CN110926843A - 七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置及方法，属于空间机械臂微重力模拟地面实验领域。本发明包括肩部悬吊支撑架气足装置B、肘部支架气足装置C、腕部悬吊支撑支架气足装置D、七自由度机械臂A、关节悬吊轴装置E、气缸装置F、气缸装置G。七自由度机械臂包括第一臂杆A‑8、第二臂杆A‑9两根臂杆，肩部旋转关节A‑5、肩部旋转关节A‑6、肩部旋转关节A‑7三个旋转关节，肘部旋转关节A‑4，腕部旋转关节A‑1、腕部旋转关节A‑2、腕部旋转关节A‑3旋转关节。肩部与腕部属于对称结构。本发明能够模拟七自由度空间机械臂在运动过程中对其他卫星载荷和设备的姿态影响，显著改善空间机械臂在地面进行微重力等效模拟的实验效果。

Description

七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂地面微重力等效实验装置及实验方法，尤其涉及在地面进行七自由度的运动学模拟实验的空间机械臂地面微重力运动学等效实验装置及实验方法，属于空间机械臂微重力模拟地面实验领域。

背景技术

为对空间机械臂的动力学和运动学进行准确的研究，需要对其进行有效的空间机械臂地面微重力模拟实验，得到空间机械臂在空间中失重环境下的工作状态。

目前对空间机械臂的地面模拟实验主要使用两种装置：吊丝装置和平面气浮装置。吊丝装置可以实现多个自由度的运动，但是受到的干扰力很大；平面气浮装置可以实现X、Y两个方向的干扰力很小的平动，但是因其仅仅能支持空间机械臂2-3个自由度的运动，无法同时实现全部自由度的耦合联动，因此需要对多自由度空间机械臂的卸载装置进行适当的选择搭配才能实现对全部自由度的模拟。而且上面两种方法均无法验证空间机械臂在运动过程中对其它卫星载荷和设备的影响，因此实验仍然不具备和空间失重环境等效的情况。

此外，现有的空间机械臂多为灵敏度低，自由度较少，只能单一的完成一些简单的工作，臂杆较长，柔性大，使得与机械臂末端连接的执行器执行精度降低，准确性低并且其结构复杂成本高。因此，增加机械臂的自由度，提高其末端执行器的操作精度和灵活性是需要解决的问题。

发明内容

针对现有空间机械臂灵敏度低，自由度较少、臂杆较长、柔性大，以及现有空间机械臂地面微重力模拟方法受到干扰力很大以及只能实现低自由度的运动模拟而无法实现多自由度的耦合运动模拟等问题，本发明公开的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置及实验方法要解决的技术问题是：模拟七自由度空间机械臂在运动过程中对其他卫星载荷和设备的姿态影响，显著改善空间机械臂在地面进行微重力等效模拟的实验效果。

所述七自由度由肘部一个旋转关节、肩部三个旋转关节、腕部三个旋转关节实现。

本发明的目的是通过下述技术解决方案实现的：

本发明公开的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，包括肩部悬吊支撑架气足装置B、肘部支架气足装置C、腕部悬吊支撑支架气足装置D、七自由度机械臂A、关节悬吊轴装置E、气缸装置F、气缸装置G。

七自由度机械臂包括第一臂杆A-8、第二臂杆A-9两根臂杆，肩部旋转关节A-5、肩部旋转关节A-6、肩部旋转关节A-7三个旋转关节，肘部旋转关节A-4，腕部旋转关节A-1、腕部旋转关节A-2、腕部旋转关节A-3旋转关节。肩部旋转关节A-5、肩部旋转关节A-6、肩部旋转关节A-7三个旋转关节组成肩部。腕部旋转关节A-1、腕部旋转关节A-2、腕部旋转关节A-3旋转关节组成腕部，肩部与腕部属于对称结构。所述七自由度指分别绕上述七个关节轴线旋转的自由度。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与肩部旋转关节A-7连接的末端执行器与实验对象连接或悬空。肩部旋转关节A-6一端与肩部旋转关节A-7连接，另一端与肩部旋转关节A-5连接，肩部旋转关节A-5与肩部悬吊支撑架气足装置B上的关节支撑架B-9机械连接，而A-5关节侧面孔与第一臂杆A-8连接。此外，肩部旋转关节B-6还与安装在肩部悬吊支撑架A上的关节悬吊轴装置E连接；肩部B-7关节还与肩部悬臂支撑架上的气缸装置F连接。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与腕部旋转关节A-3连接的末端执行器A-10与被模拟对象连接或悬空。腕部旋转关节A-2一端与腕部旋转关节A-3连接，另一端与腕部旋转关节A-1连接，腕部旋转关节A-1侧面孔与第二臂杆A-9连接；此外，腕部旋转关节A-2还与腕部悬臂支撑架D上的关节悬吊轴连接；腕部A-3关节还与腕部悬臂支撑架上的气缸装置连接，肩部与腕部重力卸载装置原理一致，都运用气缸以及支架支撑关节。

