专利名称：一种七自由度空间机械臂地面微重力混合模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种空间机械臂地面微重力混合模拟方法的研究，特别涉及一种七自由度空间机械臂在地面模拟太空微重力环境的实现方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，空间机器人在人类探索太空活动中起着越来越重要的作用，不仅可以协助或者代替宇航员执行空间站组装、维修、部件更换等传统在轨操作，还可以执行燃料补给、航天器监视与捕获等新型在轨操作。空间机械臂作为空间机器人系统的重要组成部分，具有多自由度控制的难度与高风险，是决定在轨操作任务成败的关键。因此，在发射入轨之前，空间机械臂必须在地面模拟的微重力环境中进行全面的、严格的仿真与验证，从而保证空间机械臂在轨执行各项任务时的准确性。在地面进行实验验证，首先需要模拟太空的微重力环境。目前国内外空间机械臂地面微重力环境的模拟方法主要有:气浮法、水浮法和吊丝配重法等。气浮法是采用空气轴承，将空间机械臂支撑在光滑的气浮台上，利用气足喷气的反作用力抵消机械臂的自身重力。该方法具有结构简单、承载能力大、精度高等特点，在二维平面内，气浮法可以达到很好的实验效果。加拿大MDA公司研制的Canadarm2机械臂和欧洲航天局ESA研制的ERA机械臂，均采用气浮法开展相应的地面实验研究。但是只适用于空间机械臂在二维平面内的微重力实验，难以用于三维空间的微重力实验。水浮法是指在大型中性水池中模拟微重力环境，通过添加配重使得空间机械臂在水中的浮力与重力相平衡。该方法可以实现空间机械臂在三维空间中的微重力环境。美国Maryland大学研制的Ranger机器人,其地面实验系统采用水浮法模拟微重力环境。但是空间机械臂在水中运动，水的粘性阻力会改变机械臂系统动力学特性，同时对空间机械臂的密封性要求很高，需要对系统进行较大地改造。吊丝配重法是指通过滑轮组利用配重块的重力来补偿空间机械臂的重力，即采用吊丝竖直向上的拉力来平衡空间机械臂的重力。美国Carnegie Mellon大学研制的SM2空间机器人地面微重力实验系统和北京控制工程研究所研制的“舱外自由移动机器人系统”，均采用吊丝配重法。吊丝配重法虽然可以实现空间机械臂三维空间的重力补偿，但是系统复杂、占地面积大，且重力补偿精度不够高。针对上述现有方法的不足，研究一种新型模拟地面微重力环境的方法，用于空间机械臂地面微重力仿真实验研究具有重要意义。
发明内容
所谓静平衡机构，是通过添加辅助连杆机构和弹簧，使整个系统的重力势能和弹性势能总和保持不变，从而实现机构系统的重力补偿。本发明针对现有模拟方法的优缺点，提出了一种基于气浮法和静平衡机构的地面微重力混合模拟方法，利用混合模拟方法建立地面微重力实验系统，在一定范围内可以实现7-D0F空间机械臂的三维运动，以进行相关模拟测试与实验研究。本发明的技术方案包括以下步骤:步骤1:理论分析静平衡机构的重力补偿原理以及静平衡机构的具体实现方式；步骤2:分析7-D0F空间机械臂的系统结构及其运动方式，并建立其D-H坐标系；步骤3:依据建立的D-H坐标系，分析所有需进行重力补偿部件的质心位置，从而确定所需弹簧的数量及其劲度系数；步骤4:根据7-D0F空间机械臂的运动方式，提出基于该机械臂的地面微重力模拟方案及相应的机构设计；步骤5:基于ADAMS软件，建立7-D0F空间机械臂的重力补偿模型，分别模拟失重和受重力环境，输出机械臂各关节的力矩曲线，对该方案模拟的地面微重力环境进行仿真验证。本发明所提出的重力补偿机构中所添加的弹簧都是指零初长弹簧，所谓零初长弹簧是指弹簧的自然长度为零时，弹簧的拉力为零，具体可以通过使用绳索、滑轮和弹簧一起实现，即弹簧一端与机械构件相连，弹簧一端通过滑轮与绳索相连。