CN108161990B - 一种模块化可扩展空间机械臂地面实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空间机器人模拟平台，具体地说是一种模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，气浮台处于低端，通过高压气体的反推作用，可使整个实验平台漂浮在水平面(如大理石水平面)上；载物台通过支撑杆固定在气浮台上端，可承受设定重量的载荷；涵道推进组件通过支撑架固定于气浮台支撑杆上，用于控制气浮台在水平面上的运动；模块化机械臂系统安装在载物台上，可实现设定的操作任务。本发明结构新颖，运动灵活，具备扩展性，可适用于空间机器人地面模拟仿真实验。

Description

一种模块化可扩展空间机械臂地面实验平台

技术领域

本发明涉及空间机器人模拟平台，具体地说是一种模块化可扩展空间机械臂地面实验平台。

背景技术

随着航天技术的发展，人造卫星在科学技术试验、天气预测、地球资源勘查、区域跟踪与导航以及通信领域等都起着重要的作用。相比过去，当前卫星的功能逐渐增强，其结构也日益复杂，卫星在轨运行的安全性和可靠性已成为各个国家重点关注的问题。针对外太空恶劣的环境，人类发明了空间机器人来实现对在轨卫星的维修与维护。空间机器人由卫星和搭载在卫星上的机械臂组成，是一类能够在外太空自主飞行，并能完成任务侦测、在轨维修维护以及辅助姿态机动等在轨服务任务。空间机器人工作时，需要保证卫星基体的位置和姿态，然后操作机械臂来完成精细的操作任务。随着空间任务复杂性和多样性的增加，对空间机器人的功能要求也在逐渐提高。

空间机器人发射之前，需要做大量的地面实验，以保证其可靠性。所以，在空间机器人的研制中，与空间机器人相配套的地面实验模拟平台也起着相当重要的作用。当前空间机器人平台包括气浮式、水浮式以及吊丝配重式。对比上述三类，水浮式和吊丝配重式均存在过大的外部扰动，模拟精度不高；而气浮式可以保证一定的模拟精度，且成本维护费低；但目前大多模拟平台的设计都是针对单独的特定任务，不具备扩展性。

发明内容

针对现有空间机器人平台存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种模块化可扩展空间机械臂地面实验平台。该地面实验模拟平台采用模块化机器人关节，具备扩展性，可适用于多种在轨服务任务地面模拟。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括气浮台、载物台、模块化机械臂、涵道推进组件及风扇定位板，其中气浮台包括框架、气瓶组、控制阀组及气浮垫，所述气瓶组安装在框架上，该框架的底部均匀安装有多个气浮垫，所述气瓶组通过进气通路及输气通路分别与供气源和各气浮垫相连，并通过设置在进气通路及输气通路上的所述控制阀组控制进气或输气，实现各所述气浮垫与水平面之间形成气膜；所述载物台安装在框架上方，所述模块化机械臂包括底座、末端连接座及多个模块化关节，该底座的一端安装在所述载物台上，另一端通过依次连接的多个模块化关节与用于安装末端执行器的所述末端连接座相连；所述涵道推进组件包括支撑架、涵道风扇、风扇固定上压板及风扇固定下压板，该支撑架的一端与所述框架可拆卸地连接，另一端的两侧均连接有一组风扇固定上压板和风扇固定下压板，每侧的风扇固定上压板与风扇固定下压板之间均夹紧有涵道风扇，且每侧的风扇固定上压板与相邻涵道推进组件中的同侧风扇固定上压板之间通过所述风扇定位板相连；

其中：所述控制阀组包括减压阀、手动阀、快速接头固定座、快速接头、截止阀、调压阀、三通接头及五通接头，该快速接头通过安装在所述载物台下表面的快速接头固定座与手动阀的一端相连，该手动阀的另一端通过管路与所述三通接头的一个端口连接，该三通接头的第二个端口通过导管与所述气瓶组相连，第三个端口与所述减压阀的进口相连，该减压阀的出口通过导管与所述调压阀的进口相连，该调压阀的出口与所述截止阀的进口相连，该截止阀的出口通过导管与所述五通接头的一个端口相连，该五通接头留有一个备用端口，其余端口分别与各所述气浮垫相连；