肘部旋转关节A-4通过关节连接架与支架气足装置C连接。

肘部旋转关节A-4两端分别连接第一臂杆A-8、第二臂杆A-9，第一臂杆A-8另一端与肩部关节A-5连接，第二臂杆A-9与腕部关节A-1连接。

所述的肩部悬吊支撑架气足装置B包括悬吊支撑板B-1、第三气足装置B-6、小加强梁B-4、大加强梁B-2、型材架B-3、气缸装置F、直线导轨B-10、直线导轨滑块B-9、气浮支撑底板B-5、配重块B-7。关节悬吊轴装置通过螺母E-2固定在悬吊支撑板B-1上，在关节悬吊轴和螺母之间安装弹簧E-1，关节悬吊轴对关节B-6进行重力卸载，且在安装机械臂关节以及对其重力卸载时通过弹簧进行缓冲，减小对支撑板的冲击。肩部关节B-5通过与肩部关节支撑架气足装置的侧面托盘B-8的连接实现重力卸载，侧面托盘安装与支架上，位置随机械臂的安装高度以及实验需要进行调节；肩部关节B-6通过肩部悬吊支撑架A上的关节悬吊轴装置E实现重力卸载，且该装置内部弹簧对机械臂关节安装时具有缓冲减压作用；肩部关节B-7通过安装于肩部悬吊支撑架A上的气缸装置F实现重力卸载。

所述肘部支架气足装置C为肘部重力补偿机构，用于实现肘部重力补偿。所述肘部支架气足装置C包括型材架C-1、气浮支撑底板C-2、第二气足装置C-3、肘部关节连接架C-4。肘部关节连接架C-4与肘部关节A-4连接，用于固定空间机械臂的A-4关节，实现A-4关节处的重力卸载；肘部关节支撑架设有关节接口，关节接口通过机械配合方式实现肘部支架气足装置C与肘部关节的定位、连接。

所述的腕部悬吊支撑架气足装置D包括悬吊支撑板D-1、第三气足装置D-2、型材架D-3、气缸装置G、直线导轨、直线导轨滑块、肩部关节支撑架。腕部关节A-1与腕部关节A-2通过置于关节支撑架D上实现重力卸载，而腕部关节A-3通过安装在支架气足装置D上的气缸装置实现重力卸载。

所述的肩部悬吊支撑架气足装置B、肘部支撑气足装置C以及腕部支撑气足装置D的高度均能够根据实验需要进行调整。

所述第一气足装置B-6第二气足装置C-3和第三气足装置D-2结构相同，称作气足装置，均用于实现平面内三个自由度的无摩擦运动。作为优选，所述气足装置结包括平面气足组件、压力传感器、支撑组件；平面气足组件包括平面气足安装板和均布在安装板上的三个平面气足，支撑组件安装在气足安装板上方，并通过关节连接架与关节连接。

作为优选，气缸装置F、气缸装置G结构相同，称作气缸装置，气缸装置包括两个气缸杆、两个气缸筒、两个气浮导轨、两个气浮滑块、两个气缸连接杆，两个直线导轨安装在支撑板下方，一个气浮导轨安装在直线导轨滑块上，另外一个气浮导轨直接安装在支撑板下方，支撑板下方通过加强梁阵列固定，气浮导轨上安装气浮滑块，气浮滑块与气缸组件连接，随着末端关节的翻转从而在气浮导轨上无摩擦滑动同时气缸杆也在气缸筒里面上下运动。

作为优选，所述力传感器为S型力传感器，便于测量与末端关节连接的末端执行器执行任务时的接触受力，为机械臂控制系统反馈信息，从而能够减小对接时的冲击力，提高末端执行器的使用精度。

本发明公开的七自由度空间机械臂地面微重力等效模拟实验装置的工作方法为：

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与腕部旋转关节A-3连接的末端执行器根据实验需要进行连接或悬空。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与肩部旋转关节A-7连接的末端执行器根据实验需要进行连接或悬空。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，选择进行机械臂肩部、腕部、肘部关节部位旋转运动完成重力卸载实验以及任务需求的完成。

