CN105345841A - 一种空间机械臂气浮支撑装置 - Google Patents

Abstract

一种空间机械臂平面运动的气浮支撑装置，涉及气浮支撑装置领域，包括平面气足组件、力传感器、直线轴承弹簧组件、滚轮组件、臂杆放置圆环、第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板和滚轮安装板；提供一种空间机械臂气浮支撑装置，模拟空间机械臂微重力环境试验使用。力传感器通过对上下板压力的感知，判断机械臂是否可靠的把重心落在该气浮支撑装置上；直线轴承导轨组件可以使机械臂在运动中在上下合理位置范围内微弱运动，自动补偿不期望的垂直方向运动，且保证其永远处于水平状态；滚轮组件使机械臂臂杆实现微弱摩擦滚转运动。

Description

一种空间机械臂气浮支撑装置

技术领域

本发明涉及一种气浮支撑装置领域，特别是涉及一种空间机械臂平面运动的气浮支撑装置。

背景技术

空间机械臂工作在空间微重力环境中，其在地面试验及测试时会受到重力场的影响，为了验证空间机械臂方案设计的合理性，需要通过地面试验装置模拟空间微重力环境进行试验验证。气浮微重力试验装置基于气浮原理，利用装置本身喷射出高压气体，产生反作用力使得空间机械臂以非接触形式漂浮在气浮试验平台上，此时机械臂的运动可以近似模拟外太空环境下微重力、零摩擦的空间活动。气浮微重力试验的优点为装置制造周期短、成本低、易于实现等。空间机械臂气浮支撑装置为气浮微重力试验装置的一部分，通过气浮的方式支撑六自由度机械臂两个机械臂关节之间的臂杆，使其处于水平状态并具有滚转能力。

现有的气浮支撑装置技术中，气浮支撑装置仅仅为刚性连接支撑空间机械臂，因机械臂产品本身因安装误差和制造误差，使得机械臂运动过程中在其垂直方向会有微小的上下移动，刚性连接无法吃掉上下移动的位移量，必然造成机械臂产品承受弯矩，使空间机械臂产品造成应力损伤或损坏。

此外，现有气浮支撑装置技术中，无法对气浮支撑装置对机械臂是否可靠支撑进行判断，当产品因上下微小移动后，未可靠的把机械臂短臂杆的中心落在气浮支撑装置上时，容易使得试验结果不准确，另外，可能会因支撑装置上方承受重力太轻或太重，造成气浮支撑装置倾倒，从而造成机械臂产品不能有效支撑，致使产品损伤，安全性降低。

最后，现有气浮支撑装置技术中，一般采用滚动轴承对机械臂短臂杆进行支撑，虽然能够实现滚转运动，但滚动轴承因其内部复杂，滚转带来的摩擦力较大，无法较好模拟太空微重力环境。此外因滚动轴承为圆形封闭结构，无法实现机械臂产品和气浮支撑装置良好的连接和拆卸。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种空间机械臂气浮支撑装置，模拟空间机械臂微重力环境试验使用，实现对机械臂臂杆的水平支撑和滚转功能。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种空间机械臂气浮支撑装置，包括平面气足组件、力传感器、直线轴承弹簧组件、滚轮组件、臂杆放置圆环、第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板和滚轮安装板；其中第一安装板固定安装在平面气足组件的上端，力传感器固定安装在第一安装板的上端，第二安装板安装在力传感器的上端面，第三安装板固定安装在第二安装板的上端，第四安装板通过直线轴承弹簧组件与第三安装板固定连接，滚轮安装板固定设置在第四安装板的上部，臂杆放置圆环轴向水平固定在滚轮安装板上，臂杆放置圆环的下半圆环与外部空间机械臂的短壁杆固定连接，滚轮组件设置在臂杆放置圆环与滚轮安装板的连接处。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，所述臂杆放置圆环上设置导轨凹形槽，滚轮组件均匀嵌入在下半圆导轨凹形槽内。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，所述直线轴承弹簧组件包括直线导轨、弹簧和直线轴承；直线轴承固定安装在第三安装板的上部，直线导轨固定在直线轴承的上部，并穿过第四安装板，直线轴承与第四安装板之间设置有弹簧。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，所述弹簧套在直线轴承的凸台外侧，弹簧一端与直线轴承底座上表面接触，另一端与第四安装板下表面接触。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，所述平面气足组件包含n个平面气足，n个平面气足的中心均匀安装在第一安装板的圆周上，圆周直径为平面气足直径的1.2～1.5倍，所述n不小于3。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，平面气足直径为60-400mm，外部短臂杆直径为40-240mm。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，所述第一安装板为圆盘结构，直径为平面气足直径的1.8-2.5倍，厚为5-15mm；第二安装板为圆盘结构，直径为短臂杆直径的2-4倍，厚为5-15mm；第三安装板为圆盘结构，直径为短臂杆直径的2-4倍，厚为5-15mm。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，所述第四安装板为一端开口的口字型结构，开口一端位于侧面，并在拐角处设置有加强筋。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，所述滚轮组件包含m个滚轮m个滚轮均匀设置在臂杆放置圆环下部半圆环的圆周处，所述m为5-15中的奇数个。