所述快速接头、手动阀、三通接头组成进气通路，将气源输入到所述气瓶组中，实现对气浮台充气；充气过程中，所述减压阀处于关闭状态；

所述气瓶组、三通接头、减压阀、调压阀、截止阀及五通接头组成输气通路，将所述气瓶组中的内部气源输送到各气浮垫，实现气膜支撑气浮台漂浮；输气过程中，所述手动阀处于关闭状态；

所述框架包括底板及多个支撑杆，各所述支撑杆的两端均开有内螺纹，下端通过螺栓固定于底板上，上端固定于所述载物台的下表面；所述气瓶组通过气瓶固定座安装在底板上，所述截止阀通过连接座安装在底板上，所述减压阀及五通接头分别安装在底板上，所述三通接头安装在任一根支撑杆上；各所述气浮垫均位于底板的下方，通过螺栓及螺母固定于所述底板的下表面；

所述载物台包括载物面板、支撑座及护栏，该载物面板的上表面安装有多个支撑座，相邻支撑座之间设有护栏，任意两个相邻支撑座之间设有供所述底座插入的豁口，该底座安装在所述载物面板上；

所述模块化关节包括关节后座、伺服舵机、定轴、舵盘上固定座、套筒、舵盘及舵盘下固定座，该关节后座与伺服舵机相连、用于与底座或相邻模块化关节中的舵盘下固定座连接，所述伺服舵机的输出轴连接有舵盘；所述套筒安装在伺服舵机的上方，所述定轴插设于套筒中、并与伺服舵机连接，该套筒内圆柱面与所述定轴过盈配合；所述舵盘下固定座的一端与舵盘相连，另一端与所述舵盘上固定座的一端连接，该舵盘上固定座的另一端与所述套筒的外圆柱面间隙配合；所述伺服舵机通过舵盘带动舵盘上、下固定座绕定轴旋转；

所述关节后座内表面开有用于与伺服舵机连接的螺母安装孔，该关节后座内表面的四周设有带通孔的安装支座，所述安装支座通过螺栓与伺服舵机固接；所述舵盘上固定座的一端底面设有凸棱，所述舵盘下固定座内表面开设有与该凸棱相配合的导向槽，该凸棱插设于导向槽中、并通过螺栓紧固；

所述支撑架的一端通过螺栓和螺母与支撑架压板夹紧在气浮台的框架上，所述风扇固定上压板、风扇固定下压板及风扇定位板均通过螺栓紧固于支撑架上；

所述支撑架两侧的涵道风扇正交配置，即两侧的涵道风扇的轴向中心线垂直。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的气浮台采用了三个气浮垫，使气浮台与水平面呈三地点接触，可实现稳定地漂浮。

2.本发明的机械臂采用模块化关节设计，具备可扩展性，可根据任务要求，扩充机械关节，同时末端联结座可配备特定的末端执行器。

3.本发明的模块化机械臂和涵道推进系统的零件均采用3D打印技术制作，结构简单，重量轻便且具有较高生产制造效率。

4.本发明的模块化关节的关节后座、舵盘座以及连杆均设有通孔，用于内部走线；且关节后座设有四个螺母安装孔，与其他部件固定时，可直接通过螺栓稳固，使机械臂组装时更加灵巧方便。

5.本发明的机械臂采用伺服舵机为关节驱动器，内部设有减速器，可产生较大的扭矩，另一方面采用伺服舵机可以保证模块化关节结构紧凑。

6.本发明采用涵道风扇推进，相比同样直径的孤立螺旋桨,会产生更大的推力，且具有安全性；同时由于涵道风扇组采用正交配置，可保证相邻侧面的推力相互正交，使运动控制更加自由。

