多方向运动转换的时变刚度基座系统

本发明涉及空间力学模拟，尤其涉及一种多方向运动转换的时变刚度基座系统。

背景技术：

1、随着中国空间站全面建成，愈加多样化、复杂的空间任务需要被完成。空间站上的机械臂在各种操作任务中的作用愈发广泛，从协助航天员舱外操作，到搬运、转移、插拔各类载荷等精细操作。这些任务都需要机械臂满足各种动态性能需求。

2、空间站上的机械臂系统由大臂和小臂两部分组成。两者可独立工作，也可以组成组合臂进一步扩展工作空间，去应对一些不仅需要范围转移，还要兼具局部精细操作的工作需求，大大提高了空间机械臂系统的机动性。而针对在地面开展组合臂的动态性能研究，一般可将作为基座的大臂等效为一个柔性基座，极大程度降低了试验系统的复杂度。

3、目前发现的已有设计的柔性基座是可变刚度，但不是时变刚度。只能预先调整好基座符合大臂某一构型下的刚度，然后小臂在这套基座刚度特性下运动，即模拟的是：大臂维持某一构型固定不动而小臂运动的系统场景，无法实现小臂在运动过程中，基座的刚度也在由人为控制的实时变化，即无法模拟的是小臂运动的同时大臂也在动的系统场景。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种多方向运动转换的时变刚度基座系统可模拟空间站大小臂同时运动，大臂作为小臂的基座，其运动过程中构型变化引起的刚度变化，从而研究空间站大小臂共同运动下，组合臂内发生的扰动运动规律。

2、本发明提供的多方向运动转换的时变刚度基座系统，包括柔性基座输入端、柔性基座盖板、转动刚度模拟平台和平动刚度模拟平台；其中，柔性基座输入端通过支撑台安装到柔性基座盖板的顶面；转动刚度模拟平台通过型材与柔性基座盖板的底面相连；平动刚度模拟平台通过传动轴与转动刚度模拟平台连接；

3、转动刚度模拟平台包括运动转换机构和转动变刚度机构；运动转换机构通过联轴器与柔性基座输入端连接，用于将柔性基座输入端的转动转换为向四周扩散的平动；转动变刚度机构同轴控制运动转换机构，通过实时控制转动变刚度机构对运动转换机构的预紧力，进而控制运动转换机构的运动刚度；

4、平动刚度模拟平台包括第一平动变刚度机构、第一导轨组、滑动调节组件和平台底板，第一平动变刚度机构的数量不少于一组，滑动调节组件和第一平动变刚度机构均安装在平台底板上，第一平动变刚度机构通过滑动调节组件和传动轴实时调整转动刚度模拟平台的平动刚度；第一导轨组平行于滑动调节组件并固定在平台底板的两端，且通过增高架使转动刚度模拟平台在第一导轨组上移动；

5、或平动刚度模拟平台包括平台支撑板、第二导轨组和第二平动变刚度机构，第二导轨组承载转动变刚度机构，第二平动变刚度机构用于通过改变弹簧有效圈数的方式调节自身刚度，以改变柔性基座输入端的平动刚度；

6、或平动刚度模拟平台包括上平台、下平台、平动传递机构和第三平动变刚度机构，平动传递机构通过传动轴与转动刚度模拟平台相连，用于将柔性基座输入端输入的平动传递至平动传递机构；上平台与下平台之间通过型材支撑连接，第三平动变刚度机构固定在下平台上，且与平动传递机构连接，用于通过改变弹片簧刚度的方式调节平动传递机构的刚度，从而实现柔性基座输入端的平动刚度的调节。

7、进一步的，转动刚度模拟平台还包括支撑底板；其中，支撑底板通过型材固定在柔性基座盖板的底面；运动转换机构安装在支撑底板上；转动变刚度机构通过支撑块安装在支撑底板上；支撑底板安装在平动刚度模拟平台上，并通过传动轴与平动刚度模拟平台相连。

8、进一步的，运动转换机构包括转动支撑架、牵引转台、连杆和运动转换滑轨，以及与运动转换滑轨匹配的运动转换滑块；其中，

9、转动支撑架包括转动支撑台、转动支撑臂和不少于两个的转动支撑架底座，且转动支撑台和转动支撑臂为一体结构；转动支撑臂的数量与转动支撑架底座一致，转动支撑臂的一端均匀布置于转动支撑台的圆周，转动支撑臂的另一端安装在转动支撑架底座上，使转动支撑架底座通过转动支撑臂将转动支撑台架起；

