一種防干涉微低重力補償系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明創(chuàng)造提供一種防干涉微低重力補償系統(tǒng)，包括支撐架、跟蹤補償系統(tǒng)、回轉驅動系統(tǒng)、懸吊裝置和控制系統(tǒng)，所述跟蹤補償系統(tǒng)安裝于所述支撐架的頂部并可自轉，所述回轉驅動系統(tǒng)設置于所述跟蹤補償系統(tǒng)和所述支撐架之間并為所述跟蹤補償系統(tǒng)提供自轉動力，所述懸吊裝置的上端連接于所述跟蹤補償系統(tǒng)的底部并可相對于后者做直線運動，所述懸吊裝置的下端連接機械臂，所述控制系統(tǒng)分別與所述跟蹤補償系統(tǒng)和懸吊裝置相連。本發(fā)明創(chuàng)造將二維平面內的運動以回轉和直線運動相結合的極坐標形式實現(xiàn)，在保證運動范圍要求的情況下，不易與實驗對象發(fā)生干涉；采用主動重力補償?shù)姆绞?，容易實現(xiàn)機械臂補償力的精確控制，提高補償精度。
【專利說明】一種防干涉微低重力補償系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明創(chuàng)造屬于航天條件的模擬裝置領域，尤其是涉及一種微低重力補償系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]隨著我國航天技術的發(fā)展，特別是載人航天工程和探月工程的實施，使得對航天器的功能要求越來越高。其中，關節(jié)式機械臂是其中必不可少的一個重要組成部分，它可以代替航天員高效、精準的完成大量空間任務。通常情況下，在機械臂隨著航天器發(fā)射升空以前，往往需要在地面對其進行微低重力試驗，以模擬機械臂在空間的工作狀態(tài)，測試其在完成任務時各項主要性能指標，最大限度的保證機械臂在軌工作的可靠性和功能性的要求，這樣就需要一種微低重力補償系統(tǒng)，實現(xiàn)空間微低重力的模擬。該系統(tǒng)需要滿足適應機械臂多關節(jié)協(xié)調運動并且不與其產(chǎn)生干涉、最低限度的影響機械臂運動性能的要求。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明創(chuàng)造要解決的問題是提供一種機械臂微低重力試驗的補償系統(tǒng)，用以在地面環(huán)境下對機械臂進行微低重力的模擬試驗，以考核機械臂的運動性能，并保證在模擬試驗過程中不干涉機械臂的運動。
[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明創(chuàng)造采用的技術方案是:一種防干涉微低重力補償系統(tǒng)，包括支撐架、跟蹤補償系統(tǒng)、回轉驅動系統(tǒng)、懸吊裝置和控制系統(tǒng)，所述跟蹤補償系統(tǒng)安裝于所述支撐架的頂部并可自轉，所述回轉驅動系統(tǒng)設置于所述跟蹤補償系統(tǒng)和所述支撐架之間并為所述跟蹤補償系統(tǒng)提供自轉動力，所述懸吊裝置的上端連接于所述跟蹤補償系統(tǒng)的底部并可相對于后者做直線運動，所述懸吊裝置的下端連接機械臂，所述控制系統(tǒng)分別與所述跟蹤補償系統(tǒng)和懸吊裝置相連。
[0005]所述支撐架為整個系統(tǒng)提供支撐，所述跟蹤補償系統(tǒng)提供跟蹤機械臂所需要的運動和主動重力補償，所述回轉驅動系統(tǒng)為所述跟蹤補償系統(tǒng)的自轉提供驅動力，所述懸吊裝置則用于連接所述跟蹤補償系統(tǒng)和機械臂的主要運動大臂，所述控制系統(tǒng)完成整個系統(tǒng)運行所需的數(shù)值解算、運動檢測和運動控制。
[0006]其中，所述跟蹤補償系統(tǒng)包括回轉平臺、重力補償系統(tǒng)和直線運動系統(tǒng)，所述回轉平臺的頂部通過安裝接口連接所述支撐架，且安裝接口作為回轉平臺的轉動軸，所述直線運動系統(tǒng)設置于所述回轉平臺的底部并可相對于所述回轉平臺做直線運動，所述重力補償系統(tǒng)固接于所述直線運動系統(tǒng)，并隨同所述直選運動系統(tǒng)做直線運動。
[0007]進一步，所述重力補償系統(tǒng)為主動重力補償，其包括重力補償裝置和繩索收放裝置，所述繩索收放裝置連接所述懸吊裝置，所述重力補償裝置為所述繩索收放裝置提供動力，繩索收放裝置根據(jù)所述控制系統(tǒng)的指令對懸吊裝置進行收繩和放繩控制。