在上述的一种空间机械臂气浮支撑装置，滚轮组件采用高摩擦系数弹性材料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用滚轮组件、直线轴承弹簧组件和平面气足组件的结合，提高了空间机械臂地面微重力试验的等效性，实现了地面气浮试验时，支撑六自由度空间机械臂的臂杆进行沿水平面方向和沿臂杆滚转方向的近似无摩擦运动；

(2)本发明采用了力传感器测量气浮支撑装置承受的力，并根据测量力的大小对空间机械臂短臂杆是否可靠支撑进行判读，提高了地面气浮试验装置的可靠性和试验产品的安全性；

(3)本发明采用了三组轴承弹簧组件、直线轴承导轨的设计结构，使机械臂臂杆的支撑力能够实时进行自调整补偿，提高了试验产品在水平面运动的安稳度和自适应性，防止了产品运动时，因自身制造安装误差使得运动不完全在同一个平面，造成机械臂承受应力损坏；

(4)本发明首次创造性的使用了滚轮安装方式，并采用了两半组合式的臂杆放置圆环，在实现气浮状态下机械臂臂杆的无摩擦滚转运动同时，实现了机械臂产品和气浮支撑装置良好的连接和拆卸。此结构设计方法简单，成本低、功能号且可靠性高。

附图说明

图1为本发明空间机械臂气浮支撑装置应用环境示意图；

图2为本发明空间机械臂气浮支撑装置组成示意图；

图3为本发明空间机械臂气浮支撑装置直线轴承导轨组件组成示意图；

图4为本发明空间机械臂气浮支撑装置滚轮安装结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明空间机械臂气浮支撑装置应用环境示意图，由图可知，空间机械臂气浮支撑装置用于在地面微重力环境模拟实验中支撑空间机械臂进行近似无摩擦运动，具体安装方法为将外部空间机械臂1的臂杆2穿入气浮支撑装置3的臂杆放置圆环8，从而支撑机械臂臂杆的运动。

如图2所示为本发明空间机械臂气浮支撑装置组成示意图，由图可知，空间机械臂气浮支撑装置包括平面气足组件4、力传感器5、直线轴承弹簧组件6、滚轮组件7、臂杆放置圆环8、第一安装板9、第二安装板10、第三安装板11、第四安装板12和滚轮安装板13；其中第一安装板9固定安装在平面气足组件4的上端，力传感器5固定安装在第一安装板9的上端，第二安装板10安装在力传感器5的上端面，第三安装板11固定安装在第二安装板10的上端，第四安装板12通过直线轴承弹簧组件6与第三安装板11固定连接，滚轮安装板13固定设置在第四安装板12的上部，臂杆放置圆环8轴向水平固定在滚轮安装板13上，臂杆放置圆环8的下半圆环与外部空间机械臂的短壁杆2固定连接，滚轮组件7设置在臂杆放置圆环8与滚轮安装板13的连接处。

所述平面气足组件4包含n个平面气足，n个平面气足的中心均匀安装在第一安装板9的圆周上，圆周直径为平面气足直径的1.2～1.5倍，所述n不小于3。

平面气足直径为60-400mm，外部短臂杆2直径为40-240mm。

第一安装板9为圆盘结构，直径为平面气足直径的1.8-2.5倍，厚为5-15mm；第二安装板10为圆盘结构，直径为短臂杆2直径的2-4倍，厚为5-15mm；第三安装板11为圆盘结构，直径为短臂杆2直径的2-4倍，厚为5-15mm。

第四安装板12为一端开口的口字型结构，开口一端位于侧面，并在拐角处设置有加强筋。

平面气足组件4通过螺纹连接安装在第一安装板9上，高压气体充入平面气足组件中，利用气足喷射在平面气足组件和水平面之间形成微小的气膜，使得整个装置悬浮在水平面上，从而当装置沿水平面运动时处于无摩擦状态。

力传感器5安装在第一安装板9与第二安装板10之间，可用来检测两个安装板之间的压力。当机械臂气浮支撑装置因故障、平面气足组件与水平面之间距离改变或其它原因使其对机械臂臂杆失去支撑作用，臂杆重心未充分落在此装置上，必然造成力传感器5检测的压力值减少，此时，控制***采集力传感器5信号，并报警提示并需要排除故障；当机械臂因故障原因受到向下的外力，使得臂杆不再处于水平状态，从而导致力传感器压力值过大，同样会报警提示并需要排除故障。

