CN106571097A - 一种含间隙空间机械臂模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种含间隙空间机械臂模拟装置，它涉及一种模拟装置，具体涉及一种含间隙空间机械臂模拟装置。本发明为了解决目前还没有一种专门用于研究空间机械臂齿侧间隙对机械动力学影响的模拟装置的问题。本发明包括试验台、气浮台、臂杆、质量可调负载机构、基座和三个关节，臂杆的一端通过一个关节与基座连接，基座固定安装在试验台上，另外两个关节安装在臂杆上，臂杆的另一端与质量可调负载机构连接，质量可调负载机构与另外两个关节的下端分别各设有一个气浮机构，且质量可调负载机构与另外两个关节均能通过气浮机构在气浮台上移动。本发明属于航天领域。

Description

一种含间隙空间机械臂模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟装置，具体涉及一种含间隙空间机械臂模拟装置，属于航天领域。

背景技术

空间机械臂是航天器在轨服务的重要工具，具有广阔的应用前景，对未来太空探索具有重大意义。空间机械臂主要采用的是齿轮传动，从而不可避免的引入尺侧间隙，尺侧间隙又是产生关节柔性的重要原因之一。关节柔性将会对空间机械臂末端运动状态产生重要的影响，因此，空间机械臂在结构设计、动力学分析和控制系统设计时都依赖准确的柔性空间机械臂模型，该模型的建立主要采用的是理论模型与试验修正相结合的方法。建立含齿侧间隙的空间机械臂模拟装置已成为空间机械臂动力学分析和控制系统设计的基本条件之一。

太空是不同于地面环境的空间机械臂工作场合，其微重力条件将使空间机械臂产生与地面工作的机械臂相比不同的动力学特性。因此，模拟太空微重力环境是模拟装置的主要特点之一。目前，还没有一种专门用于研究空间机械臂齿侧间隙对机械动力学影响的模拟装置。

发明内容

本发明为解决目前还没有一种专门用于研究空间机械臂齿侧间隙对机械动力学影响的模拟装置的问题，进而提出一种含间隙空间机械臂模拟装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括试验台、气浮台、臂杆、质量可调负载机构、基座和三个关节，臂杆的一端通过一个关节与基座连接，基座固定安装在试验台上，另外两个关节安装在臂杆上，臂杆的另一端与质量可调负载机构连接，质量可调负载机构与另外两个关节的下端分别各设有一个气浮机构，且质量可调负载机构与另外两个关节均能通过气浮机构在气浮台上移动。

本发明的有益效果是：1、本发明实现了齿轮传动齿侧间隙连续可调的效果，为评估齿轮传动间隙对机械臂动力学特性的影响提供了可靠地依据；2、本发明实现了气足支撑点可调的功能，使气浮力能够有效地抵消重力，很好地模拟太空失重环境；3、本发明实现了末端负载可调的功能，使该模拟装置能够适用于多种负载情况下的模拟；4、本发明除齿轮传动间隙外，消除其他连接、传动间隙对实验结果的影响，保证实验结果的可靠性；5、本发明使用精密测量仪器(螺旋测微仪、转矩转速传感器、三轴加速度计、光电编码器)对齿轮间隙、关节转矩转速、末端运动状态、电机转速进行测量，保证实验结果的精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是关节的结构示意图，图3是主动轴系的结构示意图，图4是从动轴系的结构示意图，图5是臂杆与关节连接示意图，图6是臂杆与关节的输出轴连接示意图，图7是气浮机构的结构示意图，图8是质量可调负载机构的结构示意图，图9是关节安装在基座上的结构示意图，图10是关节外壳展开结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种含间隙空间机械臂模拟装置包括试验台1、气浮台2、臂杆4、质量可调负载机构5、基座6和三个关节3，臂杆4的一端通过一个关节4与基座6连接，基座6固定安装在试验台1上，另外两个关节3安装在臂杆4上，臂杆4的另一端与质量可调负载机构5连接，质量可调负载机构5与另外两个关节3的下端分别各设有一个气浮机构7，且质量可调负载机构5与另外两个关节3均能通过气浮机构7在气浮台2上移动。

