六自由度空間機械臂地面微重力等效實驗裝置及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空間機械臂地面微重力等效實驗裝置及實驗方法，尤其涉及一種為在空間失重環(huán)境下工作的六自由度空間機械臂在地面進行全部六自由度運動學模擬實驗的空間機械臂地面微重力運動學等效實驗裝置及實驗方法，屬于空間機械臂地面實驗領域。
【背景技術】
[0002]在對空間機械臂的運動學和動力學進行研究的過程中，需要在地面有效的模擬出空間機械臂在空間中失重環(huán)境下的工作狀態(tài)。
[0003]目前對空間機械臂的地面模擬實驗主要使用兩種裝置:吊絲裝置和平面氣浮裝置。吊絲裝置可以實現多個自由度的運動，但是干擾力很大;平面氣浮裝置可以實現x、Y兩個方向干擾力極小的平動，但是因其僅能實現在平面內的無摩擦運動，因此對于多自由度耦合的空間機械臂，平面氣浮裝置僅可支持空間機械臂2-3個自由度的運動，無法同時實現全部自由度的耦合聯動，往往需要多套不同的氣浮裝置通過不同的安裝方式才能逐次實現對全部自由度的模擬，且上述兩種方法均無法驗證空間機械臂在運動過程中對其它衛(wèi)星載荷和設備的影響，因此試驗的等效性不足。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供六自由度空間機械臂地面微重力等效實驗裝置及實驗方法，解決了傳統的空間機械臂地面模擬實驗裝置干擾力較大或自由度較少的問題，并可模擬在運動過程中對其它衛(wèi)星載荷和設備的影響，極大的提高了空間機械臂在地面進行微重力環(huán)境等效模擬實驗的實驗覆蓋性和試驗效果。
[0005]本發(fā)明的技術解決方案是:六自由度空間機械臂地面微重力等效實驗裝置，包括軸承裝置Α、支架氣足裝置B和滾輪氣足裝置C;
[0006]所述軸承裝置Α，包括軸承組件、模擬衛(wèi)星載荷安裝板和配重塊，軸承組件包括軸承座、位于軸承座上的軸承和轉軸，轉軸套在軸承里，模擬衛(wèi)星載荷安裝板安裝在轉軸上，配重塊安裝在模擬衛(wèi)星載荷安裝板上，用于使軸承裝置A的重心位于所述轉軸中心;所述模擬衛(wèi)星載荷安裝板用于安裝與空間機械臂運動相關的傳感器和衛(wèi)星設備；
[0007]支架氣足裝置B，包括支架和第一氣足裝置，支架安裝在第一氣足裝置上，用于固定空間機械臂b3關節(jié)；
[0008]滾輪氣足裝置C，包括滾輪組件和第二氣足裝置，滾輪組件安裝在第二氣足裝置上，用于與空間機械臂臂桿連接，以實現空間機械臂臂桿的無摩擦滾轉運動；
[0009]所述第一氣足裝置和第二氣足裝置結構相同，均用于實現平面內三個自由度的無摩擦運動，且高度可調節(jié)。
[0010]所述第一氣足裝置和第二氣足裝置均包括平面氣足組件、壓力傳感器、支桿組件和彈簧組件;平面氣足組件包括平面氣足安裝板和均布在所述平面氣足安裝板上的三個平面氣足;支桿組件包括上支桿安裝板、下支桿安裝板以及均布在上支桿安裝板和下支桿安裝板之間的三根可調節(jié)高度的支桿，壓力傳感器安裝在平面氣足安裝板和下支桿安裝板之間；彈簧組件安裝在上支桿安裝板上，能夠對第一氣足裝置和第二氣足裝置的高度進行微調，以實現第一氣足裝置和第二氣足裝置對空間機械臂的支撐。
[0011]所述彈簧組件包括彈簧上安裝板、彈簧下安裝板、四個直線導軌、四個直線軸承和四個彈簧，四個直線導軌均布在彈簧上安裝板上，每個直線導軌上套有一個彈簧，且每個直線導軌套在一個直線軸承中，四個直線軸承安裝在彈簧下安裝板上;所述彈簧組件通過彈簧下安裝板安裝在上支桿安裝板上。
[0012]所述支架為U型片狀結構，用于固定空間機械臂3關節(jié)。
[0013]所述滾輪組件包括滾輪支架、滾輪安裝板、滾輪和卡環(huán)；
[0014]所述滾輪支架為安裝在第二氣足裝置上的C型框架，其開口直徑大于空間機械臂長臂桿的直徑;滾輪安裝板垂直安裝在滾輪支架上，滾輪安裝板上端加工成與卡環(huán)直徑相匹配的半圓形圓弧，且在所述半圓形圓弧上安裝有滾輪，在卡環(huán)與所述半圓形圓弧相接觸的外圓周上加工有導軌凹形槽，當卡環(huán)安裝在滾輪安裝板上時，所述滾輪位于所述導軌凹形槽中。