10、运动转换滑轨与转动支撑臂的数量一致，并安装在转动支撑臂上；柔性基座输入端通过联轴器与牵引转台上同轴连接，运动转换滑块通过连杆与牵引转台相连，使柔性基座输入端的转动经牵引转台，通过连杆转换为运动转换滑块在运动转换滑轨的平动。

11、进一步的，转动变刚度机构包括转动导向轮、转动收绳轮、皮带轮、张紧轮和转动调刚电机；其中，

12、皮带轮和张紧轮的数量与转动支撑架底座的数量一致，皮带轮套装在转动支撑架底座上且低于转动支撑臂，使套装并连接皮带轮上的皮带低于转动支撑臂；张紧轮与皮带轮高度一致且沿转动支撑台的周向均匀分布，使张紧轮向转动支撑台的方向压紧皮带；

13、转动调刚电机固定在支撑底板上，且转动调刚电机的输出端通过联轴器与蜗杆相连，蜗杆与安装在任一皮带轮上的蜗轮啮合，使转动调刚电机通过蜗杆和蜗轮的配合控制皮带轮的转动，进而通过皮带控制其他皮带轮的转动；

14、转动收绳轮的数量与皮带轮的数量一致，且与皮带轮同轴安装在转动支撑架底座上，使皮带轮带动转动收绳轮进行同步旋转；转动导向轮的数量与转动收绳轮的数量一致，并靠近转动收绳轮安装在转动支撑臂上；

15、运动转换滑块上固定有与相邻转动支撑架底座上的转动收绳轮相连的弹簧钢丝绳，转动调刚电机通过皮带轮和转动收绳轮调整弹簧钢丝绳的预紧力，进而调整柔性基座输入端的转动刚度。

16、进一步的，第一平动变刚度机构的数量不少于一组，每组平动变刚度机构包括两个第一平动变刚度机构；滑动调节组件的数量与第一平动变刚度机构的组数一致，且每组第一平动变刚度机构分别位于滑动调节组件的两端，并与滑动调节组件紧密接触，使两个第一平动变刚度机构通过传动轴和滑动调节组件实时调整转动刚度模拟平台的平动刚度；两个第一导轨组平行于滑动调节组件并固定在平台底板的两端，且通过增高架使支撑底板在第一导轨组上移动。

17、进一步的，第一平动变刚度机构包括圆弧轨道、轨道回转中心柱、内接滑块、导向连接臂、导向连杆、压簧、电机、调刚回转中心柱、锥齿轮组和直线轴承；其中，

18、轨道回转中心柱固定在平台底板上；圆弧轨道的一端与滑动调节组件紧密接触，圆弧轨道的另一端与轨道回转中心柱固定连接，使滑动调节组件挤压圆弧轨道，进而使圆弧轨道围绕轨道回转中心柱进行旋转；

19、调刚回转中心柱和电机安装在平台底板上，锥齿轮组套装在调刚回转中心柱上，且电机的输出端与锥齿轮组中的主动锥齿轮固接，主动锥齿轮与锥齿轮组中的从动锥齿轮配合，使电机通过锥齿轮组带动调刚回转中心柱的输出端旋转；

20、导向连接臂的固定端与调刚回转中心柱的输出端固定连接，导向连接臂的活动端设置有安装导向连杆的安装件；

21、直线轴承的一端固定在导向连接臂上，直线轴承的另一端与导向连杆相连，使导向连杆沿直线轴承进行伸缩调节；

22、内接滑块的安装侧安装在导向连杆；内接滑块的活动侧与圆弧轨道的内壁配合，使内接滑块带动导向连杆沿圆弧轨道的内壁移动；

23、压簧的一端固定在导向连接臂的固定端上，压簧的另一端与导向连杆相连，使电机实时控制调刚回转中心柱完成压簧的力矩调节，并与压簧的伸缩相配合，进而实现滑动组件对所述基座输入端的平动刚度的实时调节。

24、进一步的，滑动调节组件包括连接滑块和平动滑轨，平动滑轨固定在平台底板上，传动轴固定在连接滑块上，并在传动轴上套设有滚轮，圆弧轨道的一端与滚轮紧密接触，当传动轴带动连接滑块在平动滑轨上平动时，滚轮滚动挤压圆弧轨道，使圆弧轨道围绕轨道回转中心柱进行转动。

25、进一步的，第二平动变刚度机构包括顶锥座和两个变刚度调节单元，两个变刚度调节单元分别通过顶锥顶到顶锥座的两侧，顶锥座通过型材与支撑底板相连，使两个变刚度调节单元通过顶锥座和型材控制转动刚度模拟平台的平动刚度；