附图说明

图1为本发明的整体装配示意图之一；

图2为本发明气浮台的立体结构示意图；

图3为本发明气浮台的结构俯视图；

图4为本发明气浮台中底板与五通接头的安装示意图；

图5为本发明气浮台的结构仰视图；

图6为本发明载物台的立体结构示意图；

图7为本发明模块化机械臂的立体结构示意图；

图8为本发明模块化机械臂中模块化关节的立体结构示意图；

图9为图8的爆炸图；

图10为图8、图9中关节后座的立体结构示意图；

图11为本发明模块化机械臂中连杆的立体结构示意图；

图12为本发明涵道推进组件的立体结构示意图；

图13为本发明风扇定位的结构示意图；

图14为本发明的整体装配示意图之二；

其中：1为气浮台，101为气浮垫，102为底板，103为支撑杆，104为减压阀，105为手动阀，106为气瓶组，107为气瓶固定座，108为快速接头固定座，109为快速接头，110为截止阀，111为调压阀，112为压力表，113为三通接头，114为五通接头，115为连接座；

2为载物台，201为载物面板，202为支撑座，203为豁口，204为矩护栏，205为长护栏；

3为模块化机械臂，301为底座，302为第一模块化关节，303为第二模块化关节，304为连杆，305为第三模块化关节，306为末端连接座，321为关节后座，322为伺服舵机，323为定轴，324为舵盘上固定座，325为套筒，326为舵盘，327为舵盘下固定座，328为螺母安装孔，329为通孔，330为安装支座，331为导向槽；

4为涵道推进组件，401为支撑架压板，402为支撑架，403为涵道风扇，404为风扇固定上压板，405为风扇固定下压板；

5为风扇定位板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括气浮台1、载物台2、模块化机械臂3、涵道推进组件4及风扇定位板5，其中气浮台1安装于载物台2的下方、设有气动设备，能够使实验平台整体在水平面上保持漂浮；模块化机械臂3的一端固定在载物台2上，另一端安装有末端执行器，在气浮台1的四周安装有多个涵道推进组件4，相邻涵道推进组件4之间通过风扇定位板5连接，以保证涵道推进的方位。

如图2～5所示，气浮台1包括框架、气瓶组106、控制阀组及气浮垫101，气瓶组106安装在框架上，该框架的底部均匀安装有多个气浮垫101，气瓶组106通过进气通路及输气通路分别与供气源和各气浮垫101相连，并通过设置在进气通路及输气通路上的控制阀组控制进气或输气，实现各气浮垫101与水平面之间形成气膜。框架包括底板102及多个支撑杆103，底板102呈方形，方形四个角上均设有一根支撑杆103；各支撑杆103的两端均开有内螺纹，下端通过螺栓固定于底板102上，上端固定于载物台2的下表面，用于支撑载物吧2。气瓶固定座107通过螺栓固定于底板102上，气瓶组106安装于气瓶固定座107上。控制阀组包括减压阀104、手动阀105、快速接头固定座108、快速接头109、截止阀110、调压阀111、气压表112、三通接头113及五通接头114，快速接头固定座108通过螺栓固定于载物面板201的下表面上，快速接头109安装于快速接头固定座108中；减压阀104通过螺栓固定底板102上，气压表112安装于减压阀104上。连接座115通过螺栓固定于底板102上，截止阀110通过螺栓固定于连接座115上；五通接头114通过螺栓固定于底板102上，三通接头113安装在任一根支撑杆103上。各气浮垫101均位于底板102的下方，通过螺栓及螺母固定于底板102的下表面。快速接头109通过快速接头固定座108与手动阀105的一端相连，手动阀105的另一端通过管路与三通接头113的一个端口连接，三通接头的第二个端口通过导管与气瓶组106相连，第三个端口与减压阀104的进口相连，减压阀104的出口通过导管与调压阀111的进口相连，调压阀111的出口与截止阀110的进口相连，截止阀110的出口通过导管与五通接头114的一个端口相连，五通接头114留有一个备用端口，其余端口分别与各气浮垫101相连。进气通路为：快速接头109进气，通过导管连接到手动阀105，然后通过导管连接到三通接头113，从三通接头113的上端端口通过导管连接到气瓶组106，将气源输入到气瓶组106中，实现对气浮台1充气；充气过程中，减压阀104处于关闭状态。输气通路为：气瓶组106输出气流，通过导管连接到三通接头113，然后三通接头113的下端端口通过导管连接到减压阀104，然后通过导管连接到调压阀111，然后调压阀111截止阀110相连，然后截止阀110通过导管与五通接头114的一个端口相连，最后五通接头114通过导管连接气浮垫101将气瓶组106中的内部气源输送到各气浮垫101，实现气膜支撑气浮台1漂浮；输气过程中，手动阀105处于关闭状态。本实施例的气浮垫101为三个，分别与五通接头114上的三个端口通过导管连通；五通接头114留有一个备用端口，不使用时将该端口堵住。

