CN114910207A - 空间操控复杂耦合动力学特性测量装置及测量方法 - Google Patents

空间操控复杂耦合动力学特性测量装置及测量方法 Download PDF

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CN114910207A CN202210542124.7A CN202210542124A CN114910207A CN 114910207 A CN114910207 A CN 114910207A CN 202210542124 A CN202210542124 A CN 202210542124A CN 114910207 A CN114910207 A CN 114910207A
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马广程
徐珂雨
夏红伟
王常虹
李莉
温奇咏
李同顺
朱文山
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Shenrui Technology Beijing Co ltd
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Shenrui Technology Beijing Co ltd
Harbin Institute of Technology
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Abstract

本发明涉及一种空间操控复杂耦合动力学特性测量装置及测量方法，属于航天器地面仿真技术领域。使用6维力传感器完成空间操控机械臂动力学特性的测量，可以测量沿空间任意方向的力矩，同时设置有质心调节部件，能够在空间操控机械臂的运动过程中，使由空间操控机械臂和悬浮测量平台所组成的组合体的质心与悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上，去除重力矩的影响，大大提高测量精度。

Description

空间操控复杂耦合动力学特性测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及航天器地面仿真技术领域，尤其涉及一种空间操控复杂耦合动力学特性测量装置及测量方法。
背景技术
随着我国航天事业的高速发展，越来越多的航天器需要执行更加复杂的空间任务，空间操控机械臂是执行此类空间任务的最佳执行机构，但由于其行为与动作的多样性，空间操控机械臂对航天器本体的动力学影响也呈现出多样性，并且随着空间操控机械臂末端的载荷质量增加，这种影响也会随之增大，且在捕获瞬间，由于被捕获体与航天器本体的相对运动，将会产生较大力矩作用于航天器，影响航天器姿态。因此，空间操控机械臂的动力学输出特性测量，对航天器控制系统设计和提高航天器姿态控制精度和稳定度有积极作用。
但目前所用的对空间操控机械臂的动力学特性进行测量的测量装置，都只能测得空间操控机械臂在恒定方向的力矩，基于此，亟需一种能够测量空间操控机械臂沿空间任意方向的力矩的测量装置及测量方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种空间操控复杂耦合动力学特性测量装置及测量方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本发明用于提供一种空间操控复杂耦合动力学特性测量装置，所述测量装置包括悬浮测量平台、动力学特性测量部件、质心调节部件和控制部件；所述控制部件分别与所述动力学特性测量部件和所述质心调节部件通信连接；
所述悬浮测量平台处于无摩擦的悬浮状态；空间操控机械臂位于所述悬浮测量平台上；
所述动力学特性测量部件包括两个传感器组，每一所述传感器组均包括固定安装于所述悬浮测量平台相对侧壁的两个6维力传感器，所述6维力传感器的另一端均与地面基座固定连接；将同一所述传感器组内的两个所述6维力传感器的连线记为所述传感器组的连接线，两个所述传感器组的连接线相垂直，且所述连接线的交点与所述悬浮测量平台的中心相重合；所述6维力传感器用于在所述空间操控机械臂的运动过程中，对所述空间操控机械臂产生的力矩进行测量，得到测量数据；所述测量数据包括沿所述6维力传感器三个测量轴线方向的测量力和测量力矩；