当对肩部关节进行重力卸载试验时，肩部关节A-5通过与肩部关节支撑架的连接实现重力卸载，肩部关节A-6通过肩部悬吊支撑架B上的关节悬吊轴实现重力卸载，肩部关节A-7通过肩部悬吊支撑架A上的气缸装置F实现重力卸载。当有需要机械臂协助完成的对接任务时，被模拟对象通过与A-7关节连接的末端执行器连接实现重力卸载。

当对腕部关节进行重力卸载试验时，腕部关节A-1和腕部关节A-2通过与腕部关节支撑架的连接实现重力卸载，腕部A-3通过与腕部支撑架D上的气缸装置G实现重力卸载。同样地，腕部末端执行器处也可根据实验需要连接模拟星或者悬空。

悬吊支撑架气足装置包括气缸装置E、关节悬吊轴装置F以及第一气足装置，通过在支撑底板上装配重块B-8实现机械臂肩部关节的模拟微重力环境等效运动，腕部和肩部属于对称结构，则通过相同的卸载方法实现微重力模拟，腕部关节则通过第二气足装置和支撑支架实现微重力模拟；因此，通过悬吊支撑架装置B、支撑气足装置C、支撑气足装置D、气缸装置、关节悬吊轴装置E、气足装置的配合使用，在地面等效模拟实验中实现空间七自由度机械臂全部自由度多轴耦合联动，进而能够实现为失重环境下设计的空间机械臂在地面重力环境下进行全部自由度的地面微重力运动学等效实验。

气缸装置中的气缸筒F-1通过气浮滑块F-4安装在气浮导轨F-5上，为机械臂肩部和腕部末端关节上下翻转时提供无摩擦的直线运动，安装在支撑悬架装置底板B-5上的气足装置让机械臂实现平面内的无摩擦运动，减小对实验带来的干扰力。关节悬吊轴装置E实现机械臂A-6关节的卸载，关节悬吊轴E-3通过螺母E-2固定在悬吊支撑板B-1上，之间安装弹簧E-1，随着关节的上下动作，具有缓冲作用，减小对悬吊支撑板的冲击，且保证重力卸载效果。

末端执行器A-10处通过四边形横梁A-13和和四边形力传感器连接臂A-11安装S型力传感器A-12，便于测量末端执行器执行任务时的接触力，为机械臂控制系统反馈信息，减小冲击，提高末端执行器的使用精度。

使用弹簧能够对高度进行微调，使实验装置具备自适应能力和自调节能力，降低空间机械臂等效实验装置在安装过程中对精度的要求，提高装置的安全性和可靠性。

气缸装置在机械臂关节翻转过程中进行重力卸载，气缸杆在气缸筒中的上下运动会受到里面气体压强的作用而对机械臂的卸载作用产生缓冲，保证效果及安全可靠性。

气浮导轨、气浮滑块用于实现关节翻转运动时带动的气缸装置无摩擦式水平直线跟随运动，提高对机械臂微重力模拟的效果。

气足装置处均设置有压力传感器，通过压力传感器实时监控气足支撑装置处的支撑效果，防止机械臂重力等效实验装置因故障、平面气足组件与水平面之间的距离改变或其他原因受到向下的外力时，压力传感器检测的压力值降低或者增大，压力传感器通过报警提示操作人员，提高装置使用的安全性和可靠性。

悬臂支撑气足装置均采用加强梁的结构，提高卸载装置的安全性和可靠性，且悬臂支撑架侧面的支撑板与机械臂侧面连接，无需在机械臂上专门设计实验接口，使得等效微重力实验装置具有实用性，满足不同的机械臂要求，增大实验装置的通用性。

有益效果：

1、本发明通过悬吊支撑架装置B、气缸装置和关节悬吊轴装置以及平面气足装置并可以在支撑底板安装配重块实现机械臂肩部关节的模拟微重力环境等效运动，腕部和肩部属于对称结构，则通过相同的卸载方法实现微重力模拟，肘部关节则通过平面气足装置C和支撑支架实现微重力模拟；因此本方法通过不同高度的支撑悬架装置、气缸装置、关节悬吊轴装置的配合使用，在地面等效模拟实验中实现空间七自由度机械臂全部自由度多轴耦合联动，进而能够实现为失重环境下设计的空间机械臂在地面重力环境下进行全部自由度的地面微重力运动学等效实验。

2、本发明气缸装置F中的气缸筒F-1通过气浮滑块F-4安装在气浮导轨F-5上，为机械臂肩部和腕部关节翻转时气缸在导轨上的无摩擦跟随运动，安装在支撑悬架装置底板上的气足装置让机械臂臂杆实现平面内的无摩擦运动，关节悬吊轴装置实现机械臂A-6关节的卸载，关节悬吊轴E-3通过螺母E-2固定在悬吊支撑板B-1上，之间安装弹簧E-1，随着关节的上下翻转，具有一定的缓冲作用，减小对悬吊支撑板的冲击，且保证重力卸载效果。

