空间机械臂悬吊微重力模拟方法技术

本发明专利技术提供了空间机械臂悬吊微重力模拟方法，属于仿真实验领域，包括S1、安装空间机械，控制六自由度台在气浮平台上移动至试验起始位置；S2、根据六自由度台靶标点调节找准位置；S3、控制机械摆臂运动，将悬吊组件与吊点连接；S4、控制全向移动平台跟随六自由度台移动；S5、控制空间机械臂展开；S6、空间机械臂完成试验后，控制运动至原收拢状态；S7、六自由度台移动至停放位置后，关闭气源，支撑固定六自由度台；S8、拆卸悬吊组件试验结束。本发明专利技术消除机械臂展开时自身重力对航天器姿态的作用，同时保留机械臂较多的运动自由度及运动范围，较大范围的适应空间机械臂的展开范围。

【技术实现步骤摘要】
空间机械臂悬吊微重力模拟方法
本专利技术属于仿真实验领域，涉及空间机械臂悬吊微重力模拟方法。
技术介绍
通过地面设备模拟仿真航天器的特殊工作环境进行测试试验以在地面研究验证航天器结构性能是在航天领域常用的一种方法，也是研制过程中兼顾经济性和时效性的一种策略。近年来，空间机械臂或空间机器人在太空探索和开发中承担越来越重要的任务，可以代替宇航员在恶劣的太空环境中完成如目标捕获、故障维修、垃圾清理以及星表采样等多种任务。基于空间微低重力环境及应用背景研制的空间机械臂，多具有长臂杆、多自由度，电机功率小等特性，在地面重力环境无法直接展开工作，需要微重力模拟装置卸载机械臂重力来进行试验验证。而进行捕获、维修、检测等任务的航天器现在多采用多自由度、大运动范围的双机械臂协同工作，这使得地面进行仿真验证更为困难，需要设计更为复杂和精准的微重力模拟装置和方法。以往进行的机械臂地面微重力模拟环境展开试验，多采用气浮法或悬吊法，且机械臂安装在固定的模拟墙或支架车上。试验时，机械臂展开运动的自由度、范围有较大的限制。而且由于不用考虑机械臂对固定安装处的作用力和力矩影响，多针对机械臂主要臂杆进行重力卸载，整体采用双吊点或单吊点，虽然机械臂整体的重力进行了卸载，但是关节处的力矩有较大偏差。在进行航天器用机械臂进行目标捕获等试验时，机械臂安装在具有六自由度活动能力的气浮台或者并联机构上，机械臂根部安装处的力矩偏差会对航天器的姿态产生很大影响，使得捕获仿真试验失败。有时为了更真实的仿真验证航天器在捕获等试验中的状态会限制机械臂的运动。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是在于提供空间机械臂悬吊微重力模拟方法，采用此方法，模拟状态更接近实际应用状态，更加精确可靠，通过构建一套能够主动控制迅速响应的机械摆臂系统来控制空间机械臂各吊点位置跟随目标移动，通过特殊设计的多点悬吊结构来充分卸载掉空间机械臂的重力及多个机械臂关节的重力，消除机械臂展开时自身重力对航天器姿态的作用，同时保留机械臂较多的运动自由度及运动范围，较大范围的适应空间机械臂的展开范围。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：空间机械臂悬吊微重力模拟方法，包括以下步骤，S1、将空间机械臂以收拢状态安装在六自由度台上，控制六自由度台在气浮平台上移动至试验起始位置；S2、控制全向移动平台移动使微重力模拟装置移动至六自由度台附近位置，根据六自由度台靶标点调节找准位置；S3、控制机械摆臂运动，使机械摆臂的悬吊组件移动到空间机械臂相应吊点位置，将悬吊组件与吊点连接；S4、控制六自由度台在气浮平台移动到靠近捕获目标的相应位置，控制全向移动平台跟随六自由度台移动；S5、控制空间机械臂展开，顺序是先向外侧展开小臂杆，再控制大臂杆、小臂杆联动使末端执行关节靠近捕获目标，同时控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；S6、空间机械臂完成试验后，控制运动至原收拢状态，控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；S7、六自由度台移动至停放位置后，关闭气源，支撑固定六自由度台；S8、拆卸悬吊组件，移动全向移动平台离开六自由度台位置至停放位置，关闭气源电源，试验结束。