所述质心调节部件安装于所述悬浮测量平台；所述质心调节部件用于在所述空间操控机械臂的运动过程中，使由所述空间操控机械臂和所述悬浮测量平台所组成的组合体的质心与所述悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上；
所述控制部件用于控制所述空间操控机械臂模拟空间操控动作，并根据4个所述6维力传感器的测量数据计算所述空间操控机械臂的动力学特性。
第二方面，本发明用于提供一种空间操控复杂耦合动力学特性测量方法，所述测量方法包括：
控制空间操控机械臂在处于无摩擦的悬浮状态的悬浮测量平台上模拟空间操控动作；
在所述空间操控机械臂的运动过程中，实时控制质心调节部件进行质心调节，使由所述空间操控机械臂和所述悬浮测量平台所组成的组合体的质心与所述悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上；
接收4个6维力传感器在所述空间操控机械臂的运动过程中，对所述空间操控机械臂产生的力矩进行测量所得到的测量数据，并基于4个所述6维力传感器的测量数据计算所述空间操控机械臂的动力学特性；所述测量数据包括沿所述6维力传感器三个测量轴线方向的测量力和测量力矩。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明用于提供一种空间操控复杂耦合动力学特性测量装置及测量方法，使用6维力传感器完成空间操控机械臂动力学特性的测量，可以测量沿空间任意方向的力矩，同时设置有质心调节部件，能够在空间操控机械臂的运动过程中，使由空间操控机械臂和悬浮测量平台所组成的组合体的质心与悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上，去除重力矩的影响，大大提高测量精度。并且使用悬浮球轴承，在达到大承载能力的同时，又可以最大程度的消除摩擦力矩，减少测量装置对测量结果的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1所提供的测量装置的整体架构图；
图2为本发明实施例1所提供的测量装置的俯视图；
图3为本发明实施例1所提供的测量装置的主视图；
图4为本发明实施例1所提供的6维力传感器的安装示意图。
附图标记：
1-悬浮测量平台；2-动力学特性测量部件；3-质心调节部件；4-控制计算机；5-数据采集与数据处理系统；6-空间操控机械臂；7-悬浮球轴承；8-滑槽；9-螺母锁紧装置；10-电池部件；21-第一6维力传感器；22-第二6维力传感器；23-第三6维力传感器；24-第四6维力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
实施例1：
目前关于测量空间操控机械臂的动力学特性方面有很多研究，主要分为以下四种：(1)以线驱动柔性机械臂为研究对象，提出一种多柔体动力学建模方法，分析了柔性机械臂捕获装置在无重力环境下抓取目标物体过程中的动力学特性，研究了柔性机械臂捕获装置抓取目标物体过程中的碰撞问题。但该方案是基于拉格朗日方程和有限元方法建立柔性机械臂的多刚体动力学模型和多柔体动力学模型，并进行仿真，而空间操控机械臂的实际动力学特性需要经过特殊设备进行实际测量验证。(2)针对直升机主旋翼轴扭矩进行测量，结合理论分析对现有测量方法得到的旋翼轴扭矩测量结果进行评价，发现测量结果偏大，针对误差偏大的问题，其采用有限元仿真，模拟侧向弯矩受力情况下扭矩电桥的输出结果，确定俯仰、滚转侧向力矩是造成旋翼轴扭矩测量结果偏大的主要原因，并进一步分析仿真结果，提出一种新的主旋翼扭矩测量电桥方法，通过地面试验验证新方法的正确性，证实新方法可消除侧向弯矩对电桥的耦合影响，是一种更为精确的主旋翼轴扭矩测量方法。但该方案通过有限元分析和电桥应变的方式测量直升机旋翼扭矩，由于需要测量直升机旋翼扭矩，测量装置量程大，因此力矩测量精度较低，而且此方案只能测量恒定方向力矩，即沿直升机旋翼转轴方向的力矩。(3)针对陀螺仪电机转矩波动高精度微力矩测量需求，提出了一种基于力矩器与角度传感器的高精度反力矩测量系统方案，基于共轴传递的阶梯轴结构，采用弹簧状游丝柔性连接外部接线，降低接线引入的弹性干扰力矩，实现了转矩波动的高精度测量，在传统砝码标定基础上，开展了测量系统静态标定及不确定度分析。但该方案是基于平衡式测量法，研制了一套基于力矩器与角度传感器的高精度反力矩测量系统，其问题同样在于只能测量恒定方向的力矩，即力矩器输出轴方向。另外，此方案可以对力矩进行高精度测量，但其用于陀螺仪电机，陀螺仪电机一般质量较小，而此系统难以承载机械臂等大质量设备。