CN114227755B - 一种机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间机械臂地面试验领域，具体地说是一种机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，安装基座与机械臂关节模组A固接,机械臂关节模组A与机械臂关节模组B转动连接，机械臂关节模组B与机械臂关节模组C转动连接，机械臂关节模组C与末端工具转动连接，末端工具与末端快换套固接，机械臂末端连接工装的一端与机械臂关节模组C固接，另一端与末端快换套固接。本发明可适应不同构型、不同负载能力、不同末端结构的空间机械臂进行地面运动试验，具有微重力模拟精度高、适用范围广、安全可靠、结构简单、使用方便、便于维护的优点。

Description

一种机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装

技术领域

本发明属于空间机械臂地面试验领域，具体地说是一种机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，主要用于多自由度空间机械臂的地面运动试验。

背景技术

为了实现空间机械臂在地面的运动试验，需要为机械臂提供微重力环境，验证其在轨运动性能。由于空间机械臂关节的驱动力矩无法克服重力矩的作用，尤其在机械臂末端安装有质量较大的操作工具，操作工具产生的重力矩大于关节驱动力矩，从而导致空间机械臂在末端安装有操作工具时无法按照预定轨迹进行运动，因而也无法对在轨的运动能力及控制性能进行验证。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装。该工装可适应不同构型、不同负载能力、不同末端结构的空间机械臂进行地面运动试验，具有微重力模拟精度高、适用范围广、安全可靠、结构简单、使用方便、便于维护的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括安装基座、机械臂关节模组A、机械臂关节模组B、机械臂关节模组C、机械臂末端连接工装、末端吊点工装、末端工具及末端快换接口，其中安装基座与机械臂关节模组A固定连接，所述机械臂关节模组A的输出端连接有机械臂关节模组B，所述机械臂关节模组B通过机械臂关节模组A驱动转动，所述机械臂关节模组B的输出端连接有机械臂关节模组C，所述机械臂关节模组C通过机械臂关节模组B驱动转动，所述末端工具的一端与机械臂关节模组C的输出端相连，所述末端工具的另一端连接有末端快换接口；所述机械臂末端连接工装的左侧与机械臂关节模组C固定连接，所述机械臂末端连接工装的右侧与末端快换接口固定连接，所述末端吊点工装始终受到铅垂向上的吊挂力F；所述机械臂关节模组A、机械臂关节模组B及机械臂关节模组C分别输出旋转运动，并依次传递至所述机械臂末端连接工装、末端吊点工装、末端工具及末端快换接口，在铅垂向上的吊挂力F的作用下，实现机械臂全姿态下的地面微重力运动试验。

其中：所述机械臂末端连接工装包括末端弯臂、末端轴向调整板、吊点引出杆、转动副连接块、轴承座上支架、末端轴承座、末端吊点调整板、末端轴套及末端快换套，所述末端弯臂的一端与机械臂关节模组C固接，另一端与所述末端轴向调整板的一端固接，所述末端轴向调整板的另一端与吊点引出杆的一端滑动连接，并在滑动到位后固定定位，所述吊点引出杆的另一端固接有转动副连接块；所述轴承座上支架的一端与转动副连接块铰接，另一端与所述末端轴承座固接，所述末端轴承座上固接有末端吊点调整板，所述末端轴套转动安装于末端轴承座内，所述末端轴套内部固接有与末端快换接口滑动连接的末端快换套。

所述吊点引出杆的一端设有滑槽，所述末端轴向调整板的另一端与滑槽滑动连接，所述滑槽的底面及末端轴向调整板上均沿滑动方向开设有条形孔；锁紧螺杆的下部与机械臂关节模组C固接，上部在末端轴向调整板与吊点引出杆滑动到位后由滑槽底面及末端轴向调整板上的条形孔穿出，并通过锁紧螺母与所述吊点引出杆固定。

所述吊点引出杆的一端分别固接有丝母座A及丝母座B，所述末端轴向调整板的另一端固接有丝母，所述丝母位于丝母座A与丝母座B之间；所述丝母上螺纹连接有丝杆，所述丝杆的两端分别与丝母座A及丝母座B转动连接；转动所述丝杆，所述末端轴向调整板与吊点引出杆之间产生相对滑动运动，从而实现轴向调节功能。

