空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法，包括固定支架、三个施力装置和正方形受力块；固定支架呈倒置的“π”型。三个施力装置分别安装在固定支架的两竖板和横板上，且高度能调整。每个施力装置均包括施力头、单轴拉压力传感器、力源组件和紧固组件；力源组件包括从上至下依次同轴设置的上支撑板、第二电极板、压电陶瓷片、第一电极板和下支撑板；单轴拉压力传感器安装在上支撑板顶部，半球形的施力头安装在单轴拉压力传感器顶部；正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部。本发明专利技术利用压电陶瓷片和高精度单轴力传感器产生标准作用力，实现失重环境下的在轨标定，并且具有体积小、力值大、力源稳定等优点。

【技术实现步骤摘要】
空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法
本专利技术涉及一种力学标定装置及标定方法，特别是一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法。
技术介绍
空间机械臂作为一种用于空间作业的多自由度执行机构，其主要任务是辅助对接、目标搬运、在轨建设、空间物体的观察和监测、空间物体的捕获和释放等，是完成空间在轨服务、深空探测的主要载体。装载在空间机械臂上的六维力传感器，作为其感知外界信息的最重要的传感器，是实现上述目标的基础。标定是力传感器研制过程中的重要环节，用以确定传感器的性能指标。而研制完成后，在长期使用过程中，传感器的性能可能发生变化，因此必须定期进行重复标定，以确保测量的准确性和可靠性。而对于安装在空间站机械臂上的六维力传感器而言，如何实现在轨标定是亟需解决的问题。现有的六维力传感器标定装置普遍采用砝码进行标定，无法在空间站的失重环境下使用。此外，现有标定装置体积较大，若在空间站进行应用，则会导致发射成本高、空间站环境狭小等问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法，该空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法利用压电陶瓷片和高精度单维力传感器产生标准作用力，实现失重环境下的在轨标定，并且具有体积小、力值大、力源稳定等优点。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，包括固定支架、三个施力装置和正方形受力块。固定支架呈倒置的“π”型，包括一块横板和垂直设置在横板上的两块竖板。两块竖板与横板之间形成纵截面呈U型的标定腔。三个施力装置分别为第一施力装置、第二施力装置和第三施力装置，且均位于标定腔内。第一施力装置和第二施力装置分别按照在两块竖板相向的一侧，且在对应竖板上的高度位置能够调整。第三施力装置安装在横板的上表面中心。每个施力装置均包括施力头、单轴拉压力传感器、力源组件和紧固组件。力源组件包括从上至下依次同轴设置的上支撑板、第二电极板、压电陶瓷片、第一电极板和下支撑板。上支撑板通过紧固组件安装在下支撑板上，并将第二电极板、压电陶瓷片和第一电极板弹性压紧在上支撑板和下支撑板之间。单轴拉压力传感器安装在上支撑板顶部中心，施力头安装在单轴拉压力传感器顶部中心，且呈半球形。正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端。正方形受力块能在机械臂的带动下，伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触。单轴拉压力传感器的精度高于待标定六维力传感器的精度。每块竖板上均设置有至少两个高度不同的施力装置安装位置，其中，两块竖板上的施力装置安装位置至少有一组位于同一高度。每块竖板上均设置有三个高度不同的施力装置安装位置。两块竖板分别为左侧竖板和右侧竖板，位于左侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置A、安装位置B和安装位置C。位于右侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置a、安装位置b和安装位置c。其中，安装位置A、安装位置B和安装位置C位于同一垂直线，安装位置a、安装位置b和安装位置c位于另一垂直线。安装位置a、安装位置b和安装位置c与安装位置A、安装位置B和安装位置C的高度一一对应。紧固组件包括螺栓、螺母和预紧弹簧。螺栓的杆部从上至下依次穿过预紧弹簧、上支撑板和下支撑板后，采用螺母紧固。下支撑板与螺栓的杆部螺纹连接，上支撑板与螺栓的杆部滑动连接，预紧弹簧位于上支撑板和螺栓头部之间。一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定方法，包括如下步骤。步骤1，对X方向作用力的标定，包括如下步骤：步骤11，安装施力装置：将第一施力装置和第二施力装置的轴线安装在同一高度，第三施力装置安装在横板的上表面中心。步骤12，安装正方体受力块：将正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端。机械臂动作，将正方形受力块伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触。此时，需使六维力传感器的X轴方向与第一施力装置的轴向平行，六维力传感器的Z轴方向与第三施力装置的轴向重合。步骤13，标定X正向作用力：通过控制第一施力装置，对正方体受力块施加多组作用力，记录第一施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现X正向作用力的标定。其中，第一施力装置对正方体受力块施加多组作用力的方法为：向第一施力装置中的第一电极板和第二电极板间施加设定的电压，由于压电效应，两极板间的若干压电陶瓷片将产生设定的X正向位移，且位移量与电压大小相关。由于第一施力装置中的施力头与正方体受力块相接触，故而，X正向位移将转化为对正方体受力块施加的X正向作用力，且X正向作用力的数值与电压大小相关。第一施力装置中单轴拉压力传感器对施加的X正向作用力进行实时检测并反馈，通过控制电压的大小就能调整X正向作用力的大小值。步骤14，标定X负向作用力：第一施力装置复位，通过控制第二施力装置，对正方体受力块施加多组X负向作用力，记录第二施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现X负向作用力的标定。步骤2，对Y方向作用力的标定，包括如下步骤：步骤21，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，转动机械臂，使得六维力传感器的Z轴方向与第三施力装置的轴向重合，且六维力传感器的Y轴方向与第一施力装置的轴向平行。步骤22，标定Y向作用力：采用与步骤13和步骤14相同的方法，通过控制第一施力装置，实现Y正向作用力的标定。通过控制第二施力装置，从而实现Y负向作用力的标定。步骤3，对Z方向作用力的标定：第一施力装置和第二施力装置均复位，在六维力传感器的Z轴方向与第三施力装置轴向重合的情况下，控制第三施力装置对正方体受力块施加多组Z方向作用力，记录第三施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，由此实现Z向作用力的标定。还包括如下步骤：步骤4，对X方向作用力矩的标定，包括如下步骤：步骤41，安装施力装置：将第一施力装置和第二施力装置的轴线安装在不同高度，第三施力装置安装在横板的上表面中心。步骤42，安装正方体受力块：按照步骤12的方法，进行正方体受力块的安装。此时，需使六维力传感器的Y轴方向与第一施力装置的轴向平行，六维力传感器的Z轴方向与第三施力装置的轴向重合。步骤43，标定X正向作用力矩：控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现X正向作用力矩的标定。其中，数值相等的多组作用力，是指施加多组作用力，而在每组作用力中，第一施力装置和第二施力装置所施加的作用力数值大小相等。步骤44，标定X负向作用力矩：第一施力装置和第二施力装置复位，六维力传感器绕Z轴旋转180°或交换第一施力装置和第二施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，其特征在于：包括固定支架、三个施力装置和正方形受力块；/n固定支架呈倒置的“π”型，包括一块横板和垂直设置在横板上的两块竖板；两块竖板与横板之间形成纵截面呈U型的标定腔；/n三个施力装置分别为第一施力装置、第二施力装置和第三施力装置，且均位于标定腔内；第一施力装置和第二施力装置分别按照在两块竖板相向的一侧，且在对应竖板上的高度位置能够调整；第三施力装置安装在横板的上表面中心；/n每个施力装置均包括施力头、单轴拉压力传感器、力源组件和紧固组件；/n力源组件包括从上至下依次同轴设置的上支撑板、第二电极板、压电陶瓷片、第一电极板和下支撑板；上支撑板通过紧固组件安装在下支撑板上，并将第二电极板、压电陶瓷片和第一电极板弹性压紧在上支撑板和下支撑板之间；/n单轴拉压力传感器安装在上支撑板顶部中心，施力头安装在单轴拉压力传感器顶部中心，且呈半球形；/n正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端；正方形受力块能在机械臂的带动下，伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触；单轴拉压力传感器的精度高于待标定六维力传感器的精度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，其特征在于：包括固定支架、三个施力装置和正方形受力块；
固定支架呈倒置的“π”型，包括一块横板和垂直设置在横板上的两块竖板；两块竖板与横板之间形成纵截面呈U型的标定腔；
三个施力装置分别为第一施力装置、第二施力装置和第三施力装置，且均位于标定腔内；第一施力装置和第二施力装置分别按照在两块竖板相向的一侧，且在对应竖板上的高度位置能够调整；第三施力装置安装在横板的上表面中心；
每个施力装置均包括施力头、单轴拉压力传感器、力源组件和紧固组件；
力源组件包括从上至下依次同轴设置的上支撑板、第二电极板、压电陶瓷片、第一电极板和下支撑板；上支撑板通过紧固组件安装在下支撑板上，并将第二电极板、压电陶瓷片和第一电极板弹性压紧在上支撑板和下支撑板之间；
单轴拉压力传感器安装在上支撑板顶部中心，施力头安装在单轴拉压力传感器顶部中心，且呈半球形；
正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端；正方形受力块能在机械臂的带动下，伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触；单轴拉压力传感器的精度高于待标定六维力传感器的精度。


