一種用于模擬多剛體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間微低重力補(bǔ)償方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種用于模擬多剛體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間微低重力補(bǔ)償方法，在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)懸吊裝置上的吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)懸吊裝置中吊索的偏角，同時(shí)，通過(guò)懸吊裝置上的力傳感器試試監(jiān)測(cè)吊索對(duì)機(jī)械臂的補(bǔ)償力，將偏角數(shù)值和補(bǔ)償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應(yīng)的位置跟蹤運(yùn)動(dòng)以縮小偏角至允許誤差內(nèi)，重力補(bǔ)償系統(tǒng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償力的大小以縮小補(bǔ)償力的變化量至允許誤差內(nèi)。本補(bǔ)償方法，不僅可以為多剛體機(jī)械臂提供月球表面微低重力的力學(xué)試驗(yàn)空間，而且從根本上解決了在地面力學(xué)環(huán)境條件下模擬月球力學(xué)環(huán)境的難題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種用于模擬多剛體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間微低重力補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間微低重力補(bǔ)償【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種模擬月球表面微低重力的補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在我國(guó)探月工程不斷取得成功之后，月球表面采樣活動(dòng)將成為我國(guó)航天未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)，所以開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究和分析將成為下一步工作的重點(diǎn)，其中模擬月球表面微低重力環(huán)境，為后續(xù)相關(guān)模擬月球力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)提供技術(shù)保障是其中的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容之一，而多剛體機(jī)械臂地面環(huán)境微低重力模擬就是其中典型的代表。多剛體機(jī)械臂是由多個(gè)剛體通過(guò)不同自由度串聯(lián)而成的剛體系統(tǒng)，其顯著的特征就是自由度運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，為了在地面環(huán)境條件下模擬其月球表面力學(xué)環(huán)境，為多剛體機(jī)械臂地面試驗(yàn)和測(cè)試提供較為真實(shí)的月球表面工作力學(xué)環(huán)境，從而模擬驗(yàn)證多剛體機(jī)械臂在月球環(huán)境下的全運(yùn)動(dòng)過(guò)程。本發(fā)明就是針對(duì)以上問(wèn)題，而提出的一種全新的空間微低重力補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法，該方法可以有效的模擬月球表面的微低重力環(huán)境，從而保證了多剛體機(jī)械臂在全過(guò)程的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)始終保持在微低重力的試驗(yàn)環(huán)境下。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種用于模擬多剛體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間微低重力補(bǔ)償方法，不僅可以為多剛體機(jī)械臂提供月球表面微低重力的力學(xué)試驗(yàn)空間，而且從根本上解決了在地面力學(xué)環(huán)境條件下模擬月球力學(xué)環(huán)境的難題。
[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種用于模擬多剛體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間微低重力補(bǔ)償方法，包括以下步驟:
[0005]S1.通過(guò)懸吊裝置將機(jī)械臂懸吊連接于位置跟蹤系統(tǒng)，在機(jī)械臂未運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置中的吊索處于鉛直狀態(tài)；
[0006]S2.機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置上的吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)懸吊裝置中吊索的偏角，吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)將偏角數(shù)值傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應(yīng)的位置跟蹤運(yùn)動(dòng)以縮小偏角至允許誤差內(nèi)；