3、本发明末端执行器A-10处通过四边形横梁A-13和和四边形力传感器连接臂A-11安装S型力传感器A-12，便于测量末端关节运动的受力，以测量末端执行器执行任务时的接触力，为机械臂控制系统反馈信息，减小冲击，提高末端执行器的使用精度。

4、本发明使用弹簧能够对高度进行微调，使实验装置具备一定的自适应能力和自调节能力，降低空间机械臂等效实验装置在安装过程中对精度的要求，提高装置的安全性和可靠性。

5、本发明中的气缸装置在机械臂关节翻转过程中进行重力卸载，气缸杆在气缸筒中的上下运动会受到里面气体压强的作用而对机械臂的卸载作用产生缓冲，保证效果。

6、本发明中的气浮导轨、气浮滑块，实现关节翻转运动时带动的气缸组件无摩擦式水平跟随运动，提高对机械臂微重力模拟的效果。

7、本发明中的气足装置处均设置有压力传感器，通过压力传感器实时监控气足支撑装置处的支撑效果，防止机械臂重力等效实验装置因故障、平面气足组件与水平面之间的距离改变或其他原因受到向下的外力时，压力传感器检测的压力值降低或者增大，压力传感器通过报警提示操作人员，提高装置使用的安全性和可靠性。

8、本发明中的悬臂支撑装置均采用加强梁的结构，提高卸载装置的安全性和可靠性，且悬臂支撑架侧面的支撑板与机械臂侧面连接，无需在机械臂上专门设计实验接口，使得等效微重力实验装置具有实用性，可以满足不同的机械臂要求，增大实验装置的通用性。

附图说明

图1为七自由度空间机械臂地面微重力运动学等效实验装置示意图，其中(a)为主视图，(b)为立体图；

图2为七由度机械臂局部安装示意图；

图3为肩部悬吊支撑架气足装置示意图；

图4为关节悬吊轴装置示意图；

图5为气缸装置示意图；

其中：A—七自由度机械臂，B—肩部悬吊支撑架气足装置，C—肘部支撑气足装置，D—腕部支撑气足装置，E为关节悬吊轴装置，F为肩部气缸装置、G为腕部气缸装置，F和G结构一样。

A-1—腕部旋转关节、A-2—腕部旋转关节、A-3—腕部旋转关节、A-4—肘部旋转关节、A-5—肩部旋转关节、A-6—肩部旋转关节、A-7—肩部旋转关节、A-8—第一臂杆、A-9—第二臂杆、A-10—末端执行器、A-11—四边形力传感器连接臂、A-12—S型力传感器、A-13—四边形横梁；B-1—悬吊支撑板、B-2—大加强梁、B-3—肩部型材架、B-4—小加强梁、B-5—支撑底板、B-6—支撑气足、B-7—配重块、B-8—托盘、B-9—直线导轨滑块、B-10—直线导轨；C-1—肘部型材架、C-2—支撑底板、C-3—支撑气足、C-4—关节连接架；D-1—支撑底板、D-2—支撑气足、D-3—腕部型材架；E-1—弹簧、E-2—螺母、E-3—关节悬吊轴；F-1—气缸筒、F-2—气缸杆、F-3—气缸连接板、F-4—气浮滑块、F-5—气浮滑块。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1、2、3、4所示，本实施例公开的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，包括肩部悬吊支撑架气足装置B、肘部支架气足装置C、腕部悬吊支撑支架气足装置D、七自由度机械臂A、关节悬吊轴装置E、气缸装置F、气缸装置G。

七自由度机械臂包括第一臂杆A-8、第二臂杆A-9两根臂杆，肩部旋转关节A-5、肩部旋转关节A-6、肩部旋转关节A-7三个旋转关节，肘部旋转关节A-4、腕部旋转关节A-1、腕部旋转关节A-2、腕部旋转关节A-3三个旋转关节。肩部旋转关节A-5、肩部旋转关节A-6、肩部旋转关节A-7三个旋转关节组成肩部结构；腕部旋转关节A-1、腕部旋转关节A-2、腕部旋转关节A-3三个旋转关节组成腕部结构；肩部与腕部属于对称结构，所述七自由度指分别绕上述七个关节轴线旋转的自由度。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与肩部旋转关节A-7连接的末端执行器与实验对象连接或悬空。肩部旋转关节A-6一端与肩部旋转关节A-7连接，另一端与肩部旋转关节A-5连接，肩部旋转关节A-5与肩部悬吊支撑架气足装置B上的关节支撑架B-9机械连接，而A-5关节侧面孔与第一臂杆A-8连接。此外，肩部旋转关节B-6还与安装在肩部悬吊支撑架A上的关节悬吊轴装置E连接；肩部B-7关节还与肩部悬臂支撑架上的气缸装置F连接。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与腕部旋转关节A-3连接的末端执行器A-10与被模拟对象连接或悬空。腕部旋转关节A-2一端与腕部旋转关节A-3连接，另一端与腕部旋转关节A-1连接，腕部旋转关节A-1侧面孔与第二臂杆A-9连接；此外，腕部旋转关节A-2还与腕部悬臂支撑架D上的关节悬吊轴连接；腕部A-3关节还与腕部悬臂支撑架上的气缸装置连接，肩部与腕部重力卸载装置原理一致，都运用气缸以及支架支撑关节。

