本發明專利技術提供一種含諧波傳動空間機械臂模擬裝置，屬于航天工程技術領域。該裝置采用諧波減速器傳動及空間機械臂微重力測試機構，包含以下5個部分：基座，具有90°安裝可調功能；關節驅動機構，采用伺服電機驅動與諧波減速器傳動的形式；臂桿剛化調節機構，采用可更換臂桿套筒的拉力預緊機構，以模擬應力剛化作用下臂桿的不同柔性；懸吊機構，采用鋁合金型材支架和無附加約束的二維懸吊機構；運動精度測試機構，采用PSD位置傳感器和激光發生器，可測量機械臂末端的柔性變形量。該裝置能夠實現諧波傳動空間機械臂在微重力環境下的動力學性能測試，在航天工程領域有廣闊的應用前景。
【技術實現步驟摘要】
一種含諧波傳動的空間機械臂模擬裝置
本專利技術提供一種含諧波傳動空間機械臂模擬裝置，屬于民用航天工程
。
技術介紹
隨著空間技術的飛速發展，特別是空間站、航天飛機、空間機器人等的誕生及成功應用，空間機械臂作為在軌支持、服務的一項關鍵性技術已經進入太空，并越來越受到人們的關注。空間機械臂作為航天器上的重要維護工具，可以完成釋放、回收衛星以及空間站的在軌裝配、維修等各種任務，并作為航天員出艙工作的輔助工具。近年來，空間站在軌服務、深空探測等空間
的迅速發展，對于空間機械臂的工作能力和性能要求越來越高。在工程應用方面，空間機械臂技術的發展提升了航天器在軌維護與建設的能力，增強了航天器的工作性能。開展空間機械臂的地面微重力仿真實驗對空間機械臂的設計和控制研究具有重要的工程價值。此外，諧波減速器的結構緊湊、傳動效率高和回差小等優點使得其成為未來空間機械臂的主要減速機構。目前為止，國內外科研機構和學者針對空間機械臂的地面實驗提出了一系列的模擬裝置。根據機械臂的模擬裝置研究現狀，結合相關文獻發現現有的模擬裝置主要存在以下問題:(I)只關注機械臂的重力補償，而沒有具體的采用諧波減速的機械臂關節設計研究，如中國專利CN103144104 ；(2)現多采用氣浮法只能進行二維轉動及一維轉動和球面的三軸姿態控制試驗，如中國專利CN101865655 ；(3)空間機械臂地面實驗很少設計臂桿柔性的主動控制裝置，如美國專利US005390288。
技術實現思路
本專利技術考慮到現有空間機械臂地面模擬實驗裝置的缺陷，提出了一種含諧波傳動空間機械臂模擬裝置，該裝置包含諧波減速器傳動及空間機械臂微重力測試機構，能夠實現諧波傳動空間機械臂在微重力環境下的動力學性能測試。本專利技術采用的技術方案如下:該裝置主要由四部分組成，分別是機械臂回轉運動機構、微重力模擬與測試機構、臂桿剛化調節機構、運動精度測試機構；所述臂桿剛化調節機構設置于機械臂回轉運動機構的臂桿中，微重力模擬與測試機構設置于機械臂回轉運動機構上方，并與機械臂回轉運動機構的臂桿連接，運動精度測試機構設置于機械臂回轉運動機構的二級臂桿的前端；所述機械臂回轉運動機構由基座、連接件、關節、臂桿組成；其中，所述基座由T型槽、T型滑塊、支架和底座桿四部分組成，T型滑塊嵌在T型槽中，通過螺栓螺母把支架和T型滑塊連接，底座桿固定安裝在支架上；連接件有四件，關節和臂桿各有兩件:第一連接件連接底座桿與一級關節，具有90度安裝可調功能；第二連接件連接一級關節與一級臂桿；第三連接件連接一級臂桿與二級關節；第四連接件連接二級關節與二級臂桿；關節由關節殼體和關節驅動機構組成；所述臂桿剛化調節機構由拉力傳感器、吊環螺母、鋼絲、預緊調節裝置組成；第一拉力傳感器一端與第二連接件連接，另一端與第一吊環螺母連接；在第二吊環螺母上連接螺栓，再將兩個吊環螺母連接在第一鋼絲的兩端；將第二吊環螺母的螺栓穿過預緊螺母擋環，預緊螺母擋環卡在第三連接件中，用螺母將第二吊環螺母固定以拉緊鋼絲，以調節一級臂桿的剛度；預緊調節裝置安裝在二級臂桿的末端，第二拉力傳感器一端與第四連接件連接，另一端與第三吊環螺母連接；在第四吊環螺母上連接螺栓，再將兩個吊環螺母連接在第二鋼絲的兩端；將第四吊環螺母的螺栓穿過預緊調節裝置并用蝶形螺母固定，以調節二級臂桿的剛度；所述微重力模擬與測試機構由鋁型材支架、懸吊繩索、滑塊、滑軌、拉力傳感器組成；所述運動精度測試機構由PSD位置傳感器和激光發射器組成。