CN111017273B - 一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统，包括：水平顶板组件、杆件、柔性机械臂系统、负压吸附悬浮装置。水平顶板组件通过负压吸附技术连接多个负压吸附悬浮装置；所述杆件吊装在负压吸附悬浮装置上，负压吸附悬浮装置用于模拟杆件在空间装配时，杆件所处的微重力环境；所述柔性机械臂系统用于移动杆件使杆件的两端和外部空间桁架结构连接；所述负压吸附悬浮装置与水平顶板组件之间能够相对移动。本发明基于负压吸附原理结合恒力弹簧，实现空间杆系单元空间三维复杂轨迹的重力卸载，满足柔性机械臂地面模拟在轨杆系单元的微重力装配过程。

Description

一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统
技术领域
本发明涉及一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统，特别是一种应用于航天器柔性机械臂装配的空间大尺寸杆单元装调过程中进行重力卸载的装置。
背景技术
航天器柔性机械臂在轨进行大尺寸杆系单元装配时，处于微重力环境中。由于天地环境的差异性，柔性机械臂地面模拟在轨杆系单元装配时，其自身刚度较小，不足以克服大尺寸杆系单元的重力作用。因此，柔性机械臂在地面进行大尺寸杆单元装调测试时，需要使用配套的重力卸载装置以抵消杆单元自身重力作用，模拟在轨装配状态。
目前，常用的重力卸载方式主要有导轨滑车悬挂、气浮支撑及气球悬挂等，但使用过程中均有所限制。导轨滑车悬吊方式结构简单、易于实现，应用较为广泛，主要采用导轨支撑或滑轮配重等方式实现重力卸载，但受限于导轨本身形状及布局方式，无法对运动轨迹复杂的空间机构进行重力卸载，另外受导轨制作工艺的影响，大尺寸导轨的直线度及摩擦力难以控制，大尺寸小载荷空间机构用于展开的驱动力可能不足以抵消导轨摩擦力，不利于在重力卸载过程中对机构展开性能的精准控制；气浮支撑式承载较大，可实现平面内复杂运动轨迹空间机构的重力卸载，但在空间机构复杂特别是尺寸过大的情况下，整体结构稳定性低，在运动或者姿态调整过程中容易失稳；气球悬挂适用于复杂运动轨迹空间机构的重力卸载，由于靠气球的浮力抵消重力，对载荷较大的机构，气球的尺寸较大，对场地空间要求较高，另外，气球悬吊重力卸载方式不适用于运动速度较快的空间机构，跟随响应较慢。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统，该系统基于负压吸附原理结合恒力弹簧，实现空间杆系单元空间三维复杂轨迹的重力卸载，满足柔性机械臂地面模拟在轨杆系单元的微重力装配过程。
本发明的技术方案是：
一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统，包括：水平顶板组件、杆件、柔性机械臂系统、负压吸附悬浮装置；
水平顶板组件通过负压吸附技术连接多个负压吸附悬浮装置；所述杆件吊装在负压吸附悬浮装置上，负压吸附悬浮装置用于模拟杆件在空间装配时，杆件所处的微重力环境；所述柔性机械臂系统用于移动杆件使杆件的两端和外部空间桁架结构连接；
所述负压吸附悬浮装置与水平顶板组件之间能够相对移动。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明相比气浮支撑或滑轮配重等重力卸载方式，本发明的微重力模拟系统，具有重量小、结构紧凑、附加惯量低等特点，与导轨滑车方式相比微重力模拟的运动范围更大，可实现杆系单元空间三维复杂运动轨迹的微重力模拟；
2)本发明与导轨滑车方式相比，本发明的微重力模拟系统基于负压吸附单元及纳米多孔气悬浮单元，采用空气润滑，具有摩擦系数小(优于0.0001)、低阻尼等特性。