如图6所示，载物台2包括载物面板201、支撑座202及护栏，载物面板201为方形、开有均布的螺纹通孔，上表面的四个角通过螺栓各安装有一个支撑座202；护栏分为短护栏204和长护栏205，相邻支撑座202之间设有短护栏204或长护栏205，短护栏204或长护栏205可通过螺栓和螺母安装在支撑座202上。在方形一条边的两个相邻支撑座202之间设有供底座301插入的豁口203，该底座301安装在载物面板201上。

如图7～11所示，本发明的模块化机械臂3的零件通过3D打印制造，包括底座301、连杆304、末端连接座306及多个模块化关节，本实施例的模块化关节为三个，分别为第一模块化关节302、第二模块化关节303及第三模块化关节305，底座301通过螺栓固定在载物台2的载物面板201上，然后第一模块化关节301通过螺栓与第二模块化关节302相连，第二模块化关节302通过螺栓与连杆304相连，然后连杆304通过螺栓与第三模块化关节305相连，最后第三模块化关节305通过螺栓与末端连接座306相连接，末端连接座306用于安装末端执行器。模块化关节包括关节后座321、伺服舵机322、定轴323、舵盘上固定座324、套筒325、舵盘326及舵盘下固定座327，关节后座321内表面开有用于与伺服舵机322连接的螺母安装孔328，关节后座321内表面的四周设有带通孔329的安装支座330，安装支座330通过螺栓与伺服舵机322固接。关节后座321用于与底座301或相邻模块化关节中的舵盘下固定座327连接。伺服舵机322的输出轴通过螺栓连接有舵盘326；套筒325安装在伺服舵机322的上方，定轴323插设于套筒325中、并通过螺栓与伺服舵机322固接，套筒325内圆柱面与定轴323过盈配合。舵盘下固定座327的一端通过螺栓与舵盘326相连，另一端与舵盘上固定座324的一端连接，该舵盘上固定座324的另一端与套筒325的外圆柱面间隙配合。当伺服舵机322转动时，舵机轴通过舵盘326带动舵盘上、下固定座324、327绕定轴323旋转。舵盘上固定座324的一端底面设有凸棱，舵盘下固定座327内表面开设有与该凸棱相配合的导向槽331，该凸棱插设于导向槽331中，起到定位作用，然后二者通过螺栓紧固。

模块化机械臂3可根据需要通过增加模块化关节或连杆而进行扩展。

本发明的涵道推进组件4有四组，分别安装于四根支撑杆103上。如图12～14所示，本发明涵道推进组件4的零件通过3D打印制造，包括支撑架压板401、支撑架402、涵道风扇403、风扇固定上压板404及风扇固定下压板405，支撑架压板401与支撑架402的一端通过螺栓与螺母夹紧在支撑杆103的外圆柱面上、并可拆卸，支撑架加强筋顶部设有安装座孔，风扇固定上压板404和风扇固定下压板405的一侧通过螺栓固定在支撑架的安装座孔中。即，支撑架402另一端的两侧均连接有一组风扇固定上压板404和风扇固定下压板405，每侧的风扇固定上压板404与风扇固定下压板405之间形成的孔中均夹紧有涵道风扇403，且每侧的风扇固定上压板404与相邻涵道推进组件4中的同侧风扇固定上压板404之间通过风扇定位板5相连。风扇固定上压板404、风扇固定下压板405及风扇定位板5均通过螺栓紧固于支撑架402上。涵道风扇403相对于气浮台1的四个侧面划分为四组，每组的涵道风扇可成正交配置，即两侧的涵道风扇403的轴向中心线垂直。