本实施方式中关节3与臂杆4之间采用矩形型面连接，型面连接采用过盈配合，在型面连接处使用螺栓固定，防止臂杆4与关节3的输出轴的连接处出现松动，避免引入其它间隙的影响。基座6规定在试验台1上，用于模拟空间机械臂固定于大型航天器上的情况。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种含间隙空间机械臂模拟装置的每个关节3包括主动轴系3-1、从动轴系3-2和关节外壳3-3，主动轴系3-1和从动轴系3-2并排安装在关节外壳3-3上。关节外壳3-3是碳纤维板制作的，并通过连接螺钉与内部传动、测量装置连接固定。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：结合图3至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种含间隙空间机械臂模拟装置的主动轴系3-1包括电动机3-1-1、减速器3-1-2、主动齿轮3-1-3和轴端挡圈3-1-4，主动齿轮3-1-3通过轴端挡圈3-1-4安装在减速器3-1-2的输出轴上，减速器3-1-2的输入轴与电动机3-1-1的转动轴连接；从动轴系3-2包括从动齿轮3-2-1、连接轴3-2-2、上连接法兰3-2-3、转矩转速传感器3-2-4、传感器固定壳3-2-5、下连接法兰3-2-6、输出轴3-2-7和轴承座3-2-8，从动齿轮3-2-1套装在连接轴3-2-2上，连接轴3-2-2通过上连接法兰3-2-3与转矩转速传感器3-2-4的上端连接，转矩转速传感器3-2-4的下端通过下连接法兰3-2-6与输出轴3-2-7的上端连接，输出轴3-2-7的下端与轴承座3-2-8内的轴承连接，输出轴3-2-7与臂杆4连接，从动齿轮3-2-1与主动齿轮3-1-3啮合。关节的动力装置为电动机3-1-1，电动机3-1-1连接减速器3-1-2，减速器3-1-2的动力输出通过一对直齿圆柱齿轮传递到关节3的输出轴3-2-7上，其中传动齿轮间隙可调；转矩转速传感器3-2-4位于输出轴3-2-7上，用于测量机械臂在工作过程中关节3的输出转速和转矩，转矩转速传感器3-2-4不能承载轴向力，因此将其固定于传感器固定壳3-2-5内，由机构重力产生的轴向力通过轴承传递至传感器固定壳3-2-5，然后传递至关节3的关节外壳3-3上，使转矩转速传感器3-2-4轴上只承受关节力矩。

电动机3-1-1的型号为富士GYS401DC2-T2；减速器3-1-2的减速比为150；转矩转速传感器3-2-4的型号为：中航科电ZH07—250；三维加速度传感器5-2为：PCB—365A24。

电动机3-1-1带动减速器3-1-2转动，减速器3-1-2的输出轴通过传动键将动力传递至连接套和主动齿轮3-1-3，主动齿轮3-1-3与传动套之间通过螺钉固定，轴端挡圈3-1-4通过固定螺钉与减速器3-1-2输出轴连接，限制传动键的轴向移动；主动齿轮3-1-1带动从动齿轮3-2-1转动，从动齿轮3-2-1与连接轴3-2-2连接，并通过传动键将动力传递连接轴3-2-2，连接轴3-2-2通过连接螺钉将动力传递至上连接法兰3-2-3，上连接法兰3-2-3通过传动键将动力传递至转矩转速传感器3-2-4，转矩转速传感器3-2-4通过传动键与下连接法兰3-2-6连接，下连接法兰3-2-6与输出轴3-2-7连接，并将动力传递给输出轴3-2-7；轴向力通过轴承作用于传感器固定壳3-2-5，传感器固定壳3-2-5与关节外壳3-3连接，避免了轴向力作用在转矩转速传感器3-2-4上，轴承内侧通过弹性挡圈限制从动轴部件的轴向位移，输出轴3-2-7与臂杆4连接，连接型面为过盈配合，臂杆4与连接块8连接，连接型面为过盈配合，连接块8与下一个关节3或质量可调负载机构5连接。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图9说明本实施方式，本实施方式所述一种含间隙空间机械臂模拟装置的基座6包括底板6-1、支撑板6-2、两个侧板6-3、多个支撑柱6-4和多个连接螺栓6-5，支撑板6-2、底板6-1由上至下依次平行设置，底板6-1通过多个连接螺栓6-5与试验台1连接，底板6-1的上表面与支撑板6-2的下表面之间均布设有多个支撑柱6-4，位于臂杆4一端端部的关节3通过两个侧板6-3安装在支撑板6-1上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式所述一种含间隙空间机械臂模拟装置的质量可调负载机构5包括负载支撑件5-1、三维加速度传感器5-2和多个质量调节块5-3，多个质量调节块5-3由上至下依次叠加设置在负载支撑组件5-1上，三维加速度传感器5-2安装在位于顶端的质量调节块5-3的上表面上，负载支撑件5-1与臂杆4的另一端连接。多个质量调节块5-3通过螺钉连接，增减质量调节块5-3的数量可以调整负载质量，从而模拟不同情况下空间机械臂的负载情况；三维加速度传感器5-2用于测量末端加速度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式所述一种含间隙空间机械臂模拟装置的每个气浮机构7包括气足7-1、调节块7-2、固定板7-3、支撑柱7-4和两个防松螺母7-5，气足7-1安装在支撑柱7-4的下端，固定板7-3套装在支撑柱7-4上，调节块7-2安装在固定板7-3上，固定板7-3的上表面和下表面分别各设置一个防松螺母7-5。气足7-1竖直向下排放高压气体，高压气体作用于气浮台2上产生气浮力，用于平衡机构重力，通过调节块7-2在固定板7-3的滑移槽内移动，带动气足7-1移动，使气足7-1位于关节3质心的竖直下方，避免产生关节倾覆力矩。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种含间隙空间机械臂模拟装置，其特征在于：所述一种含间隙空间机械臂模拟装置包括试验台(1)、气浮台(2)、臂杆(4)、质量可调负载机构(5)、基座(6)和三个关节(3)，臂杆(4)的一端通过一个关节(4)与基座(6)连接，基座(6)固定安装在试验台(1)上，另外两个关节(3)安装在臂杆(4)上，臂杆(4)的另一端与质量可调负载机构(5)连接，质量可调负载机构(5)与另外两个关节(3)的下端分别各设有一个气浮机构(7)，且质量可调负载机构(5)与另外两个关节(3)均能通过气浮机构(7)在气浮台(2)上移动。