肘部旋转关节A-4通过关节连接架与支架气足装置C连接。

肘部旋转关节A-4两端分别连接第一臂杆A-8、第二臂杆A-9，第一臂杆A-8另一端与肩部关节A-5连接，第二臂杆A-9与腕部关节A-1连接。

所述的肩部悬吊支撑架气足装置B包括悬吊支撑板B-1、第三气足装置B-6、小加强梁B-4、大加强梁B-2、型材架B-3、气缸装置F、直线导轨B-10、直线导轨滑块B-9、气浮支撑底板B-5、配重块B-7。关节悬吊轴装置通过螺母E-2固定在悬吊支撑板B-1上，在关节悬吊轴和螺母之间安装弹簧E-1，关节悬吊轴对关节B-6进行重力卸载，且在安装机械臂关节以及对其重力卸载时通过弹簧进行缓冲，减小对支撑板的冲击。肩部关节B-5通过与肩部关节支撑架气足装置的侧面托盘B-8的连接实现重力卸载，侧面托盘安装与支架上，位置随机械臂的安装高度以及实验需要进行调节；肩部关节B-6通过肩部悬吊支撑架A上的关节悬吊轴装置E实现重力卸载，且该装置内部弹簧对机械臂关节安装时具有缓冲减压作用；肩部关节B-7通过安装于肩部悬吊支撑架A上的气缸装置F实现重力卸载。

所述肘部支架气足装置C为肘部重力补偿机构，用于实现肘部重力补偿。所述肘部支架气足装置C包括型材架C-1、气浮支撑底板C-2、第二气足装置C-3、肘部关节连接架C-4。肘部关节连接架C-4与肘部关节A-4连接，用于固定空间机械臂的A-4关节，实现A-4关节处的重力卸载；肘部关节支撑架设有关节接口，关节接口通过机械配合方式实现肘部支架气足装置C与肘部关节的定位、连接。

所述的腕部悬吊支撑架气足装置D包括悬吊支撑板D-1、第三气足装置D-2、型材架D-3、气缸装置G、直线导轨、直线导轨滑块、肩部关节支撑架。腕部关节A-1与腕部关节A-2通过置于关节支撑架D上实现重力卸载，而腕部关节A-3通过安装在支架气足装置D上的气缸装置实现重力卸载。

所述的肩部悬吊支撑架气足装置B、肘部支撑气足装置C以及腕部支撑气足装置D的高度均可根据实验需要进行调整。

所述第一气足装置B-6第二气足装置C-3和第三气足装置D-2结构相同，称作气足装置，均用于实现平面内三个自由度的无摩擦运动。作为优选，所述气足装置结包括平面气足组件、压力传感器、支撑组件；平面气足组件包括平面气足安装板和均布在安装板上的三个平面气足，支撑组件安装在气足安装板上方，并通过关节连接架与关节连接。

如图5所示，气缸装置F、气缸装置G结构相同，称作气缸装置，气缸装置包括两个气缸杆、两个气缸筒、两个气浮导轨、两个气浮滑块、两个气缸连接杆，两个直线导轨安装在支撑板下方，一个气浮导轨安装在直线导轨滑块上，另外一个气浮导轨直接安装在支撑板下方，支撑板下方通过加强梁阵列固定，气浮导轨上安装气浮滑块，气浮滑块与气缸组件连接，随着末端关节的翻转从而在气浮导轨上无摩擦滑动同时气缸杆也在气缸筒里面上下运动。

所述力传感器为S型力传感器，便于测量与末端关节连接的末端执行器执行任务时的接触受力，为机械臂控制系统反馈信息，从而可以减小对接时的冲击力，提高末端执行器的使用精度。

如图1、2所示，本实施例公开的七自由度空间机械臂地面微重力等效模拟实验装置的工作方法为：

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与腕部旋转关节A-3连接的末端执行器根据实验需要进行连接或悬空。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与肩部旋转关节A-7连接的末端执行器根据实验需要进行连接或悬空。