26、两个变刚度调节单元均包括驱动电机、第一联轴器、滚珠花键、旋转轴、弹簧、台座、卡接件、轴承、轴套和端盖，驱动电机固定在平台支撑板上，驱动电机的输出轴通过第一联轴器与滚珠花键的花键轴连接，滚珠花键的法兰与旋转轴连接，轴套套装在旋转轴的端部，弹簧与轴承分别套装在轴套的两端，端盖套装在弹簧与轴承的外侧，在端盖上与顶锥座上分别形成有与顶锥配合的顶锥孔；

27、台座包括t型底座和套筒，t型底座安装在平台支撑板上且与套筒固定连接，套筒套设在弹簧的外侧，卡接件与套筒固定连接，并卡入弹簧的内部，控制驱动电机的输出轴旋转，依次经第一联轴器、滚珠花键、旋转轴、轴套传递至弹簧，弹簧抵接卡接件沿径向旋转，改变有效圈数，实现端盖对顶锥座的时变刚度输出。

28、进一步的，平动传递机构包括平动导轨组、滑动组件、导向轴、导向滑块和支撑弹簧；其中，平动导轨组的承导件固定在上平台上，平动导轨组的运动件与支撑底板固定连接；滑动组件包括平动连接滑块、平动滑块和平动调节滑轨，平动调节滑轨与平动导轨组平行设置，平动滑块的数量为两个且分布在平动连接滑块的两侧，两个平动滑块与平动连接滑块均在平动调节滑轨上直线滑动；传动轴的一端与平动连接滑块固定，传动轴的另一端与支撑底板连接固定；导向轴的一端与下平台固定连接，导向轴的另一端与上平台的底部固定连接，通过螺钉向下穿过平动调节滑轨、上平台后与导向轴的上端连接，使平动调节滑轨、上平台和导向轴固定连接；导向滑块套装在导向轴上，沿导向轴上下滑动，支撑弹簧套装在导向轴上，支撑弹簧的一端与导向滑块的底部抵接，支撑弹簧的另一端与下平台抵接。

29、进一步的，第三平动变刚度机构包括调刚气缸、与上平台和下平台之间的型材转动连接的两个联动块以及沿导向滑块对称设置的两个推压块、两个直线轴承组、两个片簧、两个第一连杆、两个第二连杆、两个第三连杆和两个第四连杆；直线轴承组固定在下平台的表面，两个推压块沿两个直线轴承组水平滑动，两个片簧的一端分别与两个推压块固定连接，两个片簧的另一端分别与导向滑块的两侧固定连接，两个第一连杆的一端分别与一个平动滑块的两侧转动连接，两个第一连杆的另一端分别与导向滑块的一端的两侧转动连接，两个第二连杆的一端分别与另一个平动滑块的两侧转动连接，两个第二连杆的另一端分别与导向滑块的另一端的两侧转动连接，两个第三连杆的一端分别与两个推压块的一端转动连接，两个第三连杆的另一端分别与一个联动块的两端转动连接，两个第四连杆的一端分别与两个推压块的另一端转动连接，两个第四连杆的另一端分别与另一个联动块的两端转动连接；调刚气缸固定在所述下平台的表面，调刚气缸的输出端与其中的一个推压块固定连接，通过调刚气缸推动该推压块改变两个片簧的弯曲刚度，调节平动传递机构的刚度。

30、进一步的，平动刚度模拟平台的数量不少于两个，每个平动刚度模拟平台的平台底板、平台支撑板或下平台通过增高架或直接叠放在下方平动刚度模拟平台的第一导轨组上或平动导轨组上，或与下方平动刚度模拟平台的顶锥座固定连接，同时每个平动刚度模拟平台通过传动轴与下方平动刚度模拟平台的滑动调节组件或滑动组件相连，进而实现下方平动刚度模拟平台控制上方平动刚度模拟平台不同运动方向的平动刚度。

31、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

32、本发明提供的以绳驱结构为核心的转动刚度模拟平台将柔性基座输入端的转动转换为平动，并配合电机以改变弹簧钢丝绳的预紧力的方式实现转动方向的实时变刚度调节；且提供了基于弹簧、滑轨和片簧的三种不同的平动刚度模拟平台。将转动和平动刚度模拟平台叠放连接，组成可同时完成转动刚度和平动刚度调节的时变刚度基座系统。此系统能够在地面上模拟空间站大小臂组合时大臂在运动过程中的刚度变化，并反作用于小臂，从而为研究空间站大小臂共同运动下组合臂内发生的扰动运动规律奠定基础。