3)本发明与滑轮配重式重力卸载相比，本发明的微重力模拟系统，采用恒张力弹簧组件，具有对外输出力恒定等特点，且不受滑轮固定位置的限制，运动范围更加灵活，可实现杆件较高的重力卸载效率(优于96％)。
4)本发明与导轨支撑方式相比，本发明的微重力模拟系统的水平顶板组件采用多个双悬调节螺杆，刚度更高，不容易变形，可实现顶板较高的平面度调整(优于0.5微米)。
附图说明
图1为本发明的微重力模拟系统主视图；
图2为本发明的微重力模拟系统左视图；
图3为本发明的负压吸附悬浮装置剖视图；
图4为本发明的负压吸附悬浮装置示意图
图5为本发明的水平顶板组件示意图。
具体实施方式
本发明一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统，如图1、2、5所示，包括：水平顶板组件1、杆件2、柔性机械臂系统3、负压吸附悬浮装置4。其中，水平顶板组件1为负压吸附悬浮装置4提供平面运动基准，固定在特定安装面上，安装面的平面度优于2mm；负压吸附悬浮装置4在负压作用下吸附在水平顶板组件1上，且能在平面内实现低摩擦自由移动，为杆件2提供微重力环境；杆件2是空间桁架模块的组成单元，通过转接环8与负压吸附悬浮装置4固定连接；柔性机械臂系统3是将杆件2组装成空间桁架模块的执行机构，实现杆件2地面的微重力装配。
具体的，水平顶板组件1通过负压吸附技术连接多个负压吸附悬浮装置4；所述杆件2吊装在负压吸附悬浮装置4上，负压吸附悬浮装置4用于模拟杆件2在空间装配时，杆件2所处的微重力环境；柔性机械臂系统3为杆件2装调的抓起对接机构，是杆件2在轨装配的执行单元，所述柔性机械臂系统3用于移动杆件2使杆件2的两端和外部空间桁架结构连接。
所述负压吸附悬浮装置4与水平顶板组件1之间能够相对移动。
如图3所示，水平顶板组件1包括：槽铝12、双悬调节组件13、限位板14及顶板15；
槽铝12和顶板15均为板件结构，双悬调节组件13的一端固定连接槽铝12，双悬调节组件13的另一端固定连接顶板15；
槽铝12和顶板15之间通过多个均布的双悬调节组件13固定连接；
所述双悬调节组件13的长度能够调整，通过调整槽铝12和顶板15之间多个均布的双悬调节组件13使顶板15的表面平行于水平面；
顶板15的下端面固定连接有多个负压吸附悬浮装置4。双悬调节组件13是顶板15的精密调整组件，用于顶板15的平面度及水平度调整，顶板15是负压吸附悬浮装置4的平面运动区域，为其提供平面运动包络。
所述水平顶板组件1还包括：限位板14；所述限位板14用于限制负压吸附悬浮装置4在顶板15上的移动范围。顶板15是负压吸附悬浮装置4的平面运动区域，为其提供平面运动包络。限位板14是保护装置，为负压吸附悬浮装置4在顶板14范围内运动过程中提供限位保护。
所述负压吸附悬浮装置4包括：负压吸附骨架5、拉力传感器6、收线盒7、转接环8、恒力弹簧9、纳米气悬浮结构环10及负压吸附结构环11；
如图4所示，纳米气悬浮结构环10和负压吸附结构环11均为圆环结构，负压吸附骨架5的上端面设置有同心的两处环形凹槽，两处环形凹槽中位于外侧的凹槽用于放置纳米气悬浮结构环10，两处环形凹槽中位于内侧的凹槽用于放置负压吸附结构环11；负压吸附骨架5为空腔结构，能通过气泵将负压吸附结构环11抽气形成负压环境，从而使负压吸附悬浮装置4被标准气压压紧在水平顶板组件1上，从而实现吸附功能。
纳米气悬浮结构环10为纳米材料烧结而成的多孔疏松结构，放置纳米气悬浮结构环10的凹槽设置有和气泵连接的进气孔，气泵吹入的气体从纳米气悬浮结构环10多孔疏松结构的空隙中喷出，在负压吸附骨架5与水平顶板组件1的接触面之间形成10～20μm气膜，极大减小接触面间的摩擦系数。所述气泵吹入的气体的压力取值范围为0.2～1.0Mpa。
放置负压吸附结构环11的凹槽设置有和气泵连接的出气孔，气泵从放置负压吸附结构环11的凹槽内向外抽气形成负压环境，使负压吸附骨架5的上端面吸附在水平顶板组件1上；