2.根据权利要求1所述的空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，其特征在于：每块竖板上均设置有至少两个高度不同的施力装置安装位置，其中，两块竖板上的施力装置安装位置至少有一组位于同一高度。


3.根据权利要求2所述的空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，其特征在于：每块竖板上均设置有三个高度不同的施力装置安装位置；两块竖板分别为左侧竖板和右侧竖板，位于左侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置A、安装位置B和安装位置C；位于右侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置a、安装位置b和安装位置c；其中，安装位置A、安装位置B和安装位置C位于同一垂直线，安装位置a、安装位置b和安装位置c位于另一垂直线；安装位置a、安装位置b和安装位置c与安装位置A、安装位置B和安装位置C的高度一一对应。


4.根据权利要求1所述的空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，其特征在于：紧固组件包括螺栓、螺母和预紧弹簧；螺栓的杆部从上至下依次穿过预紧弹簧、上支撑板和下支撑板后，采用螺母紧固；下支撑板与螺栓的杆部螺纹连接，上支撑板与螺栓的杆部滑动连接，预紧弹簧位于上支撑板和螺栓头部之间。


5.一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，对X方向作用力的标定，包括如下步骤：
步骤11，安装施力装置：将第一施力装置和第二施力装置的轴线安装在同一高度，第三施力装置安装在横板的上表面中心；
步骤12，安装正方体受力块：将正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端；机械臂动作，将正方形受力块伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触；此时，需使六维力传感器的X轴方向与第一施力装置的轴向平行，六维力传感器的Z轴方向与第三施力装置的轴向重合；
步骤13，标定X正向作用力：通过控制第一施力装置，对正方体受力块施加多组作用力，记录第一施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现X正向作用力的标定；其中，第一施力装置对正方体受力块施加多组作用力的方法为：向第一施力装置中的第一电极板和第二电极板间施加设定的电压，由于压电效应，两极板间的若干压电陶瓷片将产生设定的X正向位移，且位移量与电压大小相关；由于第一施力装置中的施力头与正方体受力块相接触，故而，X正向位移将转化为对正方体受力块施加的X正向作用力，且X正向作用力的数值与电压大小相关；第一施力装置中单轴拉压力传感器对施加的X正向作用力进行实时检测并反馈，通过控制电压的大小就能调整X正向作用力的大小值；
步骤14，标定X负向作用力：第一施力装置复位，通过控制第二施力装置，对正方体受力块施加多组X负向作用力，记录第二施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现X负向作用力的标定；
步骤2，对Y方向作用力的标定，包括如下步骤：
步骤21，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，转动...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱国，杨述焱，徐宝国，周永辉，谭启蒙，梁常春，韦明，王春慧，李凡，张遂南，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32