通过球形接头(603)铰接所述吊架(503)，所述转接工装(504)固接关节式机械臂(26)。

8.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于：所述控制系统(27)通过线缆连接直角式跟踪平台(22)、极坐标式跟踪平台(24)、重力补偿系统和悬吊装置(25)中的传感器(502)。