所述末端吊点工装包括前后调整板、长臂连接杆、俯仰轴承座、短臂连接杆、末端吊挂弧形滑轨、滚轮轴、吊点滚轮支架、悬吊杆、吊杆转动副、吊点连接件及滚轮轴承，所述末端吊挂弧形滑轨的一端设有长臂连接杆、俯仰轴承座及前后调整板，另一端设有短臂连接杆、俯仰轴承座及前后调整板，所述长臂连接杆的一端与末端吊挂弧形滑轨的一端铰接，另一端与该端的俯仰轴承座固接，该端的前后调整板的一端与俯仰轴承座转动连接，另一端与所述末端轴向调整板固接；所述短臂连接杆的一端与末端吊挂弧形滑轨的另一端铰接，另一端与该端的俯仰轴承座固接，该端的前后调整板的一端与俯仰轴承座转动连接，另一端与所述末端吊点调整板固接；所述吊点滚轮支架的下端设有滚轮轴，所述滚轮轴的一端与吊点滚轮支架固接，另一端通过所述滚轮轴承与末端吊挂弧形滑轨滚动连接，所述吊点滚轮支架的上端与悬吊杆的下端铰接，所述悬吊杆的上端与吊杆转动副转动连接，所述吊杆转动副上固接有吊点连接件。

所述末端吊挂弧形滑轨两端的前后调整板分别通过俯仰轴承与所在端的俯仰轴承座转动连接，两端的所述俯仰轴承回转中心的连线中点为点O，点O也是所述末端吊挂弧形滑轨弧形凹槽的圆心，作用于所述吊点连接件上的吊挂力F始终通过点O。

所述末端吊挂弧形滑轨的两侧均开设有弧形凹槽，所述吊点滚轮支架呈“U”形，所述“U”形开口的每侧均固接有滚轮轴，所述滚轮轴的另一端固接有滚轮轴承，所述滚轮轴承容置于弧形凹槽中，沿着所述弧形凹槽进行弧形滚动和滑动。

所述吊挂力F始终通过所述机械臂关节模组C、机械臂末端连接工装、末端工具及末端快换接口组合体的质心。

所述吊挂力F的大小为机械臂关节模组C、机械臂末端连接工装、末端吊点工装、末端工具及末端快换接口组合体的重力。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明能在空间机械臂末端安装有操作工具的工况下，在地面实现其运动试验，构造与在轨环境相似的微重力环境。

2.本发明能适应不同构型、不同负载能力、不同末端结构的空间机械臂进行地面运动试验。

3.本发明适应的空间机械臂运动自由度数可从单自由度扩展至多自由度，能实现滚转、俯仰、偏航全姿态下的被动随动运动。

4.本发明具有微重力模拟精度高、适用范围广、安全可靠、结构简单、使用方便、便于维护的优点。

附图说明

图1为本发明的立体示意图；

图2为本发明的主视剖视图；

图3为本发明的结构俯视图；

图4为本发明机械臂末端连接工装的结构示意图；

图5为本发明末端吊点工装的结构示意图；

图6为图5的侧视剖视图；

其中：1为安装基座，2为机械臂关节模组A，3为机械臂关节模组B，4为机械臂关节模组C，5为机械臂末端连接工装，6为末端吊点工装，7为末端工具，8为末端快换接口，9为末端弯臂，10为末端轴向调整板，11为锁紧螺杆，12为锁紧螺母，13为吊点引出杆，14为丝母座A，15为丝杆，16为丝母，17为丝母座B，18为转动副连接块，19为末端转轴，20为轴承座上支架，21为末端轴承座，22为末端吊点调整板，23为转动副轴承，24为末端轴套，25为末端快换套，26为前后调整板，27为俯仰轴承，28为长臂连接杆，29为转轴，30为俯仰轴承座，31为短臂连接杆，32为末端吊挂弧形滑轨，33为滚轮轴，34为吊点滚轮支架，35为吊杆转轴，36为悬吊杆，37为吊杆转动副，38为吊点连接件，39为滚轮轴承，40为弧形凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～6所示，本发明包括安装基座1、机械臂关节模组A2、机械臂关节模组B3、机械臂关节模组C4、机械臂末端连接工装5、末端吊点工装6、末端工具7及末端快换接口8，其中安装基座1与机械臂关节模组A2固定连接，机械臂关节模组A2的输出端连接有机械臂关节模组B3，机械臂关节模组B3通过机械臂关节模组A2驱动转动，机械臂关节模组B3的输出端连接有机械臂关节模组C4，机械臂关节模组C4通过机械臂关节模组B3驱动转动，末端工具7的一端与机械臂关节模组C4的输出端相连，末端工具7的另一端连接有末端快换接口8；机械臂末端连接工装5的左侧与机械臂关节模组C4固定连接，机械臂末端连接工装5的右侧与末端快换接口8固定连接，末端吊点工装6始终受到铅垂向上的吊挂力F；在铅垂向上的吊挂力F的作用下，机械臂关节模组A2、机械臂关节模组B3及机械臂关节模组C4可分别自由输出旋转运动，该三维空间运动会依次传递至机械臂末端连接工装5、末端吊点工装6、末端工具7及末端快换接口8，实现机械臂全姿态下的地面微重力运动试验。本实施例的吊挂力F始终通过机械臂关节模组C4、机械臂末端连接工装5、末端工具7及末端快换接口8组合体的质心。吊挂力F的大小为机械臂关节模组C4、机械臂末端连接工装5、末端吊点工装6、末端工具7及末端快换接口8组合体的重力。