(4)设计真空环境下无摩擦的力矩加载及测量装置，包括圆筒状的无磁性基座、贯穿整个无磁性基座的传动轴、从左至右依次套装在无磁性基座内部的传动轴上的磁流体组件、第一气浮套、扭矩检测组件、第二气浮套、负载控制组件和第三气浮套，磁流体组件包括两个环形磁极、永磁体和固定块，第一气浮套、第二气浮套和第三气浮套均套装在传动轴上，扭矩检测组件包括两个齿型圆盘、两个磁电传感器、传感器固定座，负载控制组件包括紧配钢圈、内侧定子磁极、转子、外侧定子磁极和励磁线圈，具备功能多，能实现密封，能测量扭矩、能按照需求控制所加负载的大小。但该方案使用气浮轴承消除摩擦力矩，使用磁流体密封轴来达到密封与传动的效果，设备结构复杂，且同样在只能测量恒定方向的力矩。
可见，目前的测量装置都只能测得空间操控机械臂在恒定方向的力矩，基于此，本实施例提供一种空间操控复杂耦合动力学特性测量装置，能够测量空间操控机械臂沿空间任意方向的力矩。
如图1所示，本实施例的测量装置包括悬浮测量平台1、动力学特性测量部件2、质心调节部件3和控制部件，控制部件分别与动力学特性测量部件2和质心调节部件3通信连接。
悬浮测量平台1处于无摩擦的悬浮状态，空间操控机械臂6位于悬浮测量平台1上。本实施例的悬浮测量平台1用于模拟无摩擦力的空间环境，同时提供空间操控机械臂6的安装平台，是空间操控机械臂6的负载部件，无摩擦的悬浮状态不会产生干扰力矩，不会影响空间操控机械臂6的动力学特性测量。
动力学特性测量部件2用于进行空间操控机械臂6动力学特性的测量。为提高系统精度与容错性，减小由单个力传感器输出信号误差所造成的附加测量误差，本实施例的动力学特性测量部件2包括两个传感器组，每一传感器组均包括固定安装于悬浮测量平台1相对侧壁的两个6维力传感器，在测量时，6维力传感器的另一端均与地面基座固定连接，即6维力传感器一端与悬浮测量平台1的侧壁固定连接，另一端与地面基座固定连接。将同一传感器组内的两个6维力传感器的连线记为传感器组的连接线，两个传感器组的连接线相垂直，且连接线的交点与悬浮测量平台1的中心相重合。本实施例的动力学特性测量部件2可使用高精度的6维力传感器。如图2所示，其给出了4个6维力传感器的安装位置示意图，将4个6维力传感器分别记为第一6维力传感器21、第二6维力传感器22、第三6维力传感器23和第四6维力传感器24，则第一6维力传感器21和第二6维力传感器22组成第一传感器组，第三6维力传感器23和第四6维力传感器24组成第二传感器组，相邻两个6维力学传感器成90°正交安装于悬浮测量平台1的边缘侧壁上。6维力传感器用于在空间操控机械臂6的运动过程中，对空间操控机械臂6产生的力矩进行测量，得到测量数据，测量数据包括沿6维力传感器三个测量轴线方向的测量力和测量力矩。
在动力学特性测量过程中，空间操控机械臂6在悬浮测量平台1上模拟空间操控动作，悬浮测量平台1处于无摩擦的悬浮状态，而6维力传感器一端与悬浮测量平台1刚性接触，一端与地面基座固定连接，则由空间操控机械臂6产生的力矩将直接作用于6维力传感器，6维力传感器测量沿自身三个测量轴线方向的测量力和测量力矩，可以进一步计算空间操控机械臂6的输出力矩及力矩波动，进而得出空间操控机械臂6的动力学特性。该过程相当于将空间操控机械臂6的输出力矩(动力学特性)解耦至6维力传感器的三个测量轴线上，从而可以完成任意方向力矩的测量。
具体的，根据6维力传感器的测量力和测量力矩来计算动力学特性的过程可为：在得到沿6维力传感器三个测量轴线的测量力与测量力矩后，测量力矩可以直接用来计算沿该测量轴线的力矩，对于测量力，在得到由空间操控机械臂6和悬浮测量平台1所组成的组合体的质心位置的情况下，使用公式M＝F*L得出沿此传感器测量轴线方向的计算力矩，其中，F和L分别为6维力传感器的测量力以及此6维力传感器到质心的距离。
在空间操控机械臂6的运动过程中，由空间操控机械臂6和悬浮测量平台1所组成的组合体的质心将发生移动，同时产生重力矩作用于6维力传感器，重力矩将严重影响空间操控机械臂6动力学特性的测量过程，因此在测量动力学特性时需要进行重力矩补偿。基于此，本实施例设置有质心调节部件3，该质心调节部件3安装于悬浮测量平台1，可安装于悬浮测量平台1的上表面，也可安装于悬浮测量平台1的下表面。质心调节部件3是带有质量滑块的精密线位置控制部件，通过控制滑块的位置，以精密调节由空间操控机械臂6和悬浮测量平台1所组成的组合体的质心，用于在空间操控机械臂6的运动过程中，使由空间操控机械臂6和悬浮测量平台1所组成的组合体的质心与悬浮测量平台1的中心处于同一铅垂线上，从而去除重力矩的影响，大大提高动力学特性的测量精度。
具体的，本实施例的质心调节部件3可以包括多个调节组件，调节组件包括驱动件以及与驱动件传动连接的丝杠滑块机构，滑块为质量滑块，驱动件可为步进电机。在控制部件的驱动下，步进电机驱动丝杠转动，从而带动滑块直线运动，以完成质心调节。可选的，本实施例可设置有两个调节部件，一个调节部件的滑块的运动方向与第一传感组的连接线的方向相平行，另一调节部件的滑块的运动方向与第二传感器组的连接线的方向相平行，能够便于调节质心位置。
控制部件用来完成测量装置中各个部件的控制与空间操作机械臂的控制。控制部件可用于控制空间操控机械臂6模拟空间操控动作，并根据4个6维力传感器的测量数据计算空间操控机械臂6的动力学特性。具体的，本实施例的控制部件包括安装于悬浮测量平台1上的控制计算机4和安装于地面基座上的数据采集与数据处理系统5，控制计算机4和数据采集与数据处理系统5无线通信连接。数据采集与数据处理系统5用于接收用户输入的操作指令，并将该操作指令通过无线传输系统传输至控制计算机4，由控制计算机4来根据操作指令输出控制信号，以控制空间操控机械臂6模拟空间操控动作，并同时控制质心调节部件3进行质心调节。优选的，为了避免外界力矩对测量结果的影响，除动力学特性测量部件2、质心调节部件3和控制计算机4与悬浮测量平台1有物理接触之外，其它部分均与悬浮测量平台1无物理接触，故本实施例可设置控制计算机4与动力学特性测量部件2以及质心调节部件3的通信方式为无线通信，通过将控制信号无线通信传达至空间操控机械臂6，以操控空间操控机械臂6模拟完成相应的空间操控动作，并同步控制质心调节部件3进行质心位置调节，避免重力矩的影响，同时采集4个6维力传感器的测量数据。数据采集与数据处理系统5用于根据控制计算机所传输的4个6维力传感器的测量数据计算空间操控机械臂6的动力学特性。
如图2所示，以悬浮测量平台1的中心为原点，以第一传感器组的连接线作为X轴，以第二传感器组的连接线作为Y轴，以铅垂线作为Z轴，建立悬浮测量平台1的三维坐标系，则四个6维力传感器分布在承载平台的边缘，并分别固连在悬浮测量平台1的+X、－X、+Y及－Y位置上，第一6维力传感器21位于+X位置，第二6维力传感器22位于－X位置，第三6维力传感器23位于－Y位置，第四6维力传感器24位于+Y位置。6维力传感器的三个测量轴线方向与三维坐标系的三个坐标轴的方向相重合，即6维力传感器的一个测量轴线与X轴方向平行，一个测量轴线与Y轴方向平行，一个测量轴线与Z轴方向平行，6维力传感器的测量中心至悬浮测量平台1中心的距离为R，由于本实施例设置有质心调节部件3，则在依据测量力计算力矩时，可以利用6维力传感器的测量中心到悬浮测量平台1中心的距离作为6维力传感器到由空间操控机械臂6和悬浮测量平台1所组成的组合体的质心的距离。
通过上述设置，当空间操控机械臂6产生XYZ空间内的力矩时，整个悬浮测量平台1将会有转动的趋势，此趋势使得6维力传感器的读数发生变化。比如说，当空间操控机械臂6产生沿Y轴正向的力矩时，在X轴的第一6维力传感器21读数F1减小，第二6维力传感器22读数F2增加；当空间操控机械臂6产生沿X轴正向的力矩时，在Y轴的第三6维力传感器23读数F3减小，第四6维力传感器24读数F4增加；本实施例在计算力矩时，使用传感器的差分信号进行计算以提高精度，则根据4个6维力传感器的测量数据计算空间操控机械臂6的动力学特性的计算过程如下：
(1)根据第二传感器组内的两个6维力传感器沿Z轴方向的测量力，计算得到沿X轴方向的计算力矩；对沿X轴方向的计算力矩和第一传感器组内的两个6维力传感器的沿X轴方向的测量力矩进行加权求和，得到沿X轴方向的组合力矩；
Figure BDA0003650608940000091
其中，Mx为沿X轴方向的计算力矩；F4z为第四6维力传感器24沿Z轴方向的测量力；F3z为第三6维力传感器23沿Z轴方向的测量力。
Mx＝β1Mx+β2M1x+β3M2x；#
其中，MX为沿X轴方向的组合力矩；M1x为第一6维力传感器21沿X轴方向的测量力矩；M2x为第二6维力传感器22沿X轴方向的测量力矩；β1、β2、β3为加权系数，且β1+β2+β3＝1。
(2)根据第一传感器组内的两个6维力传感器沿Z轴方向的测量力，计算得到沿Y轴方向的计算力矩；对沿Y轴方向的计算力矩和第二传感器组内的两个6维力传感器的沿Y轴方向的测量力矩进行加权求和，得到沿Y轴方向的组合力矩；