根据机械臂地面微重力等效实验需要，选择进行机械臂肩部、腕部、肘部关节部位旋转运动完成重力卸载实验以及任务需求的完成。

当对肩部关节进行重力卸载试验时，肩部关节A-5通过与肩部关节支撑架的连接实现重力卸载，肩部关节A-6通过肩部悬吊支撑架B上的关节悬吊轴实现重力卸载，肩部关节A-7通过肩部悬吊支撑架A上的气缸装置F实现重力卸载。当有需要机械臂协助完成的对接任务时，被模拟对象通过与A-7关节连接的末端执行器连接实现重力卸载。

当对腕部关节进行重力卸载试验时，腕部关节A-1和腕部关节A-2通过与腕部关节支撑架的连接实现重力卸载，腕部A-3通过与腕部支撑架D上的气缸装置G实现重力卸载。同样地，腕部末端执行器处也可根据实验需要连接模拟星或者悬空。

悬吊支撑架气足装置包括气缸装置E、关节悬吊轴装置F以及第一气足装置，通过在支撑底板上装配重块B-8实现机械臂肩部关节的模拟微重力环境等效运动，腕部和肩部属于对称结构，则通过相同的卸载方法实现微重力模拟，腕部关节则通过第二气足装置和支撑支架实现微重力模拟；因此本方法通过悬吊支撑架装置B、支撑气足装置C、支撑气足装置D、气缸装置、关节悬吊轴装置E、气足装置的配合使用，在地面等效模拟实验中实现空间七自由度机械臂全部自由度多轴耦合联动，进而能够实现为失重环境下设计的空间机械臂在地面重力环境下进行全部自由度的地面微重力运动学等效实验。

气缸装置中的气缸筒F-1通过气浮滑块F-4安装在气浮导轨F-5上，为机械臂肩部和腕部末端关节上下翻转时提供无摩擦的直线运动，安装在支撑悬架装置底板B-5上的气足装置让机械臂实现平面内的无摩擦运动，关节悬吊轴装置E实现机械臂A-6关节的卸载，关节悬吊轴E-3通过螺母E-2固定在悬吊支撑板B-1上，之间安装弹簧E-1，随着关节的上下动作，具有一定的缓冲作用，减小对悬吊支撑板的冲击，且保证重力卸载效果。

末端执行器A-10处通过四边形横梁A-13和和四边形力传感器连接臂A-11安装S型力传感器A-12，便于测量末端执行器执行任务时的接触力，为机械臂控制系统反馈信息，减小冲击，提高末端执行器的使用精度。

使用弹簧能够对高度进行微调，使实验装置具备一定的自适应能力和自调节能力，降低空间机械臂等效实验装置在安装过程中对精度的要求，提高装置的安全性和可靠性。

气缸装置在机械臂关节翻转过程中进行重力卸载，气缸杆在气缸筒中的上下运动会受到里面气体压强的作用而对机械臂的卸载作用产生缓冲，保证效果及安全可靠性。

气浮导轨、气浮滑块能够实现关节翻转运动时带动的气缸装置无摩擦式水平直线跟随运动，提高对机械臂微重力模拟的效果。

气足装置处均设置有压力传感器，通过压力传感器实时监控气足支撑装置处的支撑效果，防止机械臂重力等效实验装置因故障、平面气足组件与水平面之间的距离改变或其他原因受到向下的外力时，压力传感器检测的压力值降低或者增大，压力传感器通过报警提示操作人员，提高装置使用的安全性和可靠性。

悬臂支撑气足装置均采用加强梁的结构，提高卸载装置的安全性和可靠性，且悬臂支撑架侧面的支撑板与机械臂侧面连接，无需在机械臂上专门设计实验接口，使得等效微重力实验装置具有实用性，可以满足不同的机械臂要求，增大实验装置的通用性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：包括肩部悬吊支撑架气足装置B、肘部支架气足装置C、腕部悬吊支撑支架气足装置D、七自由度机械臂A、关节悬吊轴装置E、气缸装置F、气缸装置G；

七自由度机械臂包括第一臂杆A-8、第二臂杆A-9两根臂杆，肩部旋转关节A-5、肩部旋转关节A-6、肩部旋转关节A-7三个旋转关节，肘部旋转关节A-4，腕部旋转关节A-1、腕部旋转关节A-2、腕部旋转关节A-3旋转关节；肩部旋转关节A-5、肩部旋转关节A-6、肩部旋转关节A-7三个旋转关节组成肩部；腕部旋转关节A-1、腕部旋转关节A-2、腕部旋转关节A-3旋转关节组成腕部，肩部与腕部属于对称结构；所述七自由度指分别绕上述七个关节轴线旋转的自由度。

