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CN104385302B - 一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法 - Google Patents

一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法 Download PDF

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CN104385302B CN201410545087.0A CN201410545087A CN104385302B CN 104385302 B CN104385302 B CN 104385302B CN 201410545087 A CN201410545087 A CN 201410545087A CN 104385302 B CN104385302 B CN 104385302B
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Abstract

本发明提供一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法，在机械臂运动时，通过悬吊装置上的吊索倾角测量系统监测悬吊装置中吊索的偏角，同时，通过悬吊装置上的力传感器试试监测吊索对机械臂的补偿力，将偏角数值和补偿力的变化量传送至综控系统，在综控系统的解算和控制下，位置跟踪系统作出相应的位置跟踪运动以缩小偏角至允许误差内，重力补偿系统调节补偿力的大小以缩小补偿力的变化量至允许误差内。本补偿方法，不仅可以为多刚体机械臂提供月球表面微低重力的力学试验空间，而且从根本上解决了在地面力学环境条件下模拟月球力学环境的难题。

Description

一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法
技术领域
本发明属于空间微低重力补偿技术领域，尤其是涉及一种模拟月球表面微低重力的补偿方法。
背景技术
在我国探月工程不断取得成功之后，月球表面采样活动将成为我国航天未来发展的重点，所以开展相关技术的研究和分析将成为下一步工作的重点，其中模拟月球表面微低重力环境，为后续相关模拟月球力学环境试验提供技术保障是其中的关键研究内容之一，而多刚体机械臂地面环境微低重力模拟就是其中典型的代表。多刚体机械臂是由多个刚体通过不同自由度串联而成的刚体系统，其显著的特征就是自由度运动轨迹复杂，为了在地面环境条件下模拟其月球表面力学环境，为多刚体机械臂地面试验和测试提供较为真实的月球表面工作力学环境，从而模拟验证多刚体机械臂在月球环境下的全运动过程。本发明就是针对以上问题，而提出的一种全新的空间微低重力补偿实现方法，该方法可以有效的模拟月球表面的微低重力环境，从而保证了多刚体机械臂在全过程的运动范围内始终保持在微低重力的试验环境下。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法，不仅可以为多刚体机械臂提供月球表面微低重力的力学试验空间，而且从根本上解决了在地面力学环境条件下模拟月球力学环境的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法，包括以下步骤：
S1.通过悬吊装置将机械臂悬吊连接于位置跟踪系统，在机械臂未运动时，悬吊装置中的吊索处于铅直状态；
S2.机械臂运动时，悬吊装置上的吊索倾角测量系统监测悬吊装置中吊索的偏角，吊索倾角测量系统将偏角数值传送至综控系统，在综控系统的解算和控制下，位置跟踪系统作出相应的位置跟踪运动以缩小偏角至允许误差内；
S3.机械臂运动时，悬吊装置上的力传感器实时监测吊索对机械臂的补偿力，并将补偿力的变化量传送至综控系统，当补偿力的变化量超出允许的误差时，综控系统控制重力补偿系统调节补偿力的大小以缩小补偿力的变化量至允许误差内；
S2和S3同时进行，实现机械臂运动时的位置跟踪和重力补偿。
其中，悬吊装置悬吊连接于机械臂的质心。
其中，吊索倾角测量系统采用十字轴原理，其包括角度传感器，吊索的顶端与十字轴的一对转轴连接，十字轴的另一对转轴铰接于重力补偿系统且安装有角度传感器。
其中，机械臂的两条臂杆分别设置有用于连接吊索下端的吊点，机械臂的内臂杆上设置双侧吊点，机械臂的外臂杆上设置单侧吊点。
进一步，悬吊装置还包括设置于吊索和机械臂之间的避让机构和万向轴承，吊索的下端连接于避让机构，避让机构的下端通过万向轴承连接机械臂上的吊点。
进一步，位置跟踪系统包括直角式跟踪平台和极坐标式跟踪平台，直角式跟踪平台跟踪内臂杆的运动，极坐标式跟踪平台跟踪外臂杆的运动，且与内臂杆相接的吊索穿过极坐标式跟踪平台的Z轴，与外臂杆相接的吊索连接直角式跟踪平台。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、吊索倾角测量系统采用十字轴的测量方法，对机械臂运动时产生的偏角进行检测和反馈，进而通过综控系统进行位置跟踪系统的运动控制，实时性好、控制简捷；