对两个传感器的测量力进行差分，则最终测得的沿Z轴方向的测量力Fz为：
Figure BDA0003650608940000092
其中，F2z为第二6维力传感器22沿Z轴方向的测量力；F1z为第一6维力传感器21沿Z轴方向的测量力。
Figure BDA0003650608940000093
其中，My为沿Y轴方向的计算力矩。
MY＝α1My+α2M3y+α3M4y；
其中，MY为沿Y轴方向的组合力矩；M3y为第三6维力传感器23沿Y轴方向的测量力矩；M4y为第四6维力传感器24沿Y轴方向的测量力矩；α1、α2、α3为加权系数，且α1+α2+α3＝1。
(3)根据第一传感器组内的两个6维力传感器沿Y轴方向的测量力和第二传感器组内的两个6维力传感器沿X轴方向的测量力，计算得到沿Z轴方向的组合力矩；
Figure BDA0003650608940000101
其中，MZ为沿Z轴方向的组合力矩；ΔF1y为第一6维力传感器21沿Y轴方向的测量力与第一6维力传感器21沿Y轴方向的测量力的初始读数的增量差值；ΔF2y为第二6维力传感器22沿Y轴方向的测量力与第二6维力传感器22沿Y轴方向的测量力的初始读数的增量差值；ΔF3x为第三6维力传感器23沿X轴方向的测量力与第三6维力传感器23沿X轴方向的测量力的初始读数的增量差值；ΔF4x为第四6维力传感器24沿X轴方向的测量力与第四6维力传感器24沿X轴方向的测量力的初始读数的增量差值。
需要说明的是，初始读数是指在空间操控机械臂6未运动，而仅将6维力传感器一端固连于悬浮测量平台1，一端固连于地面基座时，6维力传感器的读数。
(4)根据沿X轴方向的组合力矩、沿Y轴方向的组合力矩和沿Z轴方向的组合力矩计算得到输出力矩；所述输出力矩即为空间操控机械臂6的动力学特性。
对于沿XYZ空间内任意方向的力矩来说，MX、MY、MZ为真实输出力矩在XYZ轴上的投影，则真实的输出力矩M的大小为：
Figure BDA0003650608940000102
作为一种可选的实施方式，如图3所示，本实施例的测量装置还包括支撑部件，支撑部件包括悬浮球轴承7以及固定安装于地面基座上的轴承座，悬浮球轴承7和轴承座相适配。悬浮球轴承7固定安装于悬浮测量平台1的下表面，即悬浮球轴承7上部固连悬浮测量平台1，且悬浮球轴承7的中心与悬浮测量平台1的中心处于同一铅垂线上，轴承座与悬浮球轴承7之间形成气膜，托起悬浮球轴承7以及悬浮测量平台1，此时悬浮球轴承7是一个无摩擦的球铰，使悬浮测量平台1处于无摩擦的悬浮状态，可实现悬浮测量平台1无摩擦的三轴自由转动。本实施例的悬浮球轴承7可为半球型，球面与轴承座相适配，平面与悬浮测量平台1固连。本实施例使用悬浮球轴承7作为支撑部件，能够使整个装置可以承载大质量的空间操控机械臂6。
为了能够在轴承座与悬浮球轴承7之间形成气膜，本实施例给出了一种可实现的方式，具体为，支撑部件还包括气源，气源固定安装于地面基座上，并位于轴承座内部，轴承座上设置有多个气流通孔。气源用于输出压缩气体，压缩气体通过气流通孔进入轴承座和悬浮球轴承7之间，在轴承座和悬浮球轴承7之间形成气膜。
本实施例之所以设置悬浮球轴承7和轴承座，是为了能够在工作状态下(即在测量动力学特性时)使悬浮测量平台1处于悬浮状态，而为了在非工作状态下对悬浮测量平台1进行支撑，本实施例的支撑部件还可以包括支撑柱，支撑柱安装于地面基座上，在非工作状态下，支撑柱从地面基座上升起，以支撑悬浮测量平台。
基于上述支撑部件，在需要测量动力学特性时，则在轴承座和悬浮球轴承7之间形成气膜，使悬浮测量平台1处于无摩擦的悬浮状态；当不需要测量动力学特性时，则利用支撑柱支撑悬浮测量平台1。
6维力传感器多用于机械臂末端作为力与力矩反馈装置，传统应用领域有工业机器人、医疗机器人、风洞测试等。本实施例将6维力传感器用于测量整个悬浮测量平台1的三轴力矩，如图4所示，将每一6维力传感器的两端分别记为加载端和固定端，悬浮平台安装侧固连于悬浮测量平台1，基座安装侧固连于地面基座，则加载端与悬浮测量平台1相固连，固定端与地面基座相固连。悬浮测量平台1由悬浮球轴承7支撑，允许整个平台进行三轴转动和移动，因此应当允许悬浮测量平台1相对于XY轴有较小的位移，相对于Z轴可以有较大的位移，则6维力传感器也应当具备XYZ移动的能力。基于此，本实施例在地面基座上设置有滑槽8，固定端位于滑槽8内，并可沿滑槽8上下移动，进而令6维力传感器可沿Z轴移动，且固定端与滑槽8间隙配合，进而令6维力传感器可沿XY轴有微小的移动，在非测量状态下，固定端在滑槽内自由滑动，当需要进行动力学特性测量时，即处于测量状态下时，则调整好6维力传感器的位置，然后将其固定端通过螺母锁紧装置9与滑槽8固定连接，即使用螺母锁紧装置9将6维力传感器与地面基座锁死，此时空间操控机械臂6产生的所有力矩都将作用于四个6维力传感器，通过传感器测量数据计算空间操控机械臂6的动力学特性。本实施例中，滑槽8可为U型滑槽。