[0007]S3.機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置上的力傳感器試試監(jiān)測(cè)吊索對(duì)機(jī)械臂的補(bǔ)償力，并將補(bǔ)償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，當(dāng)補(bǔ)償力的變化量超出允許的誤差時(shí)，綜控系統(tǒng)控制重力補(bǔ)償系統(tǒng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償力的大小以縮小補(bǔ)償力的變化量至允許誤差內(nèi)；
[0008]S2和S3同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置跟蹤和重力補(bǔ)償。
[0009]其中，懸吊裝置懸吊連接于機(jī)械臂的質(zhì)心。
[0010]其中，吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)采用十字軸原理，其包括角度傳感器，吊索￠)的頂端與十字軸的一對(duì)轉(zhuǎn)軸連接，十字軸的另一對(duì)轉(zhuǎn)軸鉸接于重力補(bǔ)償系統(tǒng)且安裝有角度傳感器。
[0011]其中，機(jī)械臂的兩條臂桿分別設(shè)置有用于連接吊索下端的吊點(diǎn)，機(jī)械臂的內(nèi)臂桿上設(shè)置雙側(cè)吊點(diǎn)，機(jī)械臂的外臂桿上設(shè)置單側(cè)吊點(diǎn)。
[0012]進(jìn)一步，懸吊裝置還包括設(shè)置于吊索和機(jī)械臂之間的避讓機(jī)構(gòu)和萬(wàn)向軸承，吊索的下端連接于避讓機(jī)構(gòu)，避讓機(jī)構(gòu)的下端通過(guò)萬(wàn)向軸承連接機(jī)械臂上的吊點(diǎn)。
[0013]進(jìn)一步，位置跟蹤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括直角式跟蹤平臺(tái)和極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)，直角式跟蹤平臺(tái)跟蹤內(nèi)臂桿的運(yùn)動(dòng)，極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)跟蹤外臂桿的運(yùn)動(dòng)，且與內(nèi)臂桿相接的吊索穿過(guò)極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)的Z軸，與外臂桿相接的吊索連接直角式跟蹤平臺(tái)。
[0014]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0015]1、吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)采用十字軸的測(cè)量方法，對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偏角進(jìn)行檢測(cè)和反饋，進(jìn)而通過(guò)綜控系統(tǒng)進(jìn)行位置跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)時(shí)性好、控制簡(jiǎn)捷；
[0016]2、懸吊裝置與機(jī)械臂連接分別采用雙側(cè)懸吊和單側(cè)懸吊的連接方式，可以解決機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由合攏狀態(tài)到展開(kāi)狀態(tài)出現(xiàn)的吊點(diǎn)位置突變的情況；
[0017]3、位置跟蹤系統(tǒng)的直角式跟蹤平臺(tái)和極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)，用于跟蹤內(nèi)臂桿和外臂桿的運(yùn)動(dòng)，且內(nèi)臂桿的吊索從極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)的中心穿過(guò)，此方法可以實(shí)現(xiàn)吊索在位置跟蹤系統(tǒng)上的吊點(diǎn)任意移動(dòng)，而多個(gè)吊點(diǎn)之間不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)示意圖
[0019]圖2是吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理圖
[0020]圖3是吊索與機(jī)械臂的吊點(diǎn)位置示意圖
[0021]圖4是吊索與機(jī)械臂的連接結(jié)構(gòu)示意圖
[0022]圖中:1-機(jī)械臂，11-內(nèi)臂桿，12-外臂桿，2-懸吊裝置，21-避讓機(jī)構(gòu)，22-萬(wàn)向軸承，3-重力補(bǔ)償系統(tǒng)，4-極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)，5-直角式跟蹤平臺(tái)，6-吊索
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]本方法在空間微低重力補(bǔ)償系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)，空間微低重力補(bǔ)償系統(tǒng)包括支撐架；安裝于支撐架上層平臺(tái)的位置跟蹤系統(tǒng)，位置跟蹤系統(tǒng)包括可相對(duì)于上層平臺(tái)的X、Y方向運(yùn)動(dòng)的直角式跟蹤平臺(tái)，安裝于直角式跟蹤平臺(tái)的下方且可自轉(zhuǎn)或隨所述直角式跟蹤平臺(tái)在X、Y方向運(yùn)動(dòng)的極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)；安裝于直角式跟蹤平臺(tái)的頂部和所述極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)的底部的重力補(bǔ)償系統(tǒng)，連接重力補(bǔ)償系統(tǒng)和機(jī)械臂的懸吊裝置及用于監(jiān)控上述部件的綜控系統(tǒng)。懸吊裝置上設(shè)置有吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)。