鉴于机械臂杆件的具体质心位置不好定位，所以在具体的实施中，可以采用配重法或者使用特殊的定位机构来确定质心位置，从而保证绳索悬挂点的位置正确，使得机械臂杆末端可以达到完全的重力平衡。最后在ADAMS环境下，根据受重力和失重的情况，对机械臂的每个关节力矩输出曲线进行比较，仿真结果说明该方法完全可以模拟地面零重力环境。本方法的优点在于:I)本发明根据机械臂的运动方式以及需进行重力补偿的部件，设计基于气浮法和静平衡机构的地面微重力混合模拟方法，机构简单，占地空间小；2)本发明根据需进行重力补偿的部件，且经过分析只需要添加一根弹簧就实现在其运动范围内的任意位置平衡，更易于实现；3)本发明提出的重力补偿方法，使机械臂在一定范围内实现三维空间运动，总体方案成本低。
图1是基于一根弹簧实现静平衡的简单单杆模型； 图2是7-D0F空间机械臂三维模型及建立的D-H坐标系；图3是7-D0F空间机械臂基于气浮和静平衡机构的地面微重力模拟方案设计；图4是基于静平衡原理和悬挂弹簧法的机械臂静平衡模型；图5是每个关节在一定角度运动规律下两种情况的各个关节力矩输出曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。步骤1:如图1所示为基于弹簧的静平衡基本模型，首先说明基于弹簧的静平衡原理。当不受其他外力的作用时，由拉格朗日方程可知:
权利要求
1.针对可用于空间站组装的7-D0F空间机械臂的结构特点，提出了一种基于气浮法和静平衡机构的地面微重力混合模拟方法，其特征在于该机械臂有七个转动关节、两段碳纤维臂杆和两个末端执行器组成，七个转动关节的尺寸与内部机构完全相同，且对称布置；肩部和腕部各有三个关节，肘部一个关节；关节3、关节4和关节5的轴线相互平行；在轨操作时，7-D0F空间机械臂肩部的末端执行器与基座连接，腕部的末端执行器用于操作，且肩部和腕部可以交替使用，实现行走。
2.根据权利要求1所述的机械臂的运动特点，7-D0F空间机械臂的中间段采用气浮法实现重力补偿，由两个气浮足支撑；由于关节3和关节4的轴线垂直于气浮台，因而可以实现关节3和关节4在二维平面内的自由运动。两端的肩部、腕部以及末端执行器则采用静平衡机构实现重力补偿；设计两套静平衡机构，分别称为肩部静平衡机构和腕部静平衡机构；肩部静平衡机构用于实现由关节1、关节2和末端执行器组成两自由度机械臂的重力补偿；而腕部静平衡机构则用于实现由关节5、关节6、关节7和末端执行器组成的三自由度机械臂的重力补偿，从而实现机械臂系统的重力补偿。
3.根据权利要求1或2所述的重力补偿方法，所涉及的弹簧是零初长弹簧，即系统中使用的弹簧是零初长弹簧。零初长弹簧是指弹簧的长度为零时，弹簧的拉力为零，具体可以通过滑轮、钢丝绳和弹簧来实现，且鉴于机械臂杆件的具体质心位置不好定位，所以在具体的实施中，可以采用配重法或者使用特殊的定位机构来确定质心位置，从而保证绳索悬挂点的位置正确，使得机械臂杆末端可以达到完全的重力平衡。
全文摘要
本发明公开了一种空间机械臂地面微重力混合模拟方法，特别涉及一种七自由度空间机械臂在地面模拟太空微重力环境的实现方法。七自由度空间机械臂的中间采用气浮法实现重力补偿，由两个气浮足支撑，两端的肩部、腕部以及末端执行器则采用静平衡机构实现重力补偿，设计两套静平衡机构，称为肩部静平衡机构和腕部静平衡机构，分别实现肩部关节1、关节2和末端执行器组成两自由度机械臂的重力补偿，腕部关节5、关节6、关节7和末端执行器组成的三自由度机械臂的重力补偿，从而实现整个空间机械臂系统的重力补偿。
文档编号B25J9/08GK103144104SQ20131006744
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者叶平, 何雷, 孙汉旭, 贾庆轩, 宋爽, 刘文旭 申请人:北京邮电大学