本实施例的测量装置还可包括电池部件10，以为控制计算机4和空间操控机械臂6供电。
本实施例的测量装置的具体使用步骤如下：
第一步：系统上电，确保各个机械与电子系统正常运行。
第二步：使用水平仪保持悬浮测量平台1水平，使4个6维力传感器预紧悬浮测量平台1。
第三步：使用质量滑块对质心进行调整，使悬浮球轴承7的中心与由悬浮测量平台1和已经安装在悬浮测量平台1上的空间操控机械臂6所组成的组合体的质心均处在系统Z轴上。
第四步：在台下控制端向被测设备发出指令，使空间操控机械臂6缓慢运动，测量重力矩曲线或者获得测量点与滑块位置的关系曲线。
第五步：在台下控制端向被测设备发出指令，使空间操控机械臂6按照标准工况进行工作。
第六步：采集被测设备正常工作时的力信号，按照上式计算出设备输出力矩的大小。
第七步：停止被测设备，关闭系统电子设备电源，机械装置归位，系统关机。
本实施例给出一种可以测量三维力矩特性的测量装置，装置使用高精度力传感器完成空间操控机械臂6动力学特性的测量，可以测量沿空间任意方向的力矩，并且使用悬浮球轴承7，在达到大承载能力的同时，又可以最大程度的消除摩擦力矩，减少测量装置对测量结果的影响。
实施例2：
本实施例用于提供一种空间操控复杂耦合动力学特性测量方法，利用实施例1所述的测量装置进行工作，所述测量方法包括：
S1：控制空间操控机械臂在处于无摩擦的悬浮状态的悬浮测量平台上模拟空间操控动作；
S2：在所述空间操控机械臂的运动过程中，实时控制质心调节部件进行质心调节，使由所述空间操控机械臂和所述悬浮测量平台所组成的组合体的质心与所述悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上；
S3：接收4个6维力传感器在所述空间操控机械臂的运动过程中，对所述空间操控机械臂产生的力矩进行测量所得到的测量数据，并基于4个所述6维力传感器的测量数据计算所述空间操控机械臂的动力学特性；所述测量数据包括沿所述6维力传感器三个测量轴线方向的测量力和测量力矩。
为了能够实时进行质心调节，本实施例给出了一种可供选择的实现方式，具体为：在实时控制质心调节部件进行质心调节之前，本实施例的测量方法还包括获取测量点与质心调节部件中滑块的位置之间的关系曲线，并依据该关系曲线实时控制质心调节部件进行质心调节。
其中，获取测量点与质心调节部件中滑块的位置之间的关系曲线可以包括：
(1)控制空间操控机械臂在处于无摩擦的悬浮状态的悬浮测量平台上模拟空间操控动作；
(2)在空间操控机械臂的运动过程中的每一个测量点，利用质心调节部件在测量点进行质心调节，使由空间操控机械臂和悬浮测量平台所组成的组合体的质心与悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上，并记录测量点对应的质心调节部件中滑块的位置；
(3)根据测量点与滑块的位置之间的对应关系绘制关系曲线。
具体的，上述过程为：在测量空间操控机械臂某一运动的动力学特性前，地面人员控制空间操控机械臂依次通过既定运动路径上的各个测量点，既定运动路径由空间操控机械臂所需要完成的空间操控动作规划所得。在每个测量点进行质心调节，即利用质心调节部件使空间操控机械臂和悬浮测量平台组成的组合体在此测量点处的质心与悬浮球轴承的中心处于同一铅垂线上，经过此过程可以得到空间操控机械臂运动路径上测量点与质心调节部件中质量滑块位置之间的对应关系，对不连续的测量点与质量滑块位置关系对应的坐标点进行插值，得出二者关系曲线。在经过此步骤后，机械臂按照标准运动状态沿既定路径运动，此时按照对应的关系曲线实时调节质量滑块的位置，以保证在机械臂运动的每一点都做到质心与悬浮球轴承中心处于同一铅垂线上，避免重力矩对测量结果的影响，得到空间操控机械臂准确的动力学特性。
作为一种可选的实施方式，本实施例还可利用下述方式去除重力矩的影响，具体的，在测量空间操控机械臂某一运动的动力学特性前，地面人员控制空间操控机械臂沿既定运动路径十分缓慢地移动，并通过所有测量点，此时认为动力学特性相对于重力矩忽略不计。在经过此步骤后，可以得到空间操控机械臂在既定轨迹任意一点的重力矩。之后空间操控机械臂按照标准运动状态沿既定路径运动，此时测得结果包含重力矩与机械臂动力学特性，对两次测量结果进行差分处理可得到无重力矩影响的空间操控机械臂动力学特性。