2.如权利要求1所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：根据机械臂地面微重力等效实验需要，与肩部旋转关节A-7连接的末端执行器与实验对象连接或悬空；肩部旋转关节A-6一端与肩部旋转关节A-7连接，另一端与肩部旋转关节A-5连接，肩部旋转关节A-5与肩部悬吊支撑架气足装置B上的关节支撑架B-9机械连接，而A-5关节侧面孔与第一臂杆A-8连接；此外，肩部旋转关节B-6还与安装在肩部悬吊支撑架A上的关节悬吊轴装置E连接；肩部B-7关节还与肩部悬臂支撑架上的气缸装置F连接；

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与腕部旋转关节A-3连接的末端执行器A-10与被模拟对象连接或悬空；腕部旋转关节A-2一端与腕部旋转关节A-3连接，另一端与腕部旋转关节A-1连接，腕部旋转关节A-1侧面孔与第二臂杆A-9连接；此外，腕部旋转关节A-2还与腕部悬臂支撑架D上的关节悬吊轴连接；腕部A-3关节还与腕部悬臂支撑架上的气缸装置连接，肩部与腕部重力卸载装置原理一致，都运用气缸以及支架支撑关节；

肘部旋转关节A-4通过关节连接架与支架气足装置C连接；

肘部旋转关节A-4两端分别连接第一臂杆A-8、第二臂杆A-9，第一臂杆A-8另一端与肩部关节A-5连接，第二臂杆A-9与腕部关节A-1连接；

所述的肩部悬吊支撑架气足装置B包括悬吊支撑板B-1、第三气足装置B-6、小加强梁B-4、大加强梁B-2、型材架B-3、气缸装置F、直线导轨B-10、直线导轨滑块B-9、气浮支撑底板B-5、配重块B-7；关节悬吊轴装置通过螺母E-2固定在悬吊支撑板B-1上，在关节悬吊轴和螺母之间安装弹簧E-1，关节悬吊轴对关节B-6进行重力卸载，且在安装机械臂关节以及对其重力卸载时通过弹簧进行缓冲，减小对支撑板的冲击；肩部关节B-5通过与肩部关节支撑架气足装置的侧面托盘B-8的连接实现重力卸载，侧面托盘安装与支架上，位置随机械臂的安装高度以及实验需要进行调节；肩部关节B-6通过肩部悬吊支撑架A上的关节悬吊轴装置E实现重力卸载，且该装置内部弹簧对机械臂关节安装时具有缓冲减压作用；肩部关节B-7通过安装于肩部悬吊支撑架A上的气缸装置F实现重力卸载；

所述肘部支架气足装置C为肘部重力补偿机构，用于实现肘部重力补偿；所述肘部支架气足装置C包括型材架C-1、气浮支撑底板C-2、第二气足装置C-3、肘部关节连接架C-4；肘部关节连接架C-4与肘部关节A-4连接，用于固定空间机械臂的A-4关节，实现A-4关节处的重力卸载；肘部关节支撑架设有关节接口，关节接口通过机械配合方式实现肘部支架气足装置C与肘部关节的定位、连接；

所述的腕部悬吊支撑架气足装置D包括悬吊支撑板D-1、第三气足装置D-2、型材架D-3、气缸装置G、直线导轨、直线导轨滑块、肩部关节支撑架；腕部关节A-1与腕部关节A-2通过置于关节支撑架D上实现重力卸载，而腕部关节A-3通过安装在支架气足装置D上的气缸装置实现重力卸载；

所述的肩部悬吊支撑架气足装置B、肘部支撑气足装置C以及腕部支撑气足装置D的高度均能够根据实验需要进行调整；

所述第一气足装置B-6第二气足装置C-3和第三气足装置D-2结构相同，称作气足装置，均用于实现平面内三个自由度的无摩擦运动；作为优选，所述气足装置结包括平面气足组件、压力传感器、支撑组件；平面气足组件包括平面气足安装板和均布在安装板上的三个平面气足，支撑组件安装在气足安装板上方，并通过关节连接架与关节连接。

3.如权利要求2所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：气缸装置F、气缸装置G结构相同，称作气缸装置，气缸装置包括两个气缸杆、两个气缸筒、两个气浮导轨、两个气浮滑块、两个气缸连接杆，两个直线导轨安装在支撑板下方，一个气浮导轨安装在直线导轨滑块上，另外一个气浮导轨直接安装在支撑板下方，支撑板下方通过加强梁阵列固定，气浮导轨上安装气浮滑块，气浮滑块与气缸组件连接，随着末端关节的翻转从而在气浮导轨上无摩擦滑动同时气缸杆也在气缸筒里面上下运动。