本发明的工作原理为：

气浮台1用于模拟空间机器人的基体卫星，当外界气源与快速接头109相连，关闭减压阀104，开启手动阀105，气流通过导管连接到手动阀105，然后通过导管连接到三通接头113，从三通接头113的上端通过导管向气瓶组106中充气。当气瓶组106充满气后，关闭手动阀105，开启减压阀104、调压阀111和截止阀110，气流从气瓶组106输出，通过导管连接到三通接头113，然后三通接头113的下端通过导管连接到减压阀14，然后通过导管连接到调压阀111然后调压阀111与截止阀110相连，然后截止阀110通过导管与五通接头114相连，最后五通接头114通过导管连接气浮垫101。其中减压阀104可实现对输出气压的粗调节，而调压阀111可实现对输出气压的精细调节，进而使气浮台1与水平面(如大理石水平面)之间形成稳定的气膜，实现实验平台整体的漂浮。涵道推进组件4分布于气浮台1的四根支撑杆103上，通过风扇定位板5实现正交配置，可以分为四组，即：前、后、左、右。每个侧面都有两个涵道风扇103，当分别开启这四个面上的风扇时，可以实现平面内前、后、左、右方向的平动；当同时开启对角线方向的两个风扇，可实现平面对顺时针和逆时针的转动。模块化机械臂3固定在载物台2上，其末端连接座306设有连接孔，可以连接末端执行器，并通过控制伺服舵机322的关节角度，实现操作任务。

Claims (10)

1.一种模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：包括气浮台(1)、载物台(2)、模块化机械臂(3)、涵道推进组件(4)及风扇定位板(5)，其中气浮台(1)包括框架、气瓶组(106)、控制阀组及气浮垫(101)，所述气瓶组(106)安装在框架上，该框架的底部均匀安装有多个气浮垫(101)，所述气瓶组(106)通过进气通路及输气通路分别与供气源和各气浮垫(101)相连，并通过设置在进气通路及输气通路上的所述控制阀组控制进气或输气，实现各所述气浮垫(101)与水平面之间形成气膜；所述载物台(2)安装在框架上方，所述模块化机械臂(3)包括底座(301)、末端连接座(306)及多个模块化关节，该底座(301)的一端安装在所述载物台(2)上，另一端通过依次连接的多个模块化关节与用于安装末端执行器的所述末端连接座(306)相连；所述涵道推进组件(4)包括支撑架(402)、涵道风扇(403)、风扇固定上压板(404)及风扇固定下压板(405)，该支撑架(402)的一端与所述框架可拆卸地连接，另一端的两侧均连接有一组风扇固定上压板(404)和风扇固定下压板(405)，每侧的风扇固定上压板(404)与风扇固定下压板(405)之间均夹紧有涵道风扇(403)，且每侧的风扇固定上压板(404)与相邻涵道推进组件(4)中的同侧风扇固定上压板(404)之间通过所述风扇定位板(5)相连。

2.根据权利要求1所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述控制阀组包括减压阀(104)、手动阀(105)、快速接头固定座(108)、快速接头(109)、截止阀(110)、调压阀(111)、三通接头(113)及五通接头(114)，该快速接头(109)通过安装在所述载物台(2)下表面的快速接头固定座(108)与手动阀(105)的一端相连，该手动阀(105)的另一端通过管路与所述三通接头(113)的一个端口连接，该三通接头的第二个端口通过导管与所述气瓶组(106)相连，第三个端口与所述减压阀(104)的进口相连，该减压阀(104)的出口通过导管与所述调压阀(111)的进口相连，该调压阀(111)的出口与所述截止阀(110)的进口相连，该截止阀(110)的出口通过导管与所述五通接头(114)的一个端口相连，该五通接头(114)留有一个备用端口，其余端口分别与各所述气浮垫(101)相连。