如图3所示为本发明空间机械臂气浮支撑装置直线弹簧导轨组件组成示意图，由图可知，直线轴承弹簧组件6包括直线导轨14、弹簧15和直线轴承16；直线轴承16固定安装在第三安装板11的上部，直线导轨14固定在直线轴承16的上部，并穿过第四安装板12，直线轴承16与第四安装板12之间设置有弹簧15，弹簧15套在直线轴承16的凸台外侧，弹簧15一端与直线轴承16底座上表面接触，另一端与第四安装板12下表面接触。弹簧套在直线导轨上。直线轴承、直线导轨用于导向，使得该装置一直处于水平状态，不倾覆；弹簧提供足够的预紧弹力支撑该装置。该组件可以使机械臂在运动中在上下合理位置范围内微弱运动，且保证其永远处于水平状态，使重力均匀的落在该气浮装置上。

如图4所示本发明空间机械臂气浮支撑装置滚轮组件结构图，由图可知，臂杆放置圆环8上设置导轨凹形槽17，滚轮组件7均匀嵌入在导轨凹形槽17内，臂杆放置圆环8通过滚轮组件7与滚轮安装板13连接，形成一个滚动轨道。当机械臂臂杆沿轴向滚转运动时，臂杆放置圆环凹形槽卡在滚轮上旋转，因为滚动摩擦及其微小，可认为近乎认为无摩擦运动。当机械臂臂杆在水平面内移动时，因导轨凹形槽17与滚轮组件7的配合作用会带动滚轮安装板13随臂杆运动；因气浮支撑装置在水平面内的运动无摩擦作用，因此整个装置在支持臂杆近似无摩擦滚转运动的同时，可随臂杆在水平面内无摩擦运动。

滚轮组件7包含m个滚轮m个滚轮均匀设置在臂杆放置圆环8下部半圆环的圆周处，所述m为5-15中的奇数个。

滚轮组件7采用高摩擦系数弹性材料。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：包括平面气足组件(4)、力传感器(5)、直线轴承弹簧组件(6)、滚轮组件(7)、臂杆放置圆环(8)、第一安装板(9)、第二安装板(10)、第三安装板(11)、第四安装板(12)和滚轮安装板(13)；其中第一安装板(9)固定安装在平面气足组件(4)的上端，力传感器(5)固定安装在第一安装板(9)的上端，第二安装板(10)安装在力传感器(5)的上端面，第三安装板(11)固定安装在第二安装板(10)的上端，第四安装板(12)通过直线轴承弹簧组件(6)与第三安装板(11)固定连接，滚轮安装板(13)固定设置在第四安装板(12)的上部，臂杆放置圆环(8)轴向水平固定在滚轮安装板(13)上，臂杆放置圆环(8)的下半圆环与外部空间机械臂的短壁杆(2)固定连接，滚轮组件(7)设置在臂杆放置圆环(8)与滚轮安装板(13)的连接处。

2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：所述臂杆放置圆环(8)上设置导轨凹形槽(17)，滚轮组件(7)均匀嵌入在下半圆导轨凹形槽(17)内。

3.根据权利要求1所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：所述直线轴承弹簧组件(6)包括直线导轨(14)、弹簧(15)和直线轴承(16)；直线轴承(16)固定安装在第三安装板(11)的上部，直线导轨(14)固定在直线轴承(16)的上部，并穿过第四安装板(12)，直线轴承(16)与第四安装板(12)之间设置有弹簧(15)。

4.根据权利要求2所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：所述弹簧(15)套在直线轴承(16)的凸台外侧，弹簧(15)一端与直线轴承(16)底座上表面接触，另一端与第四安装板(12)下表面接触。

5.根据权利要求1所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：所述平面气足组件(4)包含n个平面气足，n个平面气足的中心均匀安装在第一安装板(9)的圆周上，圆周直径为平面气足直径的1.2～1.5倍，所述n不小于3。

6.根据权利要求4所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：平面气足直径为60-400mm，外部短臂杆(2)直径为40-240mm。

7.根据权利要求4所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：所述第一安装板(9)为圆盘结构，直径为平面气足直径的1.8-2.5倍，厚为5-15mm；第二安装板(10)为圆盘结构，直径为短臂杆(2)直径的2-4倍，厚为5-15mm；第三安装板(11)为圆盘结构，直径为短臂杆(2)直径的2-4倍，厚为5-15mm。

8.根据权利要求1所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：所述第四安装板(12)为一端开口的口字型结构，开口一端位于侧面，并在拐角处设置有加强筋。

9.根据权利要求1所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：所述滚轮组件(7)包含m个滚轮m个滚轮均匀设置在臂杆放置圆环(8)下部半圆环的圆周处，所述m为5-15中的奇数个。

10.根据权利要求1所述的一种空间机械臂气浮支撑装置，其特征在于：滚轮组件(7)采用高摩擦系数弹性材料。