[0015]利用所述的六自由度空間機械臂地面微重力等效實驗裝置的實驗方法，包括如下步驟:
[0016]步驟一:將空間機械臂I關節(jié)的轉動輸出端與軸承裝置A的軸承連接，將軸承裝置A的軸承座固定于支撐架上，在模擬衛(wèi)星載荷安裝板上安裝與空間機械臂運動相關的傳感器和衛(wèi)星設備;將空間機械臂b3關節(jié)的殼體固定于支架氣足裝置B的支架上，將空間機械臂短臂桿末端套入安裝于滾輪氣足裝置C的滾輪組件上，且滾輪氣足裝置C的位置靠近空間機械臂b5關節(jié)和b6關節(jié)；
[0017]步驟二:調節(jié)軸承裝置A配重塊的配置，使軸承裝置A的重心位于軸承上轉軸中心；
[0018]步驟三:調節(jié)第一氣足裝置5和第二氣足裝置7的高度，使支架氣足裝置B和滾輪氣足裝置C對地面壓力相同，且使用水平儀測量空間機械臂長臂桿和短臂桿保持水平；
[0019]步驟四:通過空間機械臂控制系統為空間機械臂發(fā)送指令，使空間機械臂各關節(jié)運動，實現空間機械臂在地面微重力環(huán)境下全部六個自由度的地面微重力等效實驗；
[0020]步驟五:采集空間機械臂各個關節(jié)的運動狀態(tài)，與發(fā)送的指令進行對比，從而判斷空間機械臂各個關節(jié)在地面微重力環(huán)境下工作是否正常，如果正常，進入步驟六，否則記錄運動狀態(tài)與發(fā)送的指令不一致的關節(jié)，空間機械臂在地面微重力環(huán)境下全部六個自由度的地面微重力等效實驗結束；
[0021]步驟六:采集安裝在模擬衛(wèi)星載荷安裝板上的傳感器和衛(wèi)星設備的信息，并判斷所述傳感器和衛(wèi)星設備的工作是否正常，如果不正常，記錄不正常的信息，空間機械臂在地面微重力環(huán)境下全部六個自由度的地面微重力等效實驗結束；否則，空間機械臂在地面微重力環(huán)境下全部六個自由度等效運動正常，地面微重力等效實驗結束。
[0022]本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于:
[0023](I)本發(fā)明通過軸承裝置A用于模擬衛(wèi)星載荷安裝板繞軸承組件的相對轉動實現機械臂bl關節(jié)的模擬微重力環(huán)境等效運動，滾輪氣足裝置C用于模擬空間機械臂的被支撐臂桿在平面上三個自由度的模擬微重力環(huán)境下運動和I個自由度的臂桿滾轉運動，支架氣足裝置B用于模擬空間機械臂的被支撐關節(jié)在平面上三個自由度的模擬微重力環(huán)境下運動，因此，本發(fā)明通過軸承裝置A、氣足裝置B和滾輪氣足裝置C的組合使用，解決了在地面等效模擬實驗中實現空間機械臂全部六個自由度多軸耦合聯動的問題，實現了為失重工作環(huán)境下設計的空間機械臂在地面重力環(huán)境下進行全部六個自由度的地面微重力運動學等效試驗。
[0024](2)本發(fā)明軸承裝置A中的軸承通過轉軸為空間機械臂bl關節(jié)提供無摩擦轉動，第一氣足裝置和第二氣足裝置中的平面氣足為機械臂提供平面內的無摩擦支撐，滾輪氣足裝置C中的滾輪組件為機械臂臂桿提供無摩擦滾轉軌道，從而使空間機械臂在地面微重力運動學等效試驗過程中全部六個自由度均保持了極低的干擾力水平，提高了微重力環(huán)境模擬實驗的等效性。
[0025](3)本發(fā)明通過軸承裝置A模擬衛(wèi)星載荷安裝板繞軸承組件的相對轉動，實現了空間機械臂的運動相關的各種傳感器、衛(wèi)星設備相對空間機械臂的模擬運動，解決了空間機械臂在運動過程中對其它衛(wèi)星載荷和設備的影響的地面模擬實驗驗證問題。
[0026](4)本發(fā)明第一氣足裝置和第二氣足裝置中的彈簧組件能夠對高度進行微調，使實驗裝置具備一定的自適應和自調節(jié)能力，降低了空間機械臂微重力等效實驗裝置在使用時對安裝精度的要求，提高了裝置的安全性和可靠性。
[0027](5)本發(fā)明第一氣足裝置和第二氣足裝置中的支桿組件可以通過支桿調節(jié)機械臂微重力等效實驗裝置的高度，從而可靈活適應不同空間機械臂的安裝要求。
[0028](6)本發(fā)明第一氣足裝置和第二氣足裝置中設置有壓