CN104325460A - 多关节空间机械臂微低重力模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多关节空间机械臂微低重力模拟方法,包括位姿测定环节、随动跟踪环节和重力补偿环节。通过位姿测定环节、随动跟踪环节和重力补偿环节,实现了多关节空间机械臂的微低重力试验空间的模拟,通过随动跟踪***的回转运动和直线运动实现了对空间机械臂的偏航运动和俯仰运动的跟踪,重力补偿***则为空间机械臂的运动提供了主动重力补偿,保证了空间机械臂在动作过程中受到的合力为定值,且满足空间机械臂在试验空间中的各力学参数与其在太空中的力学参数相一致。
Description
技术领域
本发明属于航天技术领域,尤其是涉及一种模拟太空中零重力的方法。
背景技术
为了使航天器在轨运行安全,需要在航天器发射以前,对航天器的各个组件在地面进行大量的试验验证,从而保证航天器的运行可靠和使用安全。其中在组成航天器的硬件中,有一种多关节空间机械臂的硬件,这种硬件在轨运行时,要完成大量的空间任务,所以这类硬件在地面装配和测试阶段要进行大量的模拟太空运行环境的试验,这就给地面测试提出了很大的挑战,不仅要模拟太空中微低重力的工作环境,而且要适应不同的工况,并且适应一定范围的航天器姿态变化和负载变化,同时不能与其它设备干涉,不能影响其它设备的运动空间,干扰其他设备的正常工作。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种多关节空间机械臂微低重力模拟方法,不仅可以为多关节空间机械臂提供微低重力的试验环境,而且能够保证多关节空间机械臂在试验环境中的各力学参数与其在太空中的各力学参数相一致。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:多关节空间机械臂微低重力模拟方法,包括位姿测定环节、随动跟踪环节和重力补偿环节:
位姿测定环节:采用高精度位置测量传感器跟踪多关节空间机械臂的臂杆位置,并通过空间解算原理解算多关节空间机械臂的位置及姿态,接着,求解出随动跟踪***与空间机械臂之间的跟踪偏差量,之后将跟踪偏差量输入到控制器中;
随动跟踪环节:控制器根据接收到的跟踪偏差量控制随动跟踪***做随动跟踪运动,消除跟踪偏差量;
重力补偿环节:控制器在控制随动跟踪***运动的同时,根据多关节空间机械臂在重力方向上的姿态控制其上方的重力补偿***对其进行主动重力补偿;
重复所述三个环节,维持空间机械臂在运动过程中所受的合力为定值。
其中,位姿测定环节中,将高精度位置测量传感器安装在多关节空间机械臂的关节处。
其中,随动跟踪环节中,随动跟踪运动包括回转运动和直线运动,回转运动用于对空间机械臂偏航动作的随动跟踪,其通过随动跟踪***的自转实现;直线运动用于对空间机械臂俯仰动作的随动跟踪,随动跟踪***安装有两条相互平行的直线导轨,两套重力补偿***沿所述直线导轨实现直线运动。
进一步,随动跟踪***设置有两个追踪器,两个追踪器各连接一套重力补偿***,通过解算追踪器与其下方的高精度位置测量传感器的位置关系,计算出跟踪偏差量。
进一步,设追踪器A的坐标为O4X4Y4Z4,追踪器B的坐标为O3X3Y3Z3,空间机械臂的关节A的坐标为OXYZ,关节B的坐标为O1X1Y1Z1,关节C的坐标为O2X2Y2Z2:追踪器A处的重力补偿***连接关节B并提供一个向上的拉力F1;追踪器B处的重力补偿***连接关节C并提供一个向上的拉力F2,F2对关节B的坐标O1X1Y1Z1取力矩M2,所述F1与F2的合力对关节A(12)的坐标OXYZ取力矩M1;在空间机械臂运动过程中,通过高精度位置测量传感器及追踪器A、B检测各坐标的位置,并解算O4X4Y4Z4和O1X1Y1Z1、O3X3Y3Z3和O2X2Y2Z2之间的跟踪偏差量,将跟踪偏差量传递至控制器中,由控制器控制随动跟踪***和重力补偿***,保持M1、M2的值恒定。