[0008]進一步，所述直線運動系統(tǒng)包括直線導軌、托板和傳動絲杠，所述直線導軌設置于所述回轉平臺的底部，所述傳動絲杠安裝于所述直線導軌的徑向，所述托板的底部設置有與所述傳動絲杠相配合的傳動螺母，所述托板的底部通過接口連接所述直線導軌且可相對于后者做直線運動。通過傳動絲杠和傳動螺母的配合實現(xiàn)絲杠傳動運動，進而實現(xiàn)托板相對于絲杠運動，及托板相對于直線導軌運動。
[0009]所述重力補償系統(tǒng)固接于所述托板上。
[0010]所述直線運動系統(tǒng)還包括直線運動驅動系統(tǒng)，其安裝于所述傳動絲杠的端部并帶動所述傳動絲杠轉動，通過控制系統(tǒng)的指令控制傳動絲杠的正轉和反轉，從而推動其上的傳動螺母運動，為所述托板的直線運動提供動力，實現(xiàn)托板及重力補償系統(tǒng)的直線運動。
[0011]進一步，所述回轉平臺的底部設置有兩個相互平行的直線運動系統(tǒng)，兩個托板上均固接有重力補償系統(tǒng)，所述重力補償系統(tǒng)均連接有懸吊裝置。
[0012]進一步，本防干涉微低重力補償系統(tǒng)，還包括二維微調平臺，所述二維微調平臺設置于所述支撐架的頂部并可相對于所述支撐架做X、Y方向運動，所述跟蹤補償系統(tǒng)連接于所述二維微調平臺。所述二維微調平臺可相對于所述支撐架的做小范圍的二維運動，其用于在進行模擬試驗前微調所述跟蹤補償系統(tǒng)與機械臂的相對位置，實現(xiàn)二者相應位置的對齊。
[0013]其中，所述懸吊裝置包括吊索和轉接工裝，所述吊索的上端連接所述跟蹤補償系統(tǒng)，所述吊索的下端通過轉接工裝連接機械臂，所述吊索上設置有用于檢測吊索拉力的力學傳感器和檢測吊索角度的傾角傳感器。
[0014]其中，所述控制系統(tǒng)，用來處理整個模擬系統(tǒng)相關運算和補償系統(tǒng)的監(jiān)測。具體地，通過傳感器反饋的機械臂的運動，計算出跟蹤補償系統(tǒng)所需的運動軌跡；根據(jù)吊索的力學傳感器提供的拉力反饋，對重力補償裝置進行控制，實現(xiàn)補償力的精確控制；并對上述運動和補償力等進行監(jiān)測。
[0015]本發(fā)明創(chuàng)造具有的優(yōu)點和積極效果是:本發(fā)明將二維平面內的運動以回轉和直線運動相結合的極坐標形式實現(xiàn)，在保證運動范圍要求的情況下，不易與實驗對象發(fā)生干涉；采用主動重力補償?shù)姆绞?，容易實現(xiàn)機械臂補償力的精確控制，提高補償精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是機械臂的結構示意圖
[0017]圖2是本發(fā)明創(chuàng)造的結構示意圖
[0018]圖3是本發(fā)明創(chuàng)造中跟蹤補償系統(tǒng)的結構示意圖
[0019]圖中:
[0020]1.機械臂示意圖——11基座12回轉軸13俯仰軸A 14俯仰軸B ；
[0021]2.微低重力補償系統(tǒng)示意圖一21支撐架22回轉驅動系統(tǒng)23跟蹤補償系統(tǒng)24懸吊裝置25機械臂26控制系統(tǒng)27 二維微調平臺；
[0022]3.跟蹤補償系統(tǒng)示意圖一31直線運動驅動系統(tǒng)32回轉平臺33傳動絲杠34直線導軌35托板36重力補償裝置37傳動螺母38安裝接口 39吊索

【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造的具體實施例做詳細說明。
[0024]如圖1所示,機械臂包括順序相接的基座11、回轉軸12、俯仰軸A13、臂A14、俯仰軸B15及臂B16，關節(jié)式機械臂能實現(xiàn)繞回轉軸12回轉，繞俯仰軸A、B(13，15)進行俯仰運動。通過對機械臂的臂A14和臂B16進行懸吊并提供重力補償以實現(xiàn)機械臂的微重力環(huán)境模擬。
[0025]如圖2所示，本防干涉微低重力補償系統(tǒng)，包括支撐架21、回轉驅動系統(tǒng)22、跟蹤補償系統(tǒng)23、懸吊裝置24以及控制系統(tǒng)26，其中，支撐架21為整個系統(tǒng)提供支撐；跟蹤補償系統(tǒng)23提供跟蹤所需要的運動以及補償力，并在回轉驅動系統(tǒng)22作用下可以實現(xiàn)自轉運動；跟蹤補償系統(tǒng)23上載有直線運動系統(tǒng)和重力補償系統(tǒng)，重力補償系統(tǒng)連接懸吊裝置24，并通過控制懸吊裝置24的繩索收放實現(xiàn)機械臂的俯仰運動，而跟蹤補償系統(tǒng)的自轉運動結合重力補償系統(tǒng)的直線運動則可實現(xiàn)機械臂的回轉運動；懸吊裝置24下端通過轉接工裝與機械臂25相連接，其上安裝有測力傳感器和傾角傳感器，為控制系統(tǒng)提供控制依據(jù)；控制系統(tǒng)26實現(xiàn)跟蹤和補償所需要的相關數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)運動的精確跟蹤和補償力的精確控制，并對跟蹤運動和補償力進行監(jiān)控。