2、悬吊装置与机械臂连接分别采用双侧悬吊和单侧悬吊的连接方式，可以解决机械臂运动过程中，由合拢状态到展开状态出现的吊点位置突变的情况；
3、位置跟踪系统的直角式跟踪平台和极坐标式跟踪平台，用于跟踪内臂杆和外臂杆的运动，且内臂杆的吊索从极坐标式跟踪平台的中心穿过，此方法可以实现吊索在位置跟踪系统上的吊点任意移动，而多个吊点之间不产生干涉现象。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图
图2是吊索倾角测量系统的测量原理图
图3是吊索与机械臂的吊点位置示意图
图4是吊索与机械臂的连接结构示意图
图中：1-机械臂，11-内臂杆，12-外臂杆，2-悬吊装置，21-避让机构，22-万向轴承，3-重力补偿系统，4-极坐标式跟踪平台，5-直角式跟踪平台，6-吊索
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。
本方法在空间微低重力补偿系统下实现，空间微低重力补偿系统包括支撑架；安装于支撑架上层平台的位置跟踪系统，位置跟踪系统包括可相对于上层平台的X、Y方向运动的直角式跟踪平台，安装于直角式跟踪平台的下方且可自转或随所述直角式跟踪平台在X、Y方向运动的极坐标式跟踪平台；安装于直角式跟踪平台的顶部和所述极坐标式跟踪平台的底部的重力补偿系统，连接重力补偿系统和机械臂的悬吊装置及用于监控上述部件的综控系统。悬吊装置上设置有吊索倾角测量系统。
如图1所示，一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法，包括以下步骤：
S1.通过悬吊装置2将机械臂1悬吊连接于位置跟踪系统，在机械臂1未运动时，悬吊装置2中的吊索6处于铅直状态；
S2.机械臂1运动时，悬吊装置2上的吊索倾角测量系统监测悬吊装置2中吊索6的偏角，吊索倾角测量系统将偏角数值传送至综控系统，在综控系统的解算和控制下，位置跟踪系统作出相应的位置跟踪运动以缩小偏角至允许误差内；
S3.机械臂1运动时，悬吊装置2上的力传感器实时监测吊索62对机械臂1的补偿力，并将补偿力的变化量传送至综控系统，当补偿力的变化量超出允许的误差时，综控系统控制重力补偿系统3调节补偿力的大小以缩小补偿力的变化量至允许误差内；
S2和S3同时进行，实现机械臂1运动时的位置跟踪和重力补偿。
吊索倾角测量系统的作用是监测吊索6的偏角，构成位置闭环，其构成包括十字轴和角度传感器，吊索6的顶端与十字轴的一对转轴连接，十字轴的另一对转轴铰接于重力补偿系统且安装有角度传感器，当吊索倾斜式，带动十字轴转动，角度传感器可监测倾斜的角度。通过角度传感器的监测，结合空间几何的方法来解算机械臂的位置及姿态，求解吊索6的偏角，其原理如图2所示，偏角α和β为吊索在与水平面垂直的平面内与铅垂线的夹角。
位置跟踪系统的作用是保持吊索6铅垂，其包括极坐标式跟踪平台4和直角式跟踪平台5，直角式跟踪平台5跟踪内臂杆11的运动，极坐标平台5跟踪外臂杆12的运动，且与内臂杆11相接的吊索穿过极坐标式跟踪平台4的Z轴，与外臂杆12相接的吊索连接直角式跟踪平台5。本方法可以实现吊索6在位置跟踪系统上的两个吊点任意移动，而不产生干涉现象。
重力补偿系统3可以控制吊索6拉力，其包括力矩电机，拉力机构、传感器、相关传动和支撑部件组成。重力补偿系统3设置于吊索6的上端位置，控制吊索6的伸缩，具有工作过程中拉力可调的特性，从而可以适应机械臂1不同工况下的工作要求。
悬吊装置2用于连接机械臂1和重力补偿系统3，其还包括设置于吊索6和机械臂1之间的避让机构21和万向轴承22，吊索6的下端连接于避让机构21，避让机构21的下端通过万向轴承22连接机械臂1上的吊点。使用万向轴承22的目的是使悬吊装置2可以适应机械臂1的不同运动过程。使用避让机构21的目的是防止出现悬吊装置2与机械臂1产生干涉的情况出现，因为在机械臂1运动过程中会出现当机械臂1展开时吊点位置改变和当机械臂1在倾斜状态下展开时吊点发生的“穿透”现象，为了消除这两种现象，所以就需要万向轴承22和避让机构21配合使用。本发明的一个实施例中，如图4所示，避让机构设置为凸型的吊杆，吊杆的上端连接吊索，吊杆的下端连接万向轴承，吊杆的中部弯折出一凸部，凸部增大了机械臂运动过程中避让机构与机械臂之间的距离，避免二者发生碰撞。
优选地，悬吊装置2悬吊连接于机械臂1的质心。
优选地，机械臂1的两条臂杆分别设置有用于连接吊索6下端的吊点，机械臂1的内臂杆11上设置双侧吊点，即吊索6在其下端分成两条分支，且两条吊索分支分别连接机械臂1的两侧，如图3所示；机械臂1的外臂杆12上设置单侧吊点。这样可以解决机械臂1运动过程中，由于合拢状态运动到展开状态而出现的吊点位置突变的情况。
综控系统是人机交互、监视系统状态和记录系统操作信息的平台。
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 (5)