本实施例的机械臂末端连接工装5包括末端弯臂9、末端轴向调整板10、吊点引出杆13、转动副连接块18、轴承座上支架20、末端轴承座21、末端吊点调整板22、末端轴套24及末端快换套25，末端弯臂9的一端与机械臂关节模组C4固接，另一端与末端轴向调整板10的一端固接，末端轴向调整板10的另一端与吊点引出杆13的一端滑动连接，并在滑动到位后固定定位，吊点引出杆13的另一端固接有转动副连接块18；轴承座上支架20的一端通过末端转轴19与转动副连接块18铰接，另一端与末端轴承座21固接，末端轴承座21上固接有末端吊点调整板22，末端轴套24通过转动副轴承23转动安装于末端轴承座21内，末端轴套24内部固接有末端快换套25，末端快换套25与末端快换接口8滑动连接。

本实施例的吊点引出杆13的一端设有滑槽，末端轴向调整板10的另一端与滑槽滑动连接，滑槽的底面及末端轴向调整板10上均沿滑动方向开设有条形孔；锁紧螺杆11的下部与机械臂关节模组C4固接，上部在末端轴向调整板10与吊点引出杆13滑动到位后由滑槽底面及末端轴向调整板10上的条形孔穿出，并通过锁紧螺母12与吊点引出杆13固定。

本实施例的吊点引出杆13的一端分别固接有丝母座A14及丝母座B17，末端轴向调整板10的另一端固接有丝母16，丝母16位于丝母座A14与丝母座B17之间；丝母16上螺纹连接有丝杆15(即丝母16与丝杆15为螺旋副连接)，丝杆15的两端分别与丝母座A14及丝母座B17转动连接；丝杆15转动时，末端轴向调整板10与吊点引出杆13之间产生相对滑动运动，从而实现轴向调节功能。

本实施例的末端吊点工装6包括前后调整板26、长臂连接杆28、俯仰轴承座30、短臂连接杆31、末端吊挂弧形滑轨32、滚轮轴33、吊点滚轮支架34、悬吊杆36、吊杆转动副39，末端吊挂弧形滑轨32的一端设有长臂连接杆28、俯仰轴承座30及前后调整板26，另一端设有短臂连接杆31、俯仰轴承座30及前后调整板26，长臂连接杆28的一端通过转轴29与末端吊挂弧形滑轨32的一端铰接，另一端与该端的俯仰轴承座30固接，该端的前后调整板26的一端与俯仰轴承座30转动连接，另一端与末端轴向调整板10固接；短臂连接杆31的一端通过转轴29与末端吊挂弧形滑轨32的另一端铰接，另一端与该端的俯仰轴承座30固接，该端的前后调整板26的一端与俯仰轴承座30转动连接，另一端与末端吊点调整板22固接；吊点滚轮支架34的下端设有滚轮轴33，滚轮轴33的一端与吊点滚轮支架34固接，另一端通过滚轮轴承39与末端吊挂弧形滑轨32滚动连接，吊点滚轮支架34的上端通过吊杆转轴35与悬吊杆36的下端铰接，悬吊杆36的上端与吊杆转动副37转动连接，吊杆转动副37上固接有吊点连接件38。