[0026]圖3示出了跟蹤補償系統(tǒng)23的一種實施方式。跟蹤補償系統(tǒng)23采用極坐標的運動形式，將回轉運動和直線運動有效的結合起來，實現(xiàn)平面任意運動。跟蹤補償系統(tǒng)23包括回轉平臺32、重力補償系統(tǒng)和直線運動系統(tǒng):重力補償系統(tǒng)包括重力補償裝置36和繩索收放裝置；直線運動系統(tǒng)包括直線導軌34、托板35、傳動絲杠33、傳動螺母37和直線運動驅動系統(tǒng)31。
[0027]跟蹤補償系統(tǒng)23通過安裝接口 38與支撐架21連接，跟蹤補償系統(tǒng)23以安裝接口 38作為轉動軸完成自轉運動?；剞D平臺32是重力補償系統(tǒng)和直線運動系統(tǒng)的載體，其底部設置有承載直線運動系統(tǒng)的直線導軌34，直線導軌34設置于回轉平臺32的底部，傳動絲杠33平行于直線導軌34的徑向且其可轉動地固定在直線導軌34上，托板35的底部設置有與傳動絲杠33相配合的傳動螺母37，托板35的底部通過接口連接直線導軌34且可相對于后者做直線運動；直線運動系統(tǒng)通過直線運動驅動系統(tǒng)31的驅動實現(xiàn)沿回轉平臺32上直線導軌34的直線運動。直線運動驅動系統(tǒng)31安裝于回轉平臺32后端，其連接傳動絲杠33，并根據(jù)控制系統(tǒng)26的指令控制傳動絲桿33的正轉和反轉，從而實現(xiàn)推動托板底部的傳動螺母37做直線運動，進而保證了托板35直線運動特性。托板35底部通過接口與安裝于回轉平臺32底部的直線導軌34相連接；重力補償裝置36安裝于托板35之上，并隨著托板35實現(xiàn)相對于回轉平臺32的直線運動；重力補償裝置36連接繩索收放裝置，繩索收放裝置通過吊索39與懸吊裝置相連接。重力補償系統(tǒng)隨直線運動系統(tǒng)的直線運動及隨回轉平臺的回轉運動配合帶動懸吊裝置24進行三維運動，最終實現(xiàn)機械臂運動的跟蹤。
[0028]本發(fā)明的另一個實施例中還增設了二維微調平臺27，二維微調平臺27設置于支撐架21的頂部，并可相對于支撐架21頂部的框架做小范圍的二維平面運動，從而實現(xiàn)跟蹤補償系統(tǒng)23與機械臂25之間相對初始位置的對齊。
[0029]下面結合實施例來說明本系統(tǒng)的工作過程:
[0030]如圖2?3所示，在機械臂25進行試驗之前，根據(jù)機械臂25與跟蹤補償系統(tǒng)23的相對位置對支撐架21頂部的二維微調平臺27的位置進行小范圍調節(jié)；當機械臂25按照要求進行回轉和俯仰運動時，帶動連接其上的懸吊裝置24運動，此時安裝在懸吊裝置24之上的傾角傳感器對吊索的傾角進行采集并反饋至控制系統(tǒng)26之中，當傾角超出設定的誤差范圍之內時，控制系統(tǒng)26通過相應的解算，對跟蹤補償系統(tǒng)23的運動和重力補償裝置36的收繩動作發(fā)出指令，實現(xiàn)跟蹤補償系統(tǒng)23的運動控制；通過安裝在懸吊裝置24之上的力學傳感器進行吊索39的拉力進行采集并與傾角數(shù)據(jù)一同反饋至控制系統(tǒng)26之中，控制系統(tǒng)26通過計算，控制重力補償裝置36調整補償力的大小，以滿足補償精度的要求；
[0031]對于跟蹤補償系統(tǒng)的運動和補償，如圖2、3所示，跟蹤補償系統(tǒng)23通過接口 38與二維微調平臺27相連接，控制系統(tǒng)26通過控制回轉驅動系統(tǒng)22來控制跟蹤補償系統(tǒng)23的回轉運動；如圖3所示，當控制系統(tǒng)26發(fā)出直線運動相關控制指令時，直線運動驅動系統(tǒng)31按照指令運動，實現(xiàn)安裝于托板35之下的傳動螺母37的直線運動，托板35同時與直線導軌34相連接，從而保證了安裝在托板35之上的重力補償裝置36的直線運動特性；同時，重力補償裝置36根據(jù)控制系統(tǒng)26發(fā)出的指令進行補償力的調節(jié)，并進行吊索的收放，實現(xiàn)對俯仰運動的跟蹤。通過對跟蹤補償系統(tǒng)23的回轉運動和重力補償裝置36相對于回轉架32的直線運動以及繩索的收放運動的控制，實現(xiàn)對機械臂回轉和俯仰運動的跟蹤，通過重力補償裝置36對繩索拉力的控制，實現(xiàn)機械臂25微低重力的補償。