具体的，基于4个6维力传感器的测量数据计算空间操控机械臂的动力学特性可以包括：
(1)将两个传感器组分别记为第一传感器组和第二传感器组；以悬浮测量平台的中心为原点，以第一传感器组的连接线作为X轴，以第二传感器组的连接线作为Y轴，以铅垂线作为Z轴，建立悬浮测量平台的三维坐标系；6维力传感器的三个测量轴线方向与三维坐标系的三个坐标轴的方向相重合；
(2)根据第二传感器组内的两个6维力传感器沿Z轴方向的测量力，计算得到沿X轴方向的计算力矩；对沿X轴方向的计算力矩和第一传感器组内的两个6维力传感器的沿X轴方向的测量力矩进行加权求和，得到沿X轴方向的组合力矩；
(3)根据第一传感器组内的两个6维力传感器沿Z轴方向的测量力，计算得到沿Y轴方向的计算力矩；对沿Y轴方向的计算力矩和第二传感器组内的两个6维力传感器的沿Y轴方向的测量力矩进行加权求和，得到沿Y轴方向的组合力矩；
(4)根据第一传感器组内的两个6维力传感器沿Y轴方向的测量力和第二传感器组内的两个6维力传感器沿X轴方向的测量力，计算得到沿Z轴方向的组合力矩；
(5)根据沿X轴方向的组合力矩、沿Y轴方向的组合力矩和沿Z轴方向的组合力矩计算得到输出力矩；所述输出力矩即为空间操控机械臂的动力学特性。
本实施例可以测量方向实时变化的三维力矩，力矩方向可以沿空间任意方向，以仿真复杂空间操控任务产生的动力学特性。由于高精度力传感器难以直接承载大质量设备测量其动力学特性，因此引入悬浮测量平台，此悬浮测量平台既提高了系统整体的承载能力，同时又提供微力矩干扰环境，最终实现了小的干扰力矩，大的测量范围，高的测量精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种空间操控复杂耦合动力学特性测量装置，其特征在于，所述测量装置包括悬浮测量平台、动力学特性测量部件、质心调节部件和控制部件；所述控制部件分别与所述动力学特性测量部件和所述质心调节部件通信连接；
所述悬浮测量平台处于无摩擦的悬浮状态；空间操控机械臂位于所述悬浮测量平台上；
所述动力学特性测量部件包括两个传感器组，每一所述传感器组均包括固定安装于所述悬浮测量平台相对侧壁的两个6维力传感器，所述6维力传感器的另一端均与地面基座固定连接；将同一所述传感器组内的两个所述6维力传感器的连线记为所述传感器组的连接线，两个所述传感器组的连接线相垂直，且所述连接线的交点与所述悬浮测量平台的中心相重合；所述6维力传感器用于在所述空间操控机械臂的运动过程中，对所述空间操控机械臂产生的力矩进行测量，得到测量数据；所述测量数据包括沿所述6维力传感器三个测量轴线方向的测量力和测量力矩；
所述质心调节部件安装于所述悬浮测量平台；所述质心调节部件用于在所述空间操控机械臂的运动过程中，使由所述空间操控机械臂和所述悬浮测量平台所组成的组合体的质心与所述悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上；
所述控制部件用于控制所述空间操控机械臂模拟空间操控动作，并根据4个所述6维力传感器的测量数据计算所述空间操控机械臂的动力学特性。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括支撑部件；所述支撑部件包括悬浮球轴承以及固定安装于所述地面基座上的轴承座；所述悬浮球轴承和所述轴承座相适配；
所述悬浮球轴承固定安装于所述悬浮测量平台的下表面，且所述悬浮球轴承的中心与所述悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上；所述轴承座与所述悬浮球轴承之间形成气膜，使所述悬浮测量平台处于无摩擦的悬浮状态。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述支撑部件还包括气源；所述气源固定安装于所述地面基座上，并位于所述轴承座内部；所述轴承座上设置有多个气流通孔；所述气源用于输出压缩气体；所述压缩气体通过所述气流通孔进入所述轴承座和所述悬浮球轴承之间，在所述轴承座和所述悬浮球轴承之间形成气膜。