1.一种用于模拟多刚体机械臂运动的空间微低重力补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.通过悬吊装置(2)将机械臂(1)悬吊连接于位置跟踪系统，在机械臂(1)未运动时，悬吊装置(2)中的吊索(6)处于铅直状态；
所述位置跟踪系统包括直角式跟踪平台(5)和极坐标式跟踪平台(4)，直角式跟踪平台(5)跟踪内臂杆(11)的运动，极坐标式跟踪平台(4)跟踪外臂杆(12)的运动，且与内臂杆(11)相接的吊索(6)穿过极坐标式跟踪平台(4)的Z轴，与外臂杆(12)相接的吊索(6)连接直角式跟踪平台(5)；
S2.机械臂(1)运动时，悬吊装置(2)上的吊索倾角测量系统监测吊索(6)的偏角，吊索倾角测量系统将偏角数值传送至综控系统，在综控系统的解算和控制下，位置跟踪系统作出相应的位置跟踪运动以缩小偏角至允许误差内；
S3.机械臂(1)运动时，悬吊装置(2)上的力传感器实时监测吊索(6)对机械臂的补偿力，并将补偿力的变化量传送至综控系统，当补偿力的变化量超出允许的误差时，综控系统控制重力补偿系统(3)调节补偿力的大小以缩小补偿力的变化量至允许误差内；
S2和S3同时进行，实现机械臂(1)运动时的位置跟踪和重力补偿。
2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于：悬吊装置(2)悬吊连接于机械臂(1)的质心。
3.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于：吊索倾角测量系统采用十字轴原理，其包括角度传感器，吊索(6)的顶端与十字轴的一对转轴连接，十字轴的另一对转轴铰接于重力补偿系统且安装有角度传感器。
4.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于：机械臂(1)的两条臂杆分别设置有用于连接吊索(6)下端的吊点，机械臂(1)的内臂杆(11)上设置双侧吊点，机械臂(1)的外臂杆(12)上设置单侧吊点。
5.根据权利要求4所述的补偿方法，其特征在于：悬吊装置(2)还包括设置于吊索(6)和机械臂(1)之间的避让机构(21)和万向轴承(22)，吊索(6)的下端连接于避让机构(21)，避让机构(21)的下端通过万向轴承(22)连接机械臂(1)上的吊点。
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