本实施例的末端吊挂弧形滑轨32两端的前后调整板26分别通过俯仰轴承27与所在端的俯仰轴承座30转动连接，两端的俯仰轴承27回转中心的连线中点为点O，点O也是末端吊挂弧形滑轨32弧形凹槽的圆心，作用于吊点连接件38上的吊挂力F始终通过点O。

本实施例的末端吊挂弧形滑轨32的两侧均开设有弧形凹槽40，吊点滚轮支架34呈“U”形，“U”形开口的每侧均固接有两个滚轮轴33，每个滚轮轴33的另一端均固接有滚轮轴承39，滚轮轴承39容置于弧形凹槽40中，沿着弧形凹槽40进行弧形滚动和滑动。

本发明的工作原理为：

在空间机械臂进行运动试验前，将末端工具7和末端快换接口8分别安装于机械臂关节模组C4的输出端，然后完成机械臂末端连接工装5和末端吊点工装6的装配，转动机械臂末端连接工装5中的丝杆15，调节机械臂末端连接工装5中末端弯臂9与末端快换套25之间的轴向距离，将末端弯臂9与机械臂关节模组C4固定，末端快换套25与末端快换接口8固定，将末端吊点工装6中两端的前后调整板26分别与末端轴向调整板10和末端吊点调整板22固定，至此完成吊挂工装的安装。在空间机械臂进行运动试验时，吊挂力F开始作用，空间机械臂按照预定轨迹驱动机械臂关节模组A2、机械臂关节模组B3和机械臂关节模组C4进行运动，吊挂工装也随之进行空间运动，运动过程中吊挂工装始终能够适应机械臂俯仰、滚转和偏航的全姿态运动，且吊挂力F始终通过机械臂关节模组C4、机械臂末端连接工装5、末端工具7及末端快换接口8的组合体质心，从而大幅度减小空间机械臂关节的驱动力矩，实现空间机械臂地面的全姿态微重力运动试验。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非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作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，其特征在于：包括安装基座（1）、机械臂关节模组A（2）、机械臂关节模组B（3）、机械臂关节模组C（4）、机械臂末端连接工装（5）、末端吊点工装（6）、末端工具（7）及末端快换接口（8），其中安装基座（1）与机械臂关节模组A（2）固定连接，所述机械臂关节模组A（2）的输出端连接有机械臂关节模组B（3），所述机械臂关节模组B（3）通过机械臂关节模组A（2）驱动转动，所述机械臂关节模组B（3）的输出端连接有机械臂关节模组C（4），所述机械臂关节模组C（4）通过机械臂关节模组B（3）驱动转动，所述末端工具（7）的一端与机械臂关节模组C（4）的输出端相连，所述末端工具（7）的另一端连接有末端快换接口（8）；所述机械臂末端连接工装（5）的左侧与机械臂关节模组C（4）固定连接，所述机械臂末端连接工装（5）的右侧与末端快换接口（8）固定连接，所述末端吊点工装（6）始终受到铅垂向上的吊挂力F；所述机械臂关节模组A（2）、机械臂关节模组B（3）及机械臂关节模组C（4）分别输出旋转运动，并依次传递至所述机械臂末端连接工装（5）、末端吊点工装（6）、末端工具（7）及末端快换接口（8），在铅垂向上的吊挂力F的作用下，实现机械臂全姿态下的地面微重力运动试验；

所述机械臂末端连接工装（5）包括末端弯臂（9）、末端轴向调整板（10）、吊点引出杆（13）、转动副连接块（18）、轴承座上支架（20）、末端轴承座（21）、末端吊点调整板（22）、末端轴套（24）及末端快换套（25），所述末端弯臂（9）的一端与机械臂关节模组C（4）固接，另一端与所述末端轴向调整板（10）的一端固接，所述末端轴向调整板（10）的另一端与吊点引出杆（13）的一端滑动连接，并在滑动到位后固定定位，所述吊点引出杆（13）的另一端固接有转动副连接块（18）；所述轴承座上支架（20）的一端与转动副连接块（18）铰接，另一端与所述末端轴承座（21）固接，所述末端轴承座（21）上固接有末端吊点调整板（22），所述末端轴套（24）转动安装于末端轴承座（21）内，所述末端轴套（24）内部固接有与末端快换接口（8）滑动连接的末端快换套（25）；