所述PSD位置傳感器固定于二級臂桿的前端，激光發射器固定在二級臂桿的另一端上。所述激光發生器與PSD位置傳感器的組合用于測量柔性臂末端的柔性變形量。所述基座采用鑄鐵的T型槽和不銹鋼支架，底座桿與第一連接件連接處設置4個弧形的孔，具有90°安裝可調功能。所述關節驅動機構，采用伺服電機驅動與諧波減速器傳動的形式，由伺服電動機、聯軸器、諧波減速器組成；其中，伺服電動機的額定輸出為50W，額定輸出轉速為3000r/min ;諧波減速器為XB1-25號單級諧波減速器，傳動比為63:1。所述微重力模擬與測試機構包含:鋁型材支架、懸吊繩索、滑塊、滑軌、拉力傳感器；所述招型材支架由2根1360mm、5根1250mm的、6根1500mm的規格為40mmX40mm的鋁型材搭成；滑軌分為橫向滑軌和縱向滑軌；橫向滑軌兩端固定在位于前面和后面的支架上，每根橫向滑軌上有兩個滑塊，將縱向滑軌兩端固定在所述兩橫向滑軌的滑塊上，每根縱向滑軌上有一個滑塊。所述懸吊繩索一端固定在所述縱向滑軌的滑塊上，另一端連接在機械臂的臂桿中間位置。所述拉力傳感器串聯在懸吊繩索上，可以測試機械臂在運動過程中懸吊繩索的實時拉力。所述臂桿包含:喉箍、6061鋁合金管。6061鋁合金管套在所述連接件上，通過喉箍緊箍。所述臂桿剛化調節機構采用可更換臂桿套筒，安裝在機械臂回轉運動機構的臂桿中。本專利技術的技術效果為:(I)本專利技術研制了一種含諧波傳動空間機械臂模擬裝置，其優點及功效在于可以研究含諧波減速器的空間機械臂動力學輸出特性。(2)本專利技術的懸吊機構簡單，對空間機械臂沒有干涉，并可以調整懸吊繩索的張力。(3)本專利技術可以方便地調整臂桿剛化調節機構中鋼絲的預緊力，能實時獲得鋼絲張力的數值。(4)本專利技術采用高精度二維懸吊系統模擬空間機械臂的微重力測試實驗，并設計了臂桿柔性的主動控制裝置，擴展了空間機械臂地面模擬實驗的功能。(5)本專利技術能測試在不同驅動參數情況下空間機械臂的運動學特性，能模擬多種機械故障情況下空間機械臂臂桿的振動情況。【附圖說明】圖1 (a)和圖1 (b)是含諧波傳動空間機械臂模擬裝置的整體結構示意圖；圖2是基座的結構不意圖；圖3是關節殼體結構原理圖；圖4是關節驅動機構的原理圖；圖5是關節的整裝圖；圖6是一級臂桿剛度調節原理圖；圖7是二級臂桿剛度調節原理圖；圖8是臂桿的結構圖；圖9是懸吊裝置結構圖；圖10是運動精度測試原理圖。圖中標號:1-基座；IA-T型槽；IB-T型滑塊；1C_支架；ID-底座桿；2A_第一連接件；2B_第二連接件；2C-第三連接件；2D-第四連接件；3_關節殼體；3A-電機殼軸；3B-電機殼；3C_墊板；3D-減速器殼；4_關節驅動機構；4A-伺服電動機；4B-聯軸器；4C_諧波減速器；5A_鋁合金管；5B-喉箍；5C- —級臂桿；5D- 二級臂桿；6A-第一拉力傳感器；6B_第二拉力傳感器；7-吊環螺母；8A-第一鋼絲；8B-第二鋼絲；9_預緊調節裝置；9A-螺母擋環；9B_螺栓；9C-螺母；9D-蝶形螺母；9E-末端預緊螺母擋環；10_鋁型材支架；11_吊繩；12_滑塊；13A-橫向滑軌；13B-縱向滑軌；14_第三拉力傳感器；15-PSD位置傳感器；16_激光發射器。【具體實施方式】本專利技術提供了一種含諧波傳動空間機械臂模擬裝置，下面結合附圖對本專利技術的結構、原理與實施方式進一步說明。圖1 (a)和圖1 (b)是本專利技術中含諧波傳動空間機械臂模擬裝置的立體結構示意圖。該裝置包含四個主要部分，機械臂回轉運動機構；臂桿剛化調節機構；微重力模擬與測試機構、運動精度測試機構。