4.如权利要求2所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：所述力传感器为S型力传感器，便于测量与末端关节连接的末端执行器执行任务时的接触受力，为机械臂控制系统反馈信息，从而能够减小对接时的冲击力，提高末端执行器的使用精度。

5.如权利要求1、2、3或4所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：工作方法为，

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与腕部旋转关节A-3连接的末端执行器根据实验需要进行连接或悬空；

根据机械臂地面微重力等效实验需要，与肩部旋转关节A-7连接的末端执行器根据实验需要进行连接或悬空；

根据机械臂地面微重力等效实验需要，选择进行机械臂肩部、腕部、肘部关节部位旋转运动完成重力卸载实验以及任务需求的完成；

当对肩部关节进行重力卸载试验时，肩部关节A-5通过与肩部关节支撑架的连接实现重力卸载，肩部关节A-6通过肩部悬吊支撑架B上的关节悬吊轴实现重力卸载，肩部关节A-7通过肩部悬吊支撑架A上的气缸装置F实现重力卸载；当有需要机械臂协助完成的对接任务时，被模拟对象通过与A-7关节连接的末端执行器连接实现重力卸载；

当对腕部关节进行重力卸载试验时，腕部关节A-1和腕部关节A-2通过与腕部关节支撑架的连接实现重力卸载，腕部A-3通过与腕部支撑架D上的气缸装置G实现重力卸载；同样地，腕部末端执行器处也可根据实验需要连接模拟星或者悬空；

悬吊支撑架气足装置包括气缸装置E、关节悬吊轴装置F以及第一气足装置，通过在支撑底板上装配重块B-8实现机械臂肩部关节的模拟微重力环境等效运动，腕部和肩部属于对称结构，则通过相同的卸载方法实现微重力模拟，腕部关节则通过第二气足装置和支撑支架实现微重力模拟；因此，通过悬吊支撑架装置B、支撑气足装置C、支撑气足装置D、气缸装置、关节悬吊轴装置E、气足装置的配合使用，在地面等效模拟实验中实现空间七自由度机械臂全部自由度多轴耦合联动，进而能够实现为失重环境下设计的空间机械臂在地面重力环境下进行全部自由度的地面微重力运动学等效实验。

6.如权利要求5所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：气缸装置中的气缸筒F-1通过气浮滑块F-4安装在气浮导轨F-5上，为机械臂肩部和腕部末端关节上下翻转时提供无摩擦的直线运动，安装在支撑悬架装置底板B-5上的气足装置让机械臂实现平面内的无摩擦运动，减小对实验带来的干扰力；关节悬吊轴装置E实现机械臂A-6关节的卸载，关节悬吊轴E-3通过螺母E-2固定在悬吊支撑板B-1上，之间安装弹簧E-1，随着关节的上下动作，具有缓冲作用，减小对悬吊支撑板的冲击，且保证重力卸载效果。

7.如权利要求6所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：末端执行器A-10处通过四边形横梁A-13和和四边形力传感器连接臂A-11安装S型力传感器A-12，便于测量末端执行器执行任务时的接触力，为机械臂控制系统反馈信息，减小冲击，提高末端执行器的使用精度。

8.如权利要求7所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：使用弹簧能够对高度进行微调，使实验装置具备自适应能力和自调节能力，降低空间机械臂等效实验装置在安装过程中对精度的要求，提高装置的安全性和可靠性；

气缸装置在机械臂关节翻转过程中进行重力卸载，气缸杆在气缸筒中的上下运动会受到里面气体压强的作用而对机械臂的卸载作用产生缓冲，保证效果及安全可靠性；

气浮导轨、气浮滑块用于实现关节翻转运动时带动的气缸装置无摩擦式水平直线跟随运动，提高对机械臂微重力模拟的效果。

9.如权利要求8所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：气足装置处均设置有压力传感器，通过压力传感器实时监控气足支撑装置处的支撑效果，防止机械臂重力等效实验装置因故障、平面气足组件与水平面之间的距离改变或其他原因受到向下的外力时，压力传感器检测的压力值降低或者增大，压力传感器通过报警提示操作人员，提高装置使用的安全性和可靠性。

10.如权利要求9所述的七自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，其特征在于：悬臂支撑气足装置均采用加强梁的结构，提高卸载装置的安全性和可靠性，且悬臂支撑架侧面的支撑板与机械臂侧面连接，无需在机械臂上专门设计实验接口，使得等效微重力实验装置具有实用性，满足不同的机械臂要求，增大实验装置的通用性。

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