3.根据权利要求2所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述快速接头(109)、手动阀(105)、三通接头(113)组成进气通路，将气源输入到所述气瓶组(106)中，实现对气浮台(1)充气；充气过程中，所述减压阀(104)处于关闭状态。

4.根据权利要求2所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述气瓶组(106)、三通接头(113)、减压阀(104)、调压阀(111)、截止阀(110)及五通接头(114)组成输气通路，将所述气瓶组(106)中的内部气源输送到各气浮垫(101)，实现气膜支撑气浮台(1)漂浮；输气过程中，所述手动阀(105)处于关闭状态。

5.根据权利要求2所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述框架包括底板(102)及多个支撑杆(103)，各所述支撑杆(103)的两端均开有内螺纹，下端通过螺栓固定于底板(102)上，上端固定于所述载物台(2)的下表面；所述气瓶组(106)通过气瓶固定座(107)安装在底板(102)上，所述截止阀(110)通过连接座(115)安装在底板(102)上，所述减压阀(104)及五通接头(114)分别安装在底板(102)上，所述三通接头(113)安装在任一根支撑杆(103)上；各所述气浮垫(101)均位于底板(102)的下方，通过螺栓及螺母固定于所述底板(102)的下表面。

6.根据权利要求1所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述载物台(2)包括载物面板(201)、支撑座(202)及护栏，该载物面板(201)的上表面安装有多个支撑座(202)，相邻支撑座(202)之间设有护栏，任意两个相邻支撑座之间设有供所述底座(301)插入的豁口(203)，该底座(301)安装在所述载物面板(201)上。

7.根据权利要求1所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述模块化关节包括关节后座(321)、伺服舵机(322)、定轴(323)、舵盘上固定座(324)、套筒(325)、舵盘(326)及舵盘下固定座(327)，该关节后座(321)与伺服舵机(322)相连、用于与底座(301)或相邻模块化关节中的舵盘下固定座(327)连接，所述伺服舵机(322)的输出轴连接有舵盘(326)；所述套筒(325)安装在伺服舵机(322)的上方，所述定轴(323)插设于套筒(325)中、并与伺服舵机(322)连接，该套筒(325)内圆柱面与所述定轴(323)过盈配合；所述舵盘下固定座(327)的一端与舵盘(326)相连，另一端与所述舵盘上固定座(324)的一端连接，该舵盘上固定座(324)的另一端与所述套筒(325)的外圆柱面间隙配合；所述伺服舵机(322)通过舵盘(326)带动舵盘上、下固定座(324、327)绕定轴(323)旋转。

8.根据权利要求7所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述关节后座(321)内表面开有用于与伺服舵机(322)连接的螺母安装孔(328)，该关节后座(321)内表面的四周设有带通孔(329)的安装支座(330)，所述安装支座(330)通过螺栓与伺服舵机(322)固接；所述舵盘上固定座(324)的一端底面设有凸棱，所述舵盘下固定座(327)内表面开设有与该凸棱相配合的导向槽(331)，该凸棱插设于导向槽(331)中、并通过螺栓紧固。

9.根据权利要求1所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述支撑架(402)的一端通过螺栓和螺母与支撑架压板(401)夹紧在气浮台(1)的框架上，所述风扇固定上压板(404)、风扇固定下压板(405)及风扇定位板(5)均通过螺栓紧固于支撑架(402)上。

10.根据权利要求1所述的模块化可扩展空间机械臂地面实验平台，其特征在于：所述支撑架(402)两侧的涵道风扇(403)正交配置，即两侧的涵道风扇(403)的轴向中心线垂直。