臂桿剛化調節機構設置于機械臂回轉運動機構的臂桿中，微重力模擬與測試機構設置于機械臂回轉運動機構上方，連本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種含諧波傳動空間機械臂模擬裝置，主要由四部分組成，分別是機械臂回轉運動機構、微重力模擬與測試機構、臂桿剛化調節機構、運動精度測試機構，其特征在于，所述臂桿剛化調節機構設置于機械臂回轉運動機構的臂桿中，微重力模擬與測試機構設置于機械臂回轉運動機構上方，并與機械臂回轉運動機構的臂桿連接，運動精度測試機構設置于機械臂回轉運動機構的二級臂桿的前端；所述機械臂回轉運動機構由基座、連接件、關節、臂桿組成；其中，所述基座由T型槽、T型滑塊、支架、底座桿四部分組成，T型滑塊嵌在T型槽中，通過螺栓螺母把支架和T型滑塊連接，底座桿固定安裝在支架上；連接件有四件，關節和臂桿各有兩件：第一連接件連接底座桿與一級關節，具有90度安裝可調功能；第二連接件連接一級關節與一級臂桿；第三連接件連接一級臂桿與二級關節；第四連接件連接二級關節與二級臂桿；關節由關節殼體和關節驅動機構組成；所述臂桿剛化調節機構由拉力傳感器、吊環螺母、鋼絲、預緊調節裝置組成；第一拉力傳感器一端與第二連接件連接，另一端與第一吊環螺母連接；在第二吊環螺母上連接螺栓，再將兩個吊環螺母連接在第一鋼絲的兩端；將第二吊環螺母的螺栓穿過預緊螺母擋環，預緊螺母擋環卡在第三連接件中，用螺母將第二吊環螺母固定以拉緊鋼絲，以調節一級臂桿的剛度；預緊調節裝置安裝在二級臂桿的末端，第二拉力傳感器一端與第四連接件連接，另一端與第三吊環螺母連接；在第四吊環螺母上連接螺栓，再將兩個吊環螺母連接在第二鋼絲的兩端；將第四吊環螺母的螺栓穿過預緊調節裝置并用蝶形螺母固定，以調節二級臂桿的剛度；所述微重力模擬與測試機構由鋁型材支架、懸吊繩索、滑塊、滑軌、拉力傳感器組成；所述運動精度測試機構由PSD位置傳感器和激光發射器組成，PSD位置傳感器固定于二級臂桿的前端，激光發射器固定在二級臂桿的另一端。...
【技術特征摘要】
1.一種含諧波傳動空間機械臂模擬裝置，主要由四部分組成，分別是機械臂回轉運動機構、微重力模擬與測試機構、臂桿剛化調節機構、運動精度測試機構，其特征在于， 所述臂桿剛化調節機構設置于機械臂回轉運動機構的臂桿中，微重力模擬與測試機構設置于機械臂回轉運動機構上方，并與機械臂回轉運動機構的臂桿連接，運動精度測試機構設置于機械臂回轉運動機構的二級臂桿的前端； 所述機械臂回轉運動機構由基座、連接件、關節、臂桿組成；其中，所述基座由T型槽、T型滑塊、支架、底座桿四部分組成，T型滑塊嵌在T型槽中，通過螺栓螺母把支架和T型滑塊連接，底座桿固定安裝在支架上；連接件有四件，關節和臂桿各有兩件:第一連接件連接底座桿與一級關節，具有90度安裝可調功能；第二連接件連接一級關節與一級臂桿；第三連接件連接一級臂桿與二級關節；第四連接件連接二級關節與二級臂桿；關節由關節殼體和關節驅動機構組成； 所述臂桿剛化調節機構由拉力傳感器、吊環螺母、鋼絲、預緊調節裝置組成；第一拉力傳感器一端與第二連接件連接，另一端與第一吊環螺母連接；在第二吊環螺母上連接螺栓，再將兩個吊環螺母連接在第一鋼絲的兩端；將第二吊環螺母的螺栓穿過預緊螺母擋環，預緊螺母擋環卡在第三連接件中，用螺母將第二吊環螺母固定以拉緊鋼絲，以調節一級臂桿的剛度； 預緊調節裝置安裝在二級臂桿的末端，第二拉力傳感器一端與第四連接件連接，另一端與第三吊環螺母連接；在第四吊環螺母上連接...
【專利技術屬性】
技術研發人員：閻紹澤，趙杰亮，吳嘉寧，谷勇霞，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11
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