4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述支撑部件还包括支撑柱；所述支撑柱安装于所述地面基座上；在非工作状态下，所述支撑柱从所述地面基座上升起，以支撑所述悬浮测量平台。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，将所述6维力传感器与所述地面基座固定连接的一端记为固定端；所述地面基座上设置有滑槽；所述固定端位于所述滑槽内，并可沿所述滑槽上下移动，且所述固定端与所述滑槽间隙配合；在测量状态下，所述固定端通过螺母锁紧装置与所述滑槽固定连接。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述质心调节部件包括多个调节组件；所述调节组件包括驱动件以及与所述驱动件传动连接的丝杠滑块机构；所述滑块为质量滑块。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述控制部件包括安装于所述悬浮测量平台上的控制计算机和安装于所述地面基座上的数据采集与数据处理系统；所述控制计算机和所述数据采集与数据处理系统无线通信连接；
所述控制计算机用于控制所述空间操控机械臂模拟空间操控动作，控制所述质心调节部件进行质心调节，并采集4个所述6维力传感器的测量数据；
所述数据采集与数据处理系统用于根据所述控制计算机所传输的4个所述6维力传感器的测量数据计算所述空间操控机械臂的动力学特性。
8.一种空间操控复杂耦合动力学特性测量方法，利用权利要求1-7任一项所述的测量装置进行工作，其特征在于，所述测量方法包括：
控制空间操控机械臂在处于无摩擦的悬浮状态的悬浮测量平台上模拟空间操控动作；
在所述空间操控机械臂的运动过程中，实时控制质心调节部件进行质心调节，使由所述空间操控机械臂和所述悬浮测量平台所组成的组合体的质心与所述悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上；
接收4个6维力传感器在所述空间操控机械臂的运动过程中，对所述空间操控机械臂产生的力矩进行测量所得到的测量数据，并基于4个所述6维力传感器的测量数据计算所述空间操控机械臂的动力学特性；所述测量数据包括沿所述6维力传感器三个测量轴线方向的测量力和测量力矩。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，在实时控制质心调节部件进行质心调节之前，所述测量方法还包括获取测量点与质心调节部件中滑块的位置之间的关系曲线，并依据所述关系曲线实时控制所述质心调节部件进行质心调节；
其中，所述获取测量点与质心调节部件中滑块的位置之间的关系曲线具体包括：
控制所述空间操控机械臂在处于无摩擦的悬浮状态的悬浮测量平台上模拟空间操控动作；
在所述空间操控机械臂的运动过程中的每一个测量点，利用所述质心调节部件在所述测量点进行质心调节，使由所述空间操控机械臂和所述悬浮测量平台所组成的组合体的质心与所述悬浮测量平台的中心处于同一铅垂线上，并记录所述测量点对应的所述质心调节部件中滑块的位置；
根据所述测量点与所述滑块的位置之间的对应关系绘制关系曲线。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述基于4个所述6维力传感器的测量数据计算所述空间操控机械臂的动力学特性具体包括：
将两个传感器组分别记为第一传感器组和第二传感器组；以所述悬浮测量平台的中心为原点，以所述第一传感器组的连接线作为X轴，以所述第二传感器组的连接线作为Y轴，以铅垂线作为Z轴，建立所述悬浮测量平台的三维坐标系；所述6维力传感器的三个测量轴线方向与所述三维坐标系的三个坐标轴的方向相重合；
根据所述第二传感器组内的两个所述6维力传感器沿Z轴方向的测量力，计算得到沿X轴方向的计算力矩；对所述沿X轴方向的计算力矩和所述第一传感器组内的两个所述6维力传感器的沿X轴方向的测量力矩进行加权求和，得到沿X轴方向的组合力矩；
根据所述第一传感器组内的两个所述6维力传感器沿Z轴方向的测量力，计算得到沿Y轴方向的计算力矩；对所述沿Y轴方向的计算力矩和所述第二传感器组内的两个所述6维力传感器的沿Y轴方向的测量力矩进行加权求和，得到沿Y轴方向的组合力矩；
根据所述第一传感器组内的两个所述6维力传感器沿Y轴方向的测量力和所述第二传感器组内的两个所述6维力传感器沿X轴方向的测量力，计算得到沿Z轴方向的组合力矩；
根据所述沿X轴方向的组合力矩、所述沿Y轴方向的组合力矩和所述沿Z轴方向的组合力矩计算得到输出力矩；所述输出力矩即为所述空间操控机械臂的动力学特性。
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