拉力传感器6为负压吸附悬浮装置4提供吊挂力在线监测，是负压吸附悬浮装置4运动平稳性及重力卸载效率的评价组件，拉力传感器6的两端分别通过螺钉与负压吸附骨架5、收线盒7连接，所述拉力传感器6用于检测负压吸附骨架5和收线盒7之间的拉力。收线盒7为腔体结构，为恒力弹簧9提供安装支撑。
两件恒力弹簧9对称分布在收线盒7的内部，恒力弹簧9是杆件2负载的支撑组件，恒力弹簧9由很薄的特种钢条缠绕成型，圈与圈之间光滑接触，在杆件2的重力作用下弹簧处于张紧状态，由于弹簧片厚度相对弹簧圈的直径非常小，在有限的伸长范围内，恒力弹簧9上的拉力作用基本恒定。恒力弹簧9的一端和收线盒7内壁固定连接，恒力弹簧9的另一端固定连接转接环8，两恒力弹簧9之间不接触。
转接环8为圆环结构，转接环8通过卡箍与恒力弹簧9固定连接，是恒力弹簧9与杆件2连接的转接部件。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于柔性机械臂装配的空间杆单元微重力模拟系统，其特征在于，包括：水平顶板组件(1)、杆件(2)、柔性机械臂系统(3)、负压吸附悬浮装置(4)；
水平顶板组件(1)通过负压吸附技术连接多个负压吸附悬浮装置(4)；所述杆件(2)吊装在负压吸附悬浮装置(4)上，负压吸附悬浮装置(4)用于模拟杆件(2)在空间装配时，杆件(2)所处的微重力环境；所述柔性机械臂系统(3)用于移动杆件(2)使杆件(2)的两端和外部空间桁架结构连接；
所述负压吸附悬浮装置(4)与水平顶板组件(1)之间能够相对移动；
水平顶板组件(1)包括：槽铝(12)、双悬调节组件(13)、限位板(14)及顶板(15)；
槽铝(12)和顶板(15)均为板件结构，双悬调节组件(13)的一端固定连接槽铝(12)，双悬调节组件(13)的另一端固定连接顶板(15)；
槽铝(12)和顶板(15)之间通过多个均布的双悬调节组件(13)固定连接；
所述双悬调节组件(13)的长度能够调整，通过调整槽铝(12)和顶板(15)之间多个均布的双悬调节组件(13)使顶板(15)的表面平行于水平面；
顶板(15)的下端面固定连接有多个负压吸附悬浮装置(4)；
所述负压吸附悬浮装置(4)包括：负压吸附骨架(5)、拉力传感器(6)、收线盒(7)、纳米气悬浮结构环(10)及负压吸附结构环(11)；
纳米气悬浮结构环(10)和负压吸附结构环(11)均为圆环结构，负压吸附骨架(5)的上端面设置有同心的两处环形凹槽，两处环形凹槽中位于外侧的凹槽用于放置纳米气悬浮结构环(10)，两处环形凹槽中位于内侧的凹槽用于放置负压吸附结构环(11)；
纳米气悬浮结构环(10)为纳米材料烧结而成的多孔疏松结构，放置纳米气悬浮结构环(10)的凹槽设置有和气泵连接的进气孔，气泵吹入的气体从纳米气悬浮结构环(10)多孔疏松结构的空隙中喷出，在负压吸附骨架(5)与水平顶板组件(1)的接触面之间形成10～20μm气膜；
放置负压吸附结构环(11)的凹槽设置有和气泵连接的出气孔，气泵从放置负压吸附结构环(11)的凹槽内向外抽气形成负压环境，使负压吸附骨架(5)的上端面吸附在水平顶板组件(1)上；
拉力传感器(6)的两端分别与负压吸附骨架(5)、收线盒(7)连接；
所述水平顶板组件(1)还包括：限位板(14)；所述限位板(14)用于限制负压吸附悬浮装置(4)在顶板(15)上的移动范围；
所述负压吸附悬浮装置(4)还包括：转接环(8)、恒力弹簧(9)；
收线盒(7)为腔体结构；恒力弹簧(9)的一端和收线盒(7)内壁固定连接，恒力弹簧(9)的另一端固定连接转接环(8)；转接环(8)为圆环结构；
所述气泵吹入的气体的压力取值范围为0.2～1.0Mpa。
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