其中,重力补偿***由驱动马达、拉力机构、悬吊装置、相关传动和支撑部件组成,并且配有工控机用来各***之间的通信联络,其中,悬吊装置包括绳索、避让悬杆、特制旋转机构以及拉力传感器,悬吊装置的上端通过绳索与拉力机构进行连接,其下端与特制旋转机构连接,特制旋转机构安装在机械臂上。
进一步,重力补偿环节中,重力补偿***利用其上的拉力传感器测得的拉力数值,并且反馈到拉力机构进行拉力的调节,保证关节式机械臂在重力方向的合力为零。
其中,重力补偿***在关节式机械臂上的重力补偿点采用单点和双点过质心悬吊相结合的方式。
本发明具有的优点和积极效果是:通过位姿测定环节、随动跟踪环节和重力补偿环节,实现了多关节空间机械臂的微低重力试验空间的模拟,通过随动跟踪***的回转运动和直线运动实现了对空间机械臂的偏航运动和俯仰运动的跟踪,重力补偿***则为空间机械臂的运动提供了主动重力补偿,保证了空间机械臂在动作过程中受到的合力为需要的定值,且满足空间机械臂在试验空间中的各力学参数与其在太空中的力学参数相一致。
附图说明
图1是多关节空间机械臂的结构示意图
图2是本发明的工作原理示意图
图3是本发明中各检测点的坐标示意图
图中:11-基座,12-关节A,13-关节B,14-臂杆A,15-关节C,16-臂杆B;
1-随动跟踪***,2-重力补偿***,3-追踪器A,4-追踪器B
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
关节式空间机械臂包括顺序相接的基座11、关节A12、关节B13、臂杆A14、关节C15及臂杆B16,关节式空间机械臂可通过关节A、B实现偏航运动和俯仰运动。
本多关节空间机械臂微低重力模拟方法在微低重力补偿***下实现,微低重力补偿***包括支撑架、可自转的随动跟踪***、悬吊装置和控制***,跟踪补偿***安装于支撑架的顶部,悬吊装置的上端连接于跟踪补偿***的底部并可相对于后者做直线运动,悬吊装置的下端连接机械臂,控制器分别与随动跟踪***和悬吊装置电连接,悬吊装置的顶部连接有重力补偿***。
多关节空间机械臂微低重力模拟方法,包括位姿测定环节、随动跟踪环节、和重力补偿环节:
位姿测定:采用高精度位置测量传感器跟踪多关节空间机械臂的臂杆位置,接着,通过空间解算原理解算多关节空间机械臂的位置及姿态,并求解出随动跟踪***1与空间机械臂之间的跟踪偏差量,之后将跟踪偏差量输入到控制器中;
随动跟踪:控制器根据接收到的跟踪偏差量控制随动跟踪***1做随动跟踪运动,消除跟踪偏差;
重力补偿:控制器在控制随动跟踪***1运动的同时,根据多关节空间机械臂在重力方向上的姿态控制其上方的重力补偿***2对其进行主动重力补偿;
重复所述三个环节,维持空间机械臂在运动过程中所受的合力为所需要的一个定值。
为了更精准地跟踪多关节空间机械臂的臂杆位置,位姿测定环节中将高精度位置测量传感器安装在多关节空间机械臂的关节处。
控制器实现本模拟方法中的自动化控制,接受到跟踪偏差量后,发出控制信号,控制随动跟踪***1和重力补偿***2动作,消除跟踪偏差并为多关节空间机械臂提供主动重力补偿。
随动跟踪环节中,随动跟踪运动包括回转运动和直线运动,回转运动用于对空间机械臂偏航动作的随动跟踪,其通过随动跟踪***的自转实现;直线运动用于对空间机械臂俯仰动作的随动跟踪,随动跟踪***1安装两条相互平行的直线导轨,两套重力补偿***2沿所述直线导轨实现直线运动。
为了实现大范围、快速、高精度的跟踪,同时结合多关节空间机械臂的运动特性,随动跟踪***1设置有两个追踪器,两个追踪器各连接一重力补偿***2,通过解算追踪器与其下方的高精度位置测量传感器的位置关系,计算出跟踪偏差量。