[0025]如圖1所示，一種用于模擬多剛體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間微低重力補(bǔ)償方法，包括以下步驟:
[0026]S1.通過(guò)懸吊裝置2將機(jī)械臂I懸吊連接于位置跟蹤系統(tǒng)，在機(jī)械臂I未運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置2中的吊索6處于鉛直狀態(tài)；
[0027]S2.機(jī)械臂I運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置2上的吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)懸吊裝置2中吊索6的偏角，吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)將偏角數(shù)值傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應(yīng)的位置跟蹤運(yùn)動(dòng)以縮小偏角至允許誤差內(nèi)；
[0028]S3.機(jī)械臂I運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置2上的力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊索62對(duì)機(jī)械臂I的補(bǔ)償力，并將補(bǔ)償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，當(dāng)補(bǔ)償力的變化量超出允許的誤差時(shí)，綜控系統(tǒng)控制重力補(bǔ)償系統(tǒng)3調(diào)節(jié)補(bǔ)償力的大小以縮小補(bǔ)償力的變化量至允許誤差內(nèi)；
[0029]S2和S3同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂I運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置跟蹤和重力補(bǔ)償。
[0030]吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)的作用是監(jiān)測(cè)吊索6的偏角，構(gòu)成位置閉環(huán)，其構(gòu)成包括十字軸和角度傳感器，吊索6的頂端與十字軸的一對(duì)轉(zhuǎn)軸連接，十字軸的另一對(duì)轉(zhuǎn)軸鉸接于重力補(bǔ)償系統(tǒng)且安裝有角度傳感器，當(dāng)?shù)跛鲀A斜式，帶動(dòng)十字軸轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器可監(jiān)測(cè)傾斜的角度。通過(guò)角度傳感器的監(jiān)測(cè)，結(jié)合空間幾何的方法來(lái)解算機(jī)械臂的位置及姿態(tài)，求解吊索6的偏角，其原理如圖2所示，偏角α和β為吊索在與水平面垂直的平面內(nèi)與鉛垂線(xiàn)的夾角。
[0031]位置跟蹤系統(tǒng)的作用是保持吊索6鉛垂，其包括極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)4和直角式跟蹤平臺(tái)5，直角式跟蹤平臺(tái)5跟蹤內(nèi)臂桿11的運(yùn)動(dòng)，極坐標(biāo)平臺(tái)5跟蹤外臂桿12的運(yùn)動(dòng)，且與內(nèi)臂桿11相接的吊索穿過(guò)極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)4的Z軸，與外臂桿12相接的吊索連接直角式跟蹤平臺(tái)5。本方法可以實(shí)現(xiàn)吊索6在位置跟蹤系統(tǒng)上的兩個(gè)吊點(diǎn)任意移動(dòng)，而不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
[0032]重力補(bǔ)償系統(tǒng)3可以控制吊索6拉力，其包括力矩電機(jī)，拉力機(jī)構(gòu)、傳感器、相關(guān)傳動(dòng)和支撐部件組成。重力補(bǔ)償系統(tǒng)3設(shè)置于吊索6的上端位置，控制吊索6的伸縮，具有工作過(guò)程中拉力可調(diào)的特性，從而可以適應(yīng)機(jī)械臂I不同工況下的工作要求。
[0033]懸吊裝置2用于連接機(jī)械臂I和重力補(bǔ)償系統(tǒng)3，其還包括設(shè)置于吊索6和機(jī)械臂I之間的避讓機(jī)構(gòu)21和萬(wàn)向軸承22，吊索6的下端連接于避讓機(jī)構(gòu)21，避讓機(jī)構(gòu)21的下端通過(guò)萬(wàn)向軸承22連接機(jī)械臂I上的吊點(diǎn)。使用萬(wàn)向軸承22的目的是使懸吊裝置2可以適應(yīng)機(jī)械臂I的不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程。使用避讓機(jī)構(gòu)21的目的是防止出現(xiàn)懸吊裝置2與機(jī)械臂I產(chǎn)生干涉的情況出現(xiàn)，因?yàn)樵跈C(jī)械臂I運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)當(dāng)機(jī)械臂I展開(kāi)時(shí)吊點(diǎn)位置改變和當(dāng)機(jī)械臂I在傾斜狀態(tài)下展開(kāi)時(shí)吊點(diǎn)發(fā)生的“穿透”現(xiàn)象，為了消除這兩種現(xiàn)象，所以就需要萬(wàn)向軸承22和避讓機(jī)構(gòu)21配合使用。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖4所示，避讓機(jī)構(gòu)設(shè)置為凸型的吊桿，吊桿的上端連接吊索，吊桿的下端連接萬(wàn)向軸承，吊桿的中部彎折出一凸部，凸部增大了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中避讓機(jī)構(gòu)與機(jī)械臂之間的距離，避免二者發(fā)生碰撞。
[0034]優(yōu)選地，懸吊裝置2懸吊連接于機(jī)械臂I的質(zhì)心。
[0035]優(yōu)選地，機(jī)械臂I的兩條臂桿分別設(shè)置有用于連接吊索6下端的吊點(diǎn)，機(jī)械臂I的內(nèi)臂桿11上設(shè)置雙側(cè)吊點(diǎn)，即吊索6在其下端分成兩條分支，且兩條吊索分支分別連接機(jī)械臂I的兩側(cè)，如圖3所示；機(jī)械臂I的外臂桿12上設(shè)置單側(cè)吊點(diǎn)。這樣可以解決機(jī)械臂I運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于合攏狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到展開(kāi)狀態(tài)而出現(xiàn)的吊點(diǎn)位置突變的情況。
[0036]綜控系統(tǒng)是人機(jī)交互、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)和記錄系統(tǒng)操作信息的平臺(tái)。
[0037]以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專(zhuān)利涵蓋范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于模擬多剛體機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的空間微低重力補(bǔ)償方法，其特征在于:包括以下步驟: 51.通過(guò)懸吊裝置(2)將機(jī)械臂(I)懸吊連接于位置跟蹤系統(tǒng)，在機(jī)械臂(I)未運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置(2)中的吊索(6)處于鉛直狀態(tài)； 52.機(jī)械臂⑴運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置(2)上的吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)吊索(6)的偏角，吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)將偏角數(shù)值傳送至綜控系統(tǒng)，在綜控系統(tǒng)的解算和控制下，位置跟蹤系統(tǒng)作出相應(yīng)的位置跟蹤運(yùn)動(dòng)以縮小偏角至允許誤差內(nèi)； 53.機(jī)械臂(I)運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸吊裝置(2)上的力傳感器試試監(jiān)測(cè)吊索(6)對(duì)機(jī)械臂的補(bǔ)償力，并將補(bǔ)償力的變化量傳送至綜控系統(tǒng)，當(dāng)補(bǔ)償力的變化量超出允許的誤差時(shí)，綜控系統(tǒng)控制重力補(bǔ)償系統(tǒng)(3)調(diào)節(jié)補(bǔ)償力的大小以縮小補(bǔ)償力的變化量至允許誤差內(nèi)； S2和S3同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂(I)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置跟蹤和重力補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于:懸吊裝置(2)懸吊連接于機(jī)械臂(I)的質(zhì)心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于:吊索傾角測(cè)量系統(tǒng)采用十字軸原理，其包括角度傳感器，吊索￠)的頂端與十字軸的一對(duì)轉(zhuǎn)軸連接，十字軸的另一對(duì)轉(zhuǎn)軸鉸接于重力補(bǔ)償系統(tǒng)且安裝有角度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于:機(jī)械臂(I)的兩條臂桿分別設(shè)置有用于連接吊索(6)下端的吊點(diǎn)，機(jī)械臂⑴的內(nèi)臂桿(11)上設(shè)置雙側(cè)吊點(diǎn)，機(jī)械臂⑴的外臂桿(12)上設(shè)置單側(cè)吊點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的補(bǔ)償方法，其特征在于:懸吊裝置(2)還包括設(shè)置于吊索(6)和機(jī)械臂⑴之間的避讓機(jī)構(gòu)(21)和萬(wàn)向軸承(22)，吊索(6)的下端連接于避讓機(jī)構(gòu)(21)，避讓機(jī)構(gòu)(21)的下端通過(guò)萬(wàn)向軸承(22)連接機(jī)械臂(I)上的吊點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于:位置跟蹤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括直角式跟蹤平臺(tái)(5)和極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)(4)，直角式跟蹤平臺(tái)(5)跟蹤內(nèi)臂桿(11)的運(yùn)動(dòng)，極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)⑷跟蹤外臂桿(12)的運(yùn)動(dòng)，且與內(nèi)臂桿(11)相接的吊索(6)穿過(guò)極坐標(biāo)式跟蹤平臺(tái)⑷的Z軸，與外臂桿(12)相接的吊索(6)連接直角式跟蹤平臺(tái)(5)。
【文檔編號(hào)】B25J19/00GK104385302SQ201410545087
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】劉鵬, 高奔, 陳建鵬, 韓佩彤 申請(qǐng)人:天津航天機(jī)電設(shè)備研究所