[发明专利]一种含谐波传动的空间机械臂模拟装置

说明书

技术领域

本发明提供一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，属于民用航天工程技术领域。

背景技术

随着空间技术的飞速发展，特别是空间站、航天飞机、空间机器人等的诞生及成功应用，空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术已经进入太空，并越来越受到人们的关注。空间机械臂作为航天器上的重要维护工具，可以完成释放、回收卫星以及空间站的在轨装配、维修等各种任务，并作为航天员出舱工作的辅助工具。近年来，空间站在轨服务、深空探测等空间技术领域的迅速发展，对于空间机械臂的工作能力和性能要求越来越高。在工程应用方面，空间机械臂技术的发展提升了航天器在轨维护与建设的能力，增强了航天器的工作性能。

开展空间机械臂的地面微重力仿真实验对空间机械臂的设计和控制研究具有重要的工程价值。此外，谐波减速器的结构紧凑、传动效率高和回差小等优点使得其成为未来空间机械臂的主要减速机构。目前为止，国内外科研机构和学者针对空间机械臂的地面实验提出了一系列的模拟装置。根据机械臂的模拟装置研究现状，结合相关文献发现现有的模拟装置主要存在以下问题：

(1)只关注机械臂的重力补偿，而没有具体的采用谐波减速的机械臂关节设计研究，如中国专利CN103144104；

(2)现多采用气浮法只能进行二维转动及一维转动和球面的三轴姿态控制试验，如中国专利CN101865655；

(3)空间机械臂地面实验很少设计臂杆柔性的主动控制装置，如美国专利US005390288。

发明内容

本发明考虑到现有空间机械臂地面模拟实验装置的缺陷，提出了一种含谐波传动空间机械臂模拟装置，该装置包含谐波减速器传动及空间机械臂微重力测试机构，能够实现谐波传动空间机械臂在微重力环境下的动力学性能测试。

本发明采用的技术方案如下：

该装置主要由四部分组成，分别是机械臂回转运动机构、微重力模拟与测试机构、臂杆刚化调节机构、运动精度测试机构；

所述臂杆刚化调节机构设置于机械臂回转运动机构的臂杆中，微重力模拟与测试机构设置于机械臂回转运动机构上方，并与机械臂回转运动机构的臂杆连接，运动精度测试机构设置于机械臂回转运动机构的二级臂杆的前端；

所述机械臂回转运动机构由基座、连接件、关节、臂杆组成；其中，所述基座由T型槽、T型滑块、支架和底座杆四部分组成，T型滑块嵌在T型槽中，通过螺栓螺母把支架和T型滑块连接，底座杆固定安装在支架上；连接件有四件，关节和臂杆各有两件：第一连接件连接底座杆与一级关节，具有90度安装可调功能；第二连接件连接一级关节与一级臂杆；第三连接件连接一级臂杆与二级关节；第四连接件连接二级关节与二级臂杆；关节由关节壳体和关节驱动机构组成；

所述臂杆刚化调节机构由拉力传感器、吊环螺母、钢丝、预紧调节装置组成；第一拉力传感器一端与第二连接件连接，另一端与第一吊环螺母连接；在第二吊环螺母上连接螺栓，再将两个吊环螺母连接在第一钢丝的两端；将第二吊环螺母的螺栓穿过预紧螺母挡环，预紧螺母挡环卡在第三连接件中，用螺母将第二吊环螺母固定以拉紧钢丝，以调节一级臂杆的刚度；

预紧调节装置安装在二级臂杆的末端，第二拉力传感器一端与第四连接件连接，另一端与第三吊环螺母连接；在第四吊环螺母上连接螺栓，再将两个吊环螺母连接在第二钢丝的两端；将第四吊环螺母的螺栓穿过预紧调节装置并用蝶形螺母固定，以调节二级臂杆的刚度；

所述微重力模拟与测试机构由铝型材支架、悬吊绳索、滑块、滑轨、拉力传感器组成；

所述运动精度测试机构由PSD位置传感器和激光发射器组成。所述PSD位置传感器固定于二级臂杆的前端，激光发射器固定在二级臂杆的另一端上。所述激光发生器与PSD位置传感器的组合用于测量柔性臂末端的柔性变形量。

所述基座采用铸铁的T型槽和不锈钢支架，底座杆与第一连接件连接处设置4个弧形的孔，具有90°安装可调功能。

所述关节驱动机构，采用伺服电机驱动与谐波减速器传动的形式，由伺服电动机、联轴器、谐波减速器组成；其中，伺服电动机的额定输出为50W，额定输出转速为3000r/min；谐波减速器为XB1-25号单级谐波减速器，传动比为63：1。