2.根据权利要求1所述一种含间隙空间机械臂模拟装置，其特征在于：每个关节(3)包括主动轴系(3-1)、从动轴系(3-2)和关节外壳(3-3)，主动轴系(3-1)和从动轴系(3-2)并排安装在关节外壳(3-3)上。

3.根据权利要求2所述一种含间隙空间机械臂模拟装置，其特征在于：主动轴系(3-1)包括电动机(3-1-1)、减速器(3-1-2)、主动齿轮(3-1-3)和轴端挡圈(3-1-4)，主动齿轮(3-1-3)通过轴端挡圈(3-1-4)安装在减速器(3-1-2)的输出轴上，减速器(3-1-2)的输入轴与电动机(3-1-1)的转动轴连接；

从动轴系(3-2)包括从动齿轮(3-2-1)、连接轴(3-2-2)、上连接法兰(3-2-3)、转矩转速传感器(3-2-4)、传感器固定壳(3-2-5)、下连接法兰(3-2-6)、输出轴(3-2-7)和轴承座(3-2-8)，从动齿轮(3-2-1)套装在连接轴(3-2-2)上，连接轴(3-2-2)通过上连接法兰(3-2-3)与转矩转速传感器(3-2-4)的上端连接，转矩转速传感器(3-2-4)的下端通过下连接法兰(3-2-6)与输出轴(3-2-7)的上端连接，输出轴(3-2-7)的下端与轴承座(3-2-8)内的轴承连接，输出轴(3-2-7)与臂杆(4)连接，从动齿轮(3-2-1)与主动齿轮(3-1-3)啮合。

4.根据权利要求1所述一种含间隙空间机械臂模拟装置，其特征在于：基座(6)包括底板(6-1)、支撑板(6-2)、两个侧板(6-3)、多个支撑柱(6-4)和多个连接螺栓(6-5)，支撑板(6-2)、底板(6-1)由上至下依次平行设置，底板(6-1)通过多个连接螺栓(6-5)与试验台(1)连接，底板(6-1)的上表面与支撑板(6-2)的下表面之间均布设有多个支撑柱(6-4)，位于臂杆(4)一端端部的关节(3)通过两个侧板(6-3)安装在支撑板(6-1)上。

5.根据权利要求1所述一种含间隙空间机械臂模拟装置，其特征在于：质量可调负载机构(5)包括负载支撑件(5-1)、三维加速度传感器(5-2)和多个质量调节块(5-3)，多个质量调节块(5-3)由上至下依次叠加设置在负载支撑组件(5-1)上，三维加速度传感器(5-2)安装在位于顶端的质量调节块(5-3)的上表面上，负载支撑件(5-1)与臂杆(4)的另一端连接。

6.根据权利要求1所述一种含间隙空间机械臂模拟装置，其特征在于：每个气浮机构(7)包括气足(7-1)、调节块(7-2)、固定板(7-3)、支撑柱(7-4)和两个防松螺母(7-5)，气足(7-1)安装在支撑柱(7-4)的下端，固定板(7-3)套装在支撑柱(7-4)上，调节块(7-2)安装在固定板(7-3)上，固定板(7-3)的上表面和下表面分别各设置一个防松螺母(7-5)。