[发明专利]一种空间机械臂三维运动重力补偿系统

说明书

本发明涉及航天工程地面测试设备技术领域，特别涉及一种空间机械臂三维运动重力补偿系统。包括被补偿机械臂、随动机构、支架及吊丝悬挂系统，其中被补偿机械臂设置于支架的底部，随动机构设置于支架的顶部，且通过吊丝悬挂系统与被补偿机械臂连接；被补偿机械臂和随动机构的构型相同，通过同步控制被补偿机械臂和随动机构的运动，实现对被补偿机械臂的三维运动重力补偿。本发明对被补偿机械臂进行多轴、三维运动重力补偿，达到能在地面模拟空间微重力工作状态的目的。

技术领域

本发明涉及航天工程地面测试设备技术领域，特别涉及一种空间机械臂三维运动重力补偿系统。

背景技术

随着航天探索活动的不断开展，空间机械臂越来越成为完成空间操作任务的有效工具，可以代替航天员完成舱外作业，极大降低航天员的出舱风险，也可以在轨协助航天员完成舱内实验，减轻航天员的劳动强度。空间机械臂的实际工作环境为微重力环境，在地面验证其运动性能时，需要为其构造微重力模拟环境，才能验证、评估其真实工作状态下的定位精度、运动速度、操作力、力矩等性能指标。常用于空间机械臂地面重力补偿的方法有水浮法、气浮法与吊丝悬挂法等。水浮法需要搭建专用的水池测试系统，且需要对被补偿机械臂进行密封处理，成本较高。气浮法通常用于平面运动机构的重力补偿中，对于像机械臂这种多自由、且在三维空间中运动的系统，如果用气浮法，一般需要将机构分成几部分，分别单独在不同平面内作重力补偿下的运动模拟测试。空间机械臂在地面测试中，需要做长时间的运动寿命测试，如果将机械臂三维运动分解成几个不同平面运动单独进行气浮式微重力模拟测试，不但耗费巨大的时间成本，而且也不能完全模拟微重力下的动力学特性。吊丝悬挂法在微重力模拟中应用较多，其优点是成本低、实施简单，缺点是各个吊丝间可能存在干涉，因此通常难以用于三维运动机构，除非设计巧妙的构型以规避各吊丝间的干涉。吊丝法的应用受机械臂的具体构型影响较大，没有通用方案。另外，当在空间机械臂中应用吊丝配重时，通常只对受重力影响较大的部分关节进行配重。

针对一款空间六自由度小型机械臂的地面运动测试需求，为其搭建地面微重力模拟环境。为实现轻量化、小型化设计，空间机械臂的电机力矩按微重力环境下负载设计，需要对驱动性能受重力影响较大的关节进行重力补偿，且为了完成尽量全面的考核测试，机械臂需要进行长期的三维空间运动。目前没有现成的重力补偿系统可用，需要设计一套能适用于机械臂三维运动的重力补偿系统，以辅助其完成地面的运动性能测试、疲劳寿命测试与功能、性能指标测试等多项测试任务。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种空间机械臂三维运动重力补偿系统，对一款空间机械臂进行多轴、三维运动重力补偿，达到能在地面模拟空间微重力工作状态的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空间机械臂三维运动重力补偿系统，包括被补偿机械臂、随动机构、支架及吊丝悬挂系统，其中被补偿机械臂设置于支架的底部，随动机构设置于支架的顶部，且通过吊丝悬挂系统与被补偿机械臂连接；

所述被补偿机械臂和随动机构的构型相同，通过同步控制所述被补偿机械臂和随动机构的运动，实现对所述被补偿机械臂的三维运动重力补偿。

所述被补偿机械臂包括依次转动连接的六个关节。

所述吊丝悬挂系统包括多组吊丝组件，各吊丝组件的两端分别与所述被补偿机械臂和所述随动机构相对应的关节连接，并且各吊丝组件均保持竖直拉伸状态。

所述吊丝组件包括吊丝、配重砝码、滑轮组件及固定安装组件，其中固定安装组件与所述随动机构的一关节连接，滑轮组件设置于固定安装组件上；

所述吊丝经过滑轮组件，且一端与配重砝码连接，另一端与所述被补偿机械臂的关节连接。

所述吊丝包括下吊丝和上吊丝，所述下吊丝和上吊丝通过拉力传感器连接。

所述吊丝的另一端可转动地连接有无损工装组件，所述无损工装组件与所述被补偿机械臂连接。