所述末端吊点工装（6）包括前后调整板（26）、长臂连接杆（28）、俯仰轴承座（30）、短臂连接杆（31）、末端吊挂弧形滑轨（32）、滚轮轴（33）、吊点滚轮支架（34）、悬吊杆（36）、吊杆转动副（37）、吊点连接件（38）及滚轮轴承（39），所述末端吊挂弧形滑轨（32）的一端设有长臂连接杆（28）、俯仰轴承座（30）及前后调整板（26），另一端设有短臂连接杆（31）、俯仰轴承座（30）及前后调整板（26），所述长臂连接杆（28）的一端与末端吊挂弧形滑轨（32）的一端铰接，另一端与俯仰轴承座（30）固接，前后调整板（26）的一端与俯仰轴承座（30）转动连接，另一端与所述末端轴向调整板（10）固接；所述短臂连接杆（31）的一端与末端吊挂弧形滑轨（32）的另一端铰接，另一端与另一个俯仰轴承座（30）固接，另一个前后调整板（26）的一端与另一个俯仰轴承座（30）转动连接，另一端与所述末端吊点调整板（22）固接；所述吊点滚轮支架（34）的下端设有滚轮轴（33），所述滚轮轴（33）的一端与吊点滚轮支架（34）固接，另一端通过所述滚轮轴承（39）与末端吊挂弧形滑轨（32）滚动连接，所述吊点滚轮支架（34）的上端与悬吊杆（36）的下端铰接，所述悬吊杆（36）的上端与吊杆转动副（37）转动连接，所述吊杆转动副（37）上固接有吊点连接件（38）。

2.根据权利要求1所述的机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，其特征在于：所述吊点引出杆（13）的一端设有滑槽，所述末端轴向调整板（10）的另一端与滑槽滑动连接，所述滑槽的底面及末端轴向调整板（10）上均沿滑动方向开设有条形孔；锁紧螺杆（11）的下部与机械臂关节模组C（4）固接，上部在末端轴向调整板（10）与吊点引出杆（13）滑动到位后由滑槽底面及末端轴向调整板（10）上的条形孔穿出，并通过锁紧螺母（12）与所述吊点引出杆（13）固定。

3.根据权利要求1所述的机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，其特征在于：所述吊点引出杆（13）的一端分别固接有丝母座A（14）及丝母座B（17），所述末端轴向调整板（10）的另一端固接有丝母（16），所述丝母（16）位于丝母座A（14）与丝母座B（17）之间；所述丝母（16）上螺纹连接有丝杆（15），所述丝杆（15）的两端分别与丝母座A（14）及丝母座B（17）转动连接；转动所述丝杆（15），所述末端轴向调整板（10）与吊点引出杆（13）之间产生相对滑动运动，从而实现轴向调节功能。

4.根据权利要求1所述的机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，其特征在于：所述末端吊挂弧形滑轨（32）两端的前后调整板（26）分别通过俯仰轴承（27）与所在端的俯仰轴承座（30）转动连接，两端的所述俯仰轴承（27）回转中心的连线中点为点O，点O也是所述末端吊挂弧形滑轨（32）弧形凹槽的圆心，作用于所述吊点连接件（38）上的吊挂力F始终通过点O。

5.根据权利要求1所述的机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，其特征在于：所述末端吊挂弧形滑轨（32）的两侧均开设有弧形凹槽（40），所述吊点滚轮支架（34）呈“U”形，所述“U”形开口的每侧均固接有滚轮轴（33），所述滚轮轴（33）的另一端固接有滚轮轴承（39），所述滚轮轴承（39）容置于弧形凹槽（40）中，沿着所述弧形凹槽（40）进行弧形滚动和滑动。

6.根据权利要求1所述的机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，其特征在于：所述吊挂力F始终通过所述机械臂关节模组C（4）、机械臂末端连接工装（5）、末端工具（7）及末端快换接口（8）组合体的质心。

7.根据权利要求1所述的机械臂末端全姿态微重力被动随动吊挂工装，其特征在于：所述吊挂力F的大小为机械臂关节模组C（4）、机械臂末端连接工装（5）、末端吊点工装（6）、末端工具（7）及末端快换接口（8）组合体的重力。