一种空间机械臂地面三维空间运动测试装置及方法与流程

本发明涉及一种空间机械臂地面三维空间运动测试装置及方法，属于空间运动测试技术领域。

背景技术：

随着技术的进步，人类的活动在不断地向太空扩展，各国正在研究以空间机器人为手段，以卫星维修、生命延长及太空垃圾清除为目的的空间机械臂在轨服务技术获得了长足的进步。然而，受地面重力环境的影响，空间机械臂地面三维空间运动测试一直是困扰机械臂研发的一个关键问题。该问题主要表现在：由于空间机械臂是针对空间在轨微重力环境而设计的，在无辅助支撑设备条件下，其部分关节驱动力矩不足以克服重力矩，并且也不能实现在地面条件下的三维空间自由运动。

目前，在地面模拟空间微重力环境的测试系统主要包括五类，分别是悬吊系统、自由落体系统、水浮系统、气浮系统和辅助平行四边形定质心及弹簧连接混合系统。自由落体系统(采用微重力塔)和水浮系统普遍存在成本和维护费用较高的问题，前者在实验时还要求保证系统的密封性，后者虽然补偿重力效果好，但作用时间太短，不适于空间机械臂的实验操作；气浮系统的重力补偿效果较好，但只能够让空间机械臂在气浮平面内运动，无法实现三维空间多轴联动测试；辅助平行四边形定质心及弹簧连接的混合方法技术还不成熟，难以满足空间机械臂的实验操作要求。

技术实现要素：

本发明提出了一种空间机械臂地面三维空间运动测试装置及方法，以解决现有的空间机械臂在地面三维空间运动测试过程中存在的成本和维护费用较高、无法实现三维空间多轴联动测试以及难以满足空间机械臂的实验操作要求的问题，为此本发明采用如下的技术方案：

一种空间机械臂地面三维空间运动测试装置，包括机架和基座，基座设置在机架上并用于安装空间机械臂，所述装置还包括：两条纵向导轨、至少两条横向导轨以及与横向导轨数量相同的滑块、定滑轮、吊丝、配重块和滑环；两条纵向导轨分别设置在机架上，每条横向导轨的两端分别与一条纵向导轨滑动连接，每条横向导轨上设置有滑块，在滑块上安装有定滑轮，在定滑轮上设置有吊丝，吊丝的两端分别连接配重块和滑环。

一种空间机械臂地面三维空间运动测试方法，包括：

将空间机械臂伸展开，再通过滑环套接在空间机械臂的臂杆上，以使空间机械臂呈垂直吊起状态；

调节每段吊丝所吊的配重块质量与对应段的空间机械臂的质量相匹配；

给定空间机械臂的运动轨迹并启动空间机械臂的关节，以实现空间机械臂在重力补偿状态下的三维空间中做自由运动。

本发明能够产生以下的有益效果：

1.该运动测试系统的重力补偿为被动式补偿，无需主动力介入，因而不需配置电机等其它驱动装置，成本和维护费用较低；

2.与传统的主动补偿系统相比，该运动测试系统能够实现三维空间多轴联动测试，其重力补偿效果可达90％以上；

3.该运动测试系统安装调试简便、易于操作，能够满足空间机械臂的实验操作要求。

附图说明

图1为本发明所述的空间机械臂地面三维空间运动测试装置的结构示意图。

图2为实施例一中的滑环在空间机械臂的臂杆上的连接方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本具体实施方式提供的空间机械臂地面三维空间运动测试装置，包括机架1和基座2、两条纵向导轨4、至少两条横向导轨5以及与横向导轨5数量相同的滑块6、定滑轮7、吊丝8、配重块9和滑环10；基座2设置在机架1上并用于安装空间机械臂3，两条纵向导轨4分别设置在机架1上，每条横向导轨5的两端分别与一条纵向导轨4滑动连接，每条横向导轨5上设置有滑块6，在滑块6上安装有定滑轮7，在定滑轮7上设置有吊丝8，吊丝8的两端分别连接配重块9和滑环10。

可选的，两条纵向导轨4均采用线性度小于千分之0.05的圆柱体。

可选的，两条纵向导轨4的平行度优于1弧分。

可选的，每条横向导轨5两端分别通过直线轴承套装在一条纵向导轨4上。

可选的，每条横向导轨5均采用滚珠滑动导轨。

可选的，空间机械臂3通过安装法兰固定在机架1的基座2上。

本具体实施方式还提出了一种基于上述空间机械臂地面三维空间运动测试装置的测试方法，包括：

步骤1，将空间机械臂3伸展开，再通过滑环10套接在空间机械臂3的臂杆上，以使空间机械臂3呈垂直吊起状态；

步骤2，调节每段吊丝8所吊的配重块9质量与对应段的空间机械臂3的质量相匹配；

步骤3，给定空间机械臂3的运动轨迹并启动空间机械臂3的关节，以实现空间机械臂3在重力补偿状态下的三维空间中做自由运动。

下面通过具体的实施例对本发明提出的空间机械臂地面三维空间运动测试装置及方法进行详细说明。

实施例一

结合图1至图2所示，该三维空间运动测试系统的机架1可采用框架式结构，各部分通过螺钉连接，易于加工制造。

两条纵向导轨4采用磨光的圆柱，线性度小于千分之0.05，并且两条纵向导轨4的平行度优于1弧分；将直线轴承套装在每条纵向导轨4的圆柱上，使滑动摩擦系数小于千分之一。

每条横向导轨5的两端分别通过螺钉安装在一条纵向导轨4的直线轴承上，这样横向导轨5能够沿纵向方向运动，横向导轨5采用thk滚珠滑动导轨。

每条横向导轨5上装有一个滑块6，可在横向导轨5上自由运动，滑动摩擦系数小于千分之一。

每个滑块6下面安装一个定滑轮7，在定滑轮7上设置有吊丝8，吊丝8的两端分别与配重块9和空间机械臂3上面的滑环10连接；滑环10可以绕空间机械臂3的臂杆自由旋转。

在进行三维空间运动测试时，空间机械臂3的安装法兰被通过螺钉固定在机架1的基座2上。当空间机械臂3完全展开时，将空间机械臂的两个臂杆通过滑环10分别吊装在定滑轮7上，并通过配重块9平衡空间机械臂3所承受的重力。

测试时，规划好一段空间轨迹(注意检验是否发生碰撞干涉)，启动空间机械臂3的关节驱动电机，控制关节按所规划的轨迹完成三维空间多关节联动测试，以检验空间机械臂3的控制性能。

采用本实施例提出的空间机械臂地面三维空间运动测试装置及方法，其重力补偿为被动式补偿，无需主动力介入，因而不需配置电机等其它驱动装置，成本和维护费用较低；能够实现三维空间多轴联动测试，其重力补偿效果可达90％以上；安装调试简便、易于操作，能够满足空间机械臂的实验操作要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。