[0032]以上對本發(fā)明創(chuàng)造的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明創(chuàng)造的實施范圍。凡依本發(fā)明創(chuàng)造申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明創(chuàng)造的專利涵蓋范圍之內。
【權利要求】
1.一種防干涉微低重力補償系統(tǒng)，其特征在于:包括支撐架(21)、跟蹤補償系統(tǒng)(23)、回轉驅動系統(tǒng)(22)、懸吊裝置(24)和控制系統(tǒng)(26)，所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)安裝于所述支撐架(21)的頂部并可自轉，所述回轉驅動系統(tǒng)(22)設置于所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)和所述支撐架(21)之間并為所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)提供自轉動力，所述懸吊裝置(24)的上端連接于所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)的底部并可相對于后者做直線運動，所述懸吊裝置(24)的下端連接機械臂(25)，所述控制系統(tǒng)(26)分別與所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)和懸吊裝置(24)相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的微低重力補償系統(tǒng)，其特征在于:所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)包括回轉平臺(32)、重力補償系統(tǒng)和直線運動系統(tǒng)，所述回轉平臺(32)的頂部通過安裝接口(38)連接所述支撐架(21)，所述直線運動系統(tǒng)設置于所述回轉平臺(32)的底部并可相對于所述回轉平臺(32)做直線運動，所述重力補償系統(tǒng)固接于所述直線運動系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的微低重力補償系統(tǒng)，其特征在于:所述重力補償系統(tǒng)為主動重力補償，其包括重力補償裝置(36)和繩索收放裝置，所述繩索收放裝置連接所述懸吊裝置(24)，所述重力補償裝置(36)為所述繩索收放裝置提供動力。
4.根據(jù)權利要求2所述的微低重力補償系統(tǒng)，其特征在于:所述直線運動系統(tǒng)包括直線導軌(34)、托板(35)和傳動絲杠(33)，所述直線導軌(34)設置于所述回轉平臺(32)的底部，所述傳動絲杠(33)安裝于所述直線導軌(34)的徑向，所述托板(35)的底部設置有與所述傳動絲杠(33)相配合的傳動螺母(37)，所述托板(35)的底部通過接口連接所述直線導軌(34)且可相對于后者做直線運動； 還包括直線運動驅動系統(tǒng)(31)，其安裝于所述傳動絲杠(33)的端部并帶動所述傳動絲杠(33)轉動，為所述托板(35)的直線運動提供動力； 所述重力補償系統(tǒng)固接于所述托板(35)上。
5.根據(jù)權利要求4所述的微低重力補償系統(tǒng)，其特征在于:所述回轉平臺(32)的底部設置有兩個相互平行的直線運動系統(tǒng)，兩個托板(35)上均固接有重力補償系統(tǒng)，所述重力補償系統(tǒng)均連接有懸吊裝置(24)。
6.根據(jù)權利要求1所述的微低重力補償系統(tǒng)，其特征在于:還包括二維微調平臺(27)，所述二維微調平臺(27)設置于所述支撐架(21)的頂部并可相對于所述支撐架(21)做X、Y方向運動，所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)連接于所述二維微調平臺(27)。
7.根據(jù)權利要求1所述的微低重力補償系統(tǒng)，其特征在于:所述懸吊裝置(24)包括吊索(39)和轉接工裝，所述吊索(39)的上端連接所述跟蹤補償系統(tǒng)(23)，所述吊索(39)的下端通過轉接工裝連接機械臂(25)，所述吊索(39)上設置有用于檢測吊索拉力的力學傳感器和檢測吊索角度的傾角傳感器。
【文檔編號】B64G7/00GK104129510SQ201410406513
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權日:2014年8月18日
【發(fā)明者】冉江南, 陳建鵬, 劉鵬, 莫麗東 申請人:天津航天機電設備研究所