重力补偿***2由驱动马达、拉力机构、悬吊装置、相关传动和支撑部件组成,并且配有工控机用来各***之间的通信联络。其中,悬吊装置主要包括绳索、避让悬杆、特制旋转机构以及拉力传感器,悬吊装置的上端通过绳索与拉力机构进行连接,其下端与特制旋转机构连接,特制旋转机构安装在机械臂上。特制旋转机构采用万向十字轴的原理,可以实现绕X轴和Y轴转动,即可以实现绕空间机械臂轴向和径向转动,确保吊点力始终通过空间机械臂轴线与悬吊装置的交点。特制旋转机构采用拆分形式,以便于机械臂进行连接,其中特制旋转机构的内圈与机械臂连接,悬吊装置吊装于特制旋转机构侧边吊轴处。
重力补偿***2在运行过程中主动对悬吊装置进行拉力控制,使悬吊装置的拉力始终满足要求,并且保持悬索的垂直拉紧状态,其在空间机械臂上的连接点为关节B、C(13,15)处。该方式是利用位于绳索上的拉力传感器测得的拉力数值做为反馈,并且利用同轴布置的电机等组成的拉力机构进行绳拉力的调节,保证悬索提供的拉力始终满足要求。同时为了避免多关节空间机械臂运动过程中出现悬吊装置与机械臂的干涉情况,满足机械臂全过程运动的模拟,并产生尽量小的附加力(力矩),保证补偿精度,重力补偿***在关节式机械臂上的重力补偿点采用单点和双点过质心悬吊相结合的方式,即两套重力补偿***分别采用单点过质心和双点过质心悬吊关节式机械臂。
考虑到空间机械臂的运动主要包括偏航运动和俯仰运动,其展开动作复杂,同时空间机械臂两臂杆间距很小,综合以上述因素,导致悬吊装置容易与机械臂发生干涉,所以悬吊装置设有不规则形状的避让悬杆,以确保绳索与机械臂无干涉。
微低重力的模拟过程如图3所示:
设追踪器A3的坐标为O4X4Y4Z4,追踪器B4的坐标为O3X3Y3Z3,关节A12的坐标为OXYZ,关节B13的坐标为O1X1Y1Z1,关节C15的坐标为O2X2Y2Z2:
静止状态:空间机械臂处于静止状态时,追踪器A3的坐标O4X4Y4Z4处的重力补偿***,通过绳索与空间机械臂关节B13的坐标O1X1Y1Z1连接,并且提供一个向上的拉力F1,使拉力F1和下面提到的拉力F2的合力对关节A12的坐标OXYZ取力矩M1,使得这个力矩M1保持一个恒定的数值。同理,追踪器B4的坐标O3X3Y3Z3上的重力补偿***,通过绳索与关节C15的坐标O2X2Y2Z2连接,并且同时提供一个向上的拉力F2,使拉力F2对关节B13的坐标O1X1Y1Z1取力矩M2,使得这个力矩M2保持一个恒定的数值。本发明中的随动跟踪运动即是保持力矩M1和M2保持数值恒定,不随机械臂的运动而改变。
运动状态:在空间机械臂的运动过程中,坐标O1X1Y1Z1和坐标O4X4Y4Z4、坐标O2X2Y2Z2和坐标O3X3Y3Z3,会产生相对错位(就是绳索与垂直方向产生了相对的夹角),为了消除这一错位(夹角),保持力矩M1和M2数值恒定,就要测量坐标OXYZ、坐标O1X1Y1Z1和坐标O4X4Y4Z4三者之间的位置关系并解算出追踪器A3的错位(夹角)的方向和大小,同理通过测量坐标OXYZ、坐标O1X1Y1Z1、坐标O3X3Y3Z3和坐标O2X2Y2Z2四者之间的位置关系并解算出追踪器B4的错位(夹角)的方向和大小,结算所得的数值即为跟踪偏差量,跟踪偏差量传送到控制器后,控制器根据这些数值解算出追踪器A3和追踪器B4的运动数值,从而控制随动跟踪***1上的追踪器A3和追踪器B4的运动,消除这一错位(夹角),及消除跟踪偏差。另外,为了保持M1和M2数值恒定,消除错位(夹角)的同时,结合错位(夹角)的方向和大小,控制器控制追踪器A3和追踪器B4的重力补偿***2的向上拉力F1,和F2大小,使得力矩M1和M2始终保持一个恒定的数字。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:包括位姿测定环节、随动跟踪环节和重力补偿环节:
位姿测定环节:采用高精度位置测量传感器跟踪多关节空间机械臂的臂杆位置,并通过空间解算原理解算多关节空间机械臂的位置及姿态,接着,求解出随动跟踪***(1)与空间机械臂之间的跟踪偏差量,之后将跟踪偏差量输入到控制器中;
随动跟踪环节:控制器根据接收到的跟踪偏差量控制随动跟踪***(1)做随动跟踪运动,消除跟踪偏差量;
重力补偿环节:控制器在控制随动跟踪***(1)运动的同时,根据空间机械臂在重力方向上的姿态控制其上方的重力补偿***(2)对其进行主动重力补偿;
重复所述三个环节,维持空间机械臂在运动过程中所受的合力为定值。
2.根据权利要求1所述的多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:位姿测定环节中,将高精度位置测量传感器安装在多关节空间机械臂的关节处。
3.根据权利要求1所述的多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:随动跟踪环节中,随动跟踪运动包括回转运动和直线运动,回转运动用于对空间机械臂偏航动作的随动跟踪,其通过随动跟踪***的自转实现;直线运动用于对空间机械臂俯仰动作的随动跟踪,随动跟踪***(1)安装有两条相互平行的直线导轨,两套重力补偿***(2)沿所述直线导轨实现直线运动。
4.根据权利要求3所述的多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:随动跟踪***(1)设置有两个追踪器,两个追踪器各连接一套重力补偿***(2),通过解算追踪器与其下方的高精度位置测量传感器的位置关系,计算出跟踪偏差量。
5.根据权利要求4所述的多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:设追踪器A(3)的坐标为O4X4Y4Z4,追踪器B(4)的坐标为O3X3Y3Z3,空间机械臂的关节A(12)的坐标为OXYZ,关节B(13)的坐标为O1X1Y1Z1,关节C(15)的坐标为O2X2Y2Z2:
追踪器A(3)处的重力补偿***连接关节B(13)并提供一个向上的拉力F1;追踪器B(4)处的重力补偿***连接关节C(15)并提供一个向上的拉力F2,F2对关节B(13)的坐标O1X1Y1Z1取力矩M2,所述F1与F2的合力对关节A(12)的坐标OXYZ取力矩M1;在空间机械臂运动过程中,通过高精度位置测量传感器及追踪器A、B(3,4)检测各坐标的位置,并解算O4X4Y4Z4和O1X1Y1Z1、O3X3Y3Z3和O2X2Y2Z2之间的跟踪偏差量,将跟踪偏差量传递至控制器中,由控制器控制随动跟踪***(1)和重力补偿***(2),保持M1、M2的值恒定。
6.根据权利要求1所述的多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:重力补偿***(2)由驱动马达、拉力机构、悬吊装置、相关传动和支撑部件组成,并且配有工控机用来各***之间的通信联络,其中,悬吊装置包括绳索、避让悬杆、特制旋转机构以及拉力传感器,悬吊装置的上端通过绳索与拉力机构进行连接,其下端与特制旋转机构连接,特制旋转机构安装在空间机械臂上。
7.根据权利要求6所述的多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:重力补偿环节中,重力补偿***(2)利用其上的拉力传感器测得的拉力数值,并且反馈到拉力机构进行拉力的调节,保证关节式机械臂在重力方向的合力为零。
8.根据权利要求1所述的多关节空间机械臂微低重力模拟方法,其特征在于:重力补偿***(2)在关节式机械臂上的重力补偿点采用单点和双点过质心悬吊相结合的方式。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant |