一种防干涉微低重力补偿系统的制作方法
【专利摘要】本发明创造提供一种防干涉微低重力补偿系统，包括支撑架、跟踪补偿系统、回转驱动系统、悬吊装置和控制系统，所述跟踪补偿系统安装于所述支撑架的顶部并可自转，所述回转驱动系统设置于所述跟踪补偿系统和所述支撑架之间并为所述跟踪补偿系统提供自转动力，所述悬吊装置的上端连接于所述跟踪补偿系统的底部并可相对于后者做直线运动，所述悬吊装置的下端连接机械臂，所述控制系统分别与所述跟踪补偿系统和悬吊装置相连。本发明创造将二维平面内的运动以回转和直线运动相结合的极坐标形式实现，在保证运动范围要求的情况下，不易与实验对象发生干涉；采用主动重力补偿的方式，容易实现机械臂补偿力的精确控制，提高补偿精度。
【专利说明】一种防干涉微低重力补偿系统
【技术领域】
[0001]本发明创造属于航天条件的模拟装置领域，尤其是涉及一种微低重力补偿系统。
【背景技术】
[0002]随着我国航天技术的发展，特别是载人航天工程和探月工程的实施，使得对航天器的功能要求越来越高。其中，关节式机械臂是其中必不可少的一个重要组成部分，它可以代替航天员高效、精准的完成大量空间任务。通常情况下，在机械臂随着航天器发射升空以前，往往需要在地面对其进行微低重力试验，以模拟机械臂在空间的工作状态，测试其在完成任务时各项主要性能指标，最大限度的保证机械臂在轨工作的可靠性和功能性的要求，这样就需要一种微低重力补偿系统，实现空间微低重力的模拟。该系统需要满足适应机械臂多关节协调运动并且不与其产生干涉、最低限度的影响机械臂运动性能的要求。
【发明内容】
[0003]本发明创造要解决的问题是提供一种机械臂微低重力试验的补偿系统，用以在地面环境下对机械臂进行微低重力的模拟试验，以考核机械臂的运动性能，并保证在模拟试验过程中不干涉机械臂的运动。
[0004]为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是:一种防干涉微低重力补偿系统，包括支撑架、跟踪补偿系统、回转驱动系统、悬吊装置和控制系统，所述跟踪补偿系统安装于所述支撑架的顶部并可自转，所述回转驱动系统设置于所述跟踪补偿系统和所述支撑架之间并为所述跟踪补偿系统提供自转动力，所述悬吊装置的上端连接于所述跟踪补偿系统的底部并可相对于后者做直线运动，所述悬吊装置的下端连接机械臂，所述控制系统分别与所述跟踪补偿系统和悬吊装置相连。
[0005]所述支撑架为整个系统提供支撑，所述跟踪补偿系统提供跟踪机械臂所需要的运动和主动重力补偿，所述回转驱动系统为所述跟踪补偿系统的自转提供驱动力，所述悬吊装置则用于连接所述跟踪补偿系统和机械臂的主要运动大臂，所述控制系统完成整个系统运行所需的数值解算、运动检测和运动控制。
[0006]其中，所述跟踪补偿系统包括回转平台、重力补偿系统和直线运动系统，所述回转平台的顶部通过安装接口连接所述支撑架，且安装接口作为回转平台的转动轴，所述直线运动系统设置于所述回转平台的底部并可相对于所述回转平台做直线运动，所述重力补偿系统固接于所述直线运动系统，并随同所述直选运动系统做直线运动。
[0007]进一步，所述重力补偿系统为主动重力补偿，其包括重力补偿装置和绳索收放装置，所述绳索收放装置连接所述悬吊装置，所述重力补偿装置为所述绳索收放装置提供动力，绳索收放装置根据所述控制系统的指令对悬吊装置进行收绳和放绳控制。
[0008]进一步，所述直线运动系统包括直线导轨、托板和传动丝杠，所述直线导轨设置于所述回转平台的底部，所述传动丝杠安装于所述直线导轨的径向，所述托板的底部设置有与所述传动丝杠相配合的传动螺母，所述托板的底部通过接口连接所述直线导轨且可相对于后者做直线运动。通过传动丝杠和传动螺母的配合实现丝杠传动运动，进而实现托板相对于丝杠运动，及托板相对于直线导轨运动。
[0009]所述重力补偿系统固接于所述托板上。
[0010]所述直线运动系统还包括直线运动驱动系统，其安装于所述传动丝杠的端部并带动所述传动丝杠转动，通过控制系统的指令控制传动丝杠的正转和反转，从而推动其上的传动螺母运动，为所述托板的直线运动提供动力，实现托板及重力补偿系统的直线运动。
[0011]进一步，所述回转平台的底部设置有两个相互平行的直线运动系统，两个托板上均固接有重力补偿系统，所述重力补偿系统均连接有悬吊装置。
[0012]进一步，本防干涉微低重力补偿系统，还包括二维微调平台，所述二维微调平台设置于所述支撑架的顶部并可相对于所述支撑架做X、Y方向运动，所述跟踪补偿系统连接于所述二维微调平台。所述二维微调平台可相对于所述支撑架的做小范围的二维运动，其用于在进行模拟试验前微调所述跟踪补偿系统与机械臂的相对位置，实现二者相应位置的对齐。
[0013]其中，所述悬吊装置包括吊索和转接工装，所述吊索的上端连接所述跟踪补偿系统，所述吊索的下端通过转接工装连接机械臂，所述吊索上设置有用于检测吊索拉力的力学传感器和检测吊索角度的倾角传感器。
[0014]其中，所述控制系统，用来处理整个模拟系统相关运算和补偿系统的监测。具体地，通过传感器反馈的机械臂的运动，计算出跟踪补偿系统所需的运动轨迹；根据吊索的力学传感器提供的拉力反馈，对重力补偿装置进行控制，实现补偿力的精确控制；并对上述运动和补偿力等进行监测。
[0015]本发明创造具有的优点和积极效果是:本发明将二维平面内的运动以回转和直线运动相结合的极坐标形式实现，在保证运动范围要求的情况下，不易与实验对象发生干涉；采用主动重力补偿的方式，容易实现机械臂补偿力的精确控制，提高补偿精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是机械臂的结构示意图
[0017]图2是本发明创造的结构示意图
[0018]图3是本发明创造中跟踪补偿系统的结构示意图
[0019]图中:
[0020]1.机械臂示意图——11基座12回转轴13俯仰轴A 14俯仰轴B ；
[0021]2.微低重力补偿系统示意图一21支撑架22回转驱动系统23跟踪补偿系统24悬吊装置25机械臂26控制系统27 二维微调平台；
[0022]3.跟踪补偿系统示意图一31直线运动驱动系统32回转平台33传动丝杠34直线导轨35托板36重力补偿装置37传动螺母38安装接口 39吊索
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明创造的具体实施例做详细说明。
[0024]如图1所示,机械臂包括顺序相接的基座11、回转轴12、俯仰轴A13、臂A14、俯仰轴B15及臂B16，关节式机械臂能实现绕回转轴12回转，绕俯仰轴A、B(13，15)进行俯仰运动。通过对机械臂的臂A14和臂B16进行悬吊并提供重力补偿以实现机械臂的微重力环境模拟。
[0025]如图2所示，本防干涉微低重力补偿系统，包括支撑架21、回转驱动系统22、跟踪补偿系统23、悬吊装置24以及控制系统26，其中，支撑架21为整个系统提供支撑；跟踪补偿系统23提供跟踪所需要的运动以及补偿力，并在回转驱动系统22作用下可以实现自转运动；跟踪补偿系统23上载有直线运动系统和重力补偿系统，重力补偿系统连接悬吊装置24，并通过控制悬吊装置24的绳索收放实现机械臂的俯仰运动，而跟踪补偿系统的自转运动结合重力补偿系统的直线运动则可实现机械臂的回转运动；悬吊装置24下端通过转接工装与机械臂25相连接，其上安装有测力传感器和倾角传感器，为控制系统提供控制依据；控制系统26实现跟踪和补偿所需要的相关数据处理，实现运动的精确跟踪和补偿力的精确控制，并对跟踪运动和补偿力进行监控。
[0026]图3示出了跟踪补偿系统23的一种实施方式。跟踪补偿系统23采用极坐标的运动形式，将回转运动和直线运动有效的结合起来，实现平面任意运动。跟踪补偿系统23包括回转平台32、重力补偿系统和直线运动系统:重力补偿系统包括重力补偿装置36和绳索收放装置；直线运动系统包括直线导轨34、托板35、传动丝杠33、传动螺母37和直线运动驱动系统31。
[0027]跟踪补偿系统23通过安装接口 38与支撑架21连接，跟踪补偿系统23以安装接口 38作为转动轴完成自转运动。回转平台32是重力补偿系统和直线运动系统的载体，其底部设置有承载直线运动系统的直线导轨34，直线导轨34设置于回转平台32的底部，传动丝杠33平行于直线导轨34的径向且其可转动地固定在直线导轨34上，托板35的底部设置有与传动丝杠33相配合的传动螺母37，托板35的底部通过接口连接直线导轨34且可相对于后者做直线运动；直线运动系统通过直线运动驱动系统31的驱动实现沿回转平台32上直线导轨34的直线运动。直线运动驱动系统31安装于回转平台32后端，其连接传动丝杠33，并根据控制系统26的指令控制传动丝杆33的正转和反转，从而实现推动托板底部的传动螺母37做直线运动，进而保证了托板35直线运动特性。托板35底部通过接口与安装于回转平台32底部的直线导轨34相连接；重力补偿装置36安装于托板35之上，并随着托板35实现相对于回转平台32的直线运动；重力补偿装置36连接绳索收放装置，绳索收放装置通过吊索39与悬吊装置相连接。重力补偿系统随直线运动系统的直线运动及随回转平台的回转运动配合带动悬吊装置24进行三维运动，最终实现机械臂运动的跟踪。
[0028]本发明的另一个实施例中还增设了二维微调平台27，二维微调平台27设置于支撑架21的顶部，并可相对于支撑架21顶部的框架做小范围的二维平面运动，从而实现跟踪补偿系统23与机械臂25之间相对初始位置的对齐。
[0029]下面结合实施例来说明本系统的工作过程:
[0030]如图2?3所示，在机械臂25进行试验之前，根据机械臂25与跟踪补偿系统23的相对位置对支撑架21顶部的二维微调平台27的位置进行小范围调节；当机械臂25按照要求进行回转和俯仰运动时，带动连接其上的悬吊装置24运动，此时安装在悬吊装置24之上的倾角传感器对吊索的倾角进行采集并反馈至控制系统26之中，当倾角超出设定的误差范围之内时，控制系统26通过相应的解算，对跟踪补偿系统23的运动和重力补偿装置36的收绳动作发出指令，实现跟踪补偿系统23的运动控制；通过安装在悬吊装置24之上的力学传感器进行吊索39的拉力进行采集并与倾角数据一同反馈至控制系统26之中，控制系统26通过计算，控制重力补偿装置36调整补偿力的大小，以满足补偿精度的要求；
[0031]对于跟踪补偿系统的运动和补偿，如图2、3所示，跟踪补偿系统23通过接口 38与二维微调平台27相连接，控制系统26通过控制回转驱动系统22来控制跟踪补偿系统23的回转运动；如图3所示，当控制系统26发出直线运动相关控制指令时，直线运动驱动系统31按照指令运动，实现安装于托板35之下的传动螺母37的直线运动，托板35同时与直线导轨34相连接，从而保证了安装在托板35之上的重力补偿装置36的直线运动特性；同时，重力补偿装置36根据控制系统26发出的指令进行补偿力的调节，并进行吊索的收放，实现对俯仰运动的跟踪。通过对跟踪补偿系统23的回转运动和重力补偿装置36相对于回转架32的直线运动以及绳索的收放运动的控制，实现对机械臂回转和俯仰运动的跟踪，通过重力补偿装置36对绳索拉力的控制，实现机械臂25微低重力的补偿。
[0032]以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。
【权利要求】
1.一种防干涉微低重力补偿系统，其特征在于:包括支撑架(21)、跟踪补偿系统(23)、回转驱动系统(22)、悬吊装置(24)和控制系统(26)，所述跟踪补偿系统(23)安装于所述支撑架(21)的顶部并可自转，所述回转驱动系统(22)设置于所述跟踪补偿系统(23)和所述支撑架(21)之间并为所述跟踪补偿系统(23)提供自转动力，所述悬吊装置(24)的上端连接于所述跟踪补偿系统(23)的底部并可相对于后者做直线运动，所述悬吊装置(24)的下端连接机械臂(25)，所述控制系统(26)分别与所述跟踪补偿系统(23)和悬吊装置(24)相连。
2.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于:所述跟踪补偿系统(23)包括回转平台(32)、重力补偿系统和直线运动系统，所述回转平台(32)的顶部通过安装接口(38)连接所述支撑架(21)，所述直线运动系统设置于所述回转平台(32)的底部并可相对于所述回转平台(32)做直线运动，所述重力补偿系统固接于所述直线运动系统。
3.根据权利要求2所述的微低重力补偿系统，其特征在于:所述重力补偿系统为主动重力补偿，其包括重力补偿装置(36)和绳索收放装置，所述绳索收放装置连接所述悬吊装置(24)，所述重力补偿装置(36)为所述绳索收放装置提供动力。
4.根据权利要求2所述的微低重力补偿系统，其特征在于:所述直线运动系统包括直线导轨(34)、托板(35)和传动丝杠(33)，所述直线导轨(34)设置于所述回转平台(32)的底部，所述传动丝杠(33)安装于所述直线导轨(34)的径向，所述托板(35)的底部设置有与所述传动丝杠(33)相配合的传动螺母(37)，所述托板(35)的底部通过接口连接所述直线导轨(34)且可相对于后者做直线运动； 还包括直线运动驱动系统(31)，其安装于所述传动丝杠(33)的端部并带动所述传动丝杠(33)转动，为所述托板(35)的直线运动提供动力； 所述重力补偿系统固接于所述托板(35)上。
5.根据权利要求4所述的微低重力补偿系统，其特征在于:所述回转平台(32)的底部设置有两个相互平行的直线运动系统，两个托板(35)上均固接有重力补偿系统，所述重力补偿系统均连接有悬吊装置(24)。
6.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于:还包括二维微调平台(27)，所述二维微调平台(27)设置于所述支撑架(21)的顶部并可相对于所述支撑架(21)做X、Y方向运动，所述跟踪补偿系统(23)连接于所述二维微调平台(27)。
7.根据权利要求1所述的微低重力补偿系统，其特征在于:所述悬吊装置(24)包括吊索(39)和转接工装，所述吊索(39)的上端连接所述跟踪补偿系统(23)，所述吊索(39)的下端通过转接工装连接机械臂(25)，所述吊索(39)上设置有用于检测吊索拉力的力学传感器和检测吊索角度的倾角传感器。
【文档编号】B64G7/00GK104129510SQ201410406513
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】冉江南, 陈建鹏, 刘鹏, 莫丽东 申请人:天津航天机电设备研究所