进一步的，在步骤S1中，将需要卸载重力的空间机械臂简化为均匀质量的关节与臂杆结构，空间机械臂包括依次设置且发生运动的肩部偏转关节，大臂杆、肘部关节、小臂杆、腕部偏转关节、腕部滚转关节和末端执行关节；空间机械臂的肩部滚转关节、肩部俯仰关节和肩部偏转关节形成根部关节；设定以下参数定义，根部关节、肘部关节、腕部偏转关节质量为m1kg，小臂末端偏转关节、末端执行关节重量为m2kg，大臂、小臂为m3kg，根部关节与肘部关节距离D1mm，肘部距离腕部偏转关节D2mm，腕部距离末端执行关节D3mm，大臂杆根部吊点力为F1，位于距离根部关节D6mm处；肘部吊点力为F2；小臂末端吊点力为F3,位于距离肘部关节D4mm处；腕部吊点力为F4；末端执行关节吊点力为F5，平衡块距离腕部吊点D5mm，重力为G1,则有腕部吊点和末端吊点汇合吊点力Fa＝F4+F5+G1，位于腕部偏转关节中心上方；小臂末端吊点F3与Fa通过异形横连杆机构汇合为吊点Fb，Fb吊点与机械摆臂B小摆臂吊点对应连接，每个吊点出的力矩平衡设置；F3距离Fb为x,Fa距离Fb为y，x和y的数值合是定数。进一步的，空间机械臂的肩部滚转关节和肩部俯仰关节固定在六自由度台上，在试验过程相对六自由度台不发生位置姿态的变化，其重力由六自由度台上配重调节平衡，不进行悬吊重力卸载。进一步的，F5＝m2kgf，F4＝m1kgf；Fa处力矩平衡，Fa＝F4+F5+G1＝13.78kgf；F3：小臂及小臂末端关节卸载重力，考虑肘部力矩平衡，计算确定F3的数值，Fb＝F3+Fa；Fb处力矩平衡，设F3距离Fb为x,Fa距离Fb为y，则有：计算x和y的数值，即可确定Fb位置；F1+F2+F3，为根部关节、大臂、肘部关节、小臂、小臂末端偏转关节的重力之和且根部力矩为0，则：计算得出F1和F2的数值；将计算得出的F1，F2，F3值代入计算肘关节处力矩，有：两侧数值相逢，空间机械臂各处的重力卸载。进一步的，当机械臂小臂杆转动与大臂杆呈一定角度时，设根部关节为原点，大臂方向为x轴，竖直方向为z轴，小臂与大臂角度为α；x轴力矩为:y轴力矩为：空间机械臂对根部y轴方向得力矩与小臂杆转动角度无关，代入F1、F2、F3后计算得My的数值，确定对y轴的力矩。进一步的，微重力模拟装置包括机械摆臂安装平台、六自由度台和相机，所述六自由台设在气浮台上；所述相机，实时测量六自由度台上的靶标点，得出六自由度台的位置与姿态变化，进而通过控制系统，控制机械摆臂安装平台跟随六自由度台运动；所述机械摆臂安装平台包括全向移动平台、配重与机械摆臂支架，全向移动平台在平面内全向移动；所述配重；用于将全向移动平台与机械摆臂的整体质心配平；机械摆臂支架，其运动用来对全移动平台的运动精度进行补偿；相机安装在所述机械摆臂支架上，所述机械摆臂支架通过重力卸载及随动组件保证下端的空间机械臂相对六自由台精度运动。进一步的，重力卸载及随动组件包括机械摆臂A、机械摆臂B、恒张力组件和悬吊组件，所述机械摆臂A安装在机械摆臂支架上，位于两个机械摆臂B中间，用于控制空间机械臂大臂根部吊点的跟随运动；机械摆臂B左右对称安装在机械摆臂支架上，分别对应一个空间机械臂。用于控制空间机械臂肘部关节吊点和小臂末端吊点的跟随运动；恒张力组件采用电机主动控制收放卷线并控制悬吊的力相对恒定，使悬吊点能够适应空间机械臂展开过程中在竖直方向的位置变化，下方连接悬吊组件；悬吊组件，对空间机械臂在运动过程中各部分重力卸载，并且消除悬吊力产生的附加干扰力矩。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.空间机械臂悬吊微重力模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，/nS1、将空间机械臂以收拢状态安装在六自由度台上，控制六自由度台在气浮平台上移动至试验起始位置；/nS2、控制全向移动平台移动使微重力模拟装置移动至六自由度台附近位置，根据六自由度台靶标点调节找准位置；/nS3、控制机械摆臂运动，使机械摆臂的悬吊组件移动到空间机械臂相应吊点位置，将悬吊组件与吊点连接；/nS4、控制六自由度台在气浮平台移动到靠近捕获目标的相应位置，控制全向移动平台跟随六自由度台移动；/nS5、控制空间机械臂展开，顺序是先向外侧展开小臂杆，再控制大臂杆、小臂杆联动使末端执行关节靠近捕获目标，同时控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；/nS6、空间机械臂完成试验后，控制运动至原收拢状态，控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；/nS7、六自由度台移动至停放位置后，关闭气源，支撑固定六自由度台；/nS8、拆卸悬吊组件，移动全向移动平台离开六自由度台位置至停放位置，关闭气源电源，试验结束。/n

【技术特征摘要】
1.空间机械臂悬吊微重力模拟方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、将空间机械臂以收拢状态安装在六自由度台上，控制六自由度台在气浮平台上移动至试验起始位置；
S2、控制全向移动平台移动使微重力模拟装置移动至六自由度台附近位置，根据六自由度台靶标点调节找准位置；
S3、控制机械摆臂运动，使机械摆臂的悬吊组件移动到空间机械臂相应吊点位置，将悬吊组件与吊点连接；
S4、控制六自由度台在气浮平台移动到靠近捕获目标的相应位置，控制全向移动平台跟随六自由度台移动；
S5、控制空间机械臂展开，顺序是先向外侧展开小臂杆，再控制大臂杆、小臂杆联动使末端执行关节靠近捕获目标，同时控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；
S6、空间机械臂完成试验后，控制运动至原收拢状态，控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；
S7、六自由度台移动至停放位置后，关闭气源，支撑固定六自由度台；
S8、拆卸悬吊组件，移动全向移动平台离开六自由度台位置至停放位置，关闭气源电源，试验结束。


2.根据权利要求1所述的空间机械臂悬吊微重力模拟方法，其特征在于：在步骤S1中，将需要卸载重力的空间机械臂简化为均匀质量的关节与臂杆结构，空间机械臂包括依次设置且发生运动的肩部偏转关节，大臂杆、肘部关节、小臂杆、腕部偏转关节、腕部滚转关节和末端执行关节；
空间机械臂的肩部滚转关节、肩部俯仰关节和肩部偏转关节形成根部关节；
设定以下参数定义，根部关节、肘部关节、腕部偏转关节质量为m1kg，小臂末端偏转关节、末端执行关节重量为m2kg，大臂、小臂为m3kg，根部关节与肘部关节距离D1mm，肘部距离腕部偏转关节D2mm，腕部距离末端执行关节D3mm，大臂杆根部吊点力为F1，位于距离根部关节D6mm处；肘部吊点力为F2；小臂末端吊点力为F3,位于距离肘部关节D4mm处；腕部吊点力为F4；末端执行关节吊点力为F5，平衡块距离腕部吊点D5mm，重力为G1,则有腕部吊点和末端吊点汇合吊点力Fa＝F4+F5+G1，位于腕部偏转关节中心上方；小臂末端吊点F3与Fa通过异形横连杆机构汇合为吊点Fb，Fb吊点与机械摆臂B小摆臂吊点对应连接，每个吊点出的力矩平衡设置；F3距离Fb为x,Fa距离Fb为y，x和y的数值合是定数。


3.根据权利要求2所述的空间机械臂悬吊微重力模拟方法，其特征在于：空间机械臂的肩部滚转关节和肩部俯仰关节固定在六自由度台上，在试验过程相对六自由度台不发生位置姿态的变化，其重力由六自由度台上配重调节平衡，不进行悬吊重力卸载。


4.根据权利要求2所述的空间机械臂悬吊微重力模拟方法，其特征在于：F5＝m2kgf，F4＝m1kgf；
Fa处力矩平衡，
Fa＝F4+F5+G1＝13.78kgf；
F3：小臂及小臂末端关节卸载重力，考虑肘部力矩平衡，



计算确定F3的数值，Fb＝F3+Fa；
Fb处力矩平衡，设F3距离Fb为x,Fa距离Fb为y，则有：



计算x和y的数值，即可确定Fb位置；
F1+F2+F3，为根部关节、大臂、肘部关节、小臂、小臂末端偏转关节的重力之和且根部力矩为0，则：



计算得出F1和F2的数值；
将计算得出的F1，F2，F3值代入计算肘关节处力矩，有：



两侧数值相逢，空间机械臂各处的重力卸载。


5.根据权利要求4所述的空间机械臂悬吊微重力模拟方法，其特征在于：当机械臂小臂杆转动与大臂杆呈一定角度时，设根部关节为原点，大臂方向为x轴，竖直方向为z轴，小臂与大臂角度为α；
x轴力矩为:



y轴力矩为：



空间机械臂对根部y轴方向得力矩与小臂杆转动角度无关，代入F1、F2、F3后计算得My的数值，确定对y轴的力矩。


6.根据权利要求1所述的空间机械臂悬吊微重力模拟方法，其特征在于：微重力模拟装置包括机械摆臂安装平台、六自由度台和相机，所述六自由台设在气浮台上；
所述相机，实时测量六自由度台上的靶标点，得出六自由度台的位置与姿态变化，进而通过控制系统，控制机械摆臂安装平台跟随六自由度台运动；
所述机械摆臂安装平台包括全向移动平台、配重与机械摆臂支架，全向移动平台在平面内全向移动；所述配重；用于将全向移动平台与机械摆臂的整体质心配平；机械摆臂支架，其运动用来对全移动平台的运动精度进行补偿；
相机安装在所述机械摆臂支架上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐放，吴跃民，李博，朱朝晖，
申请(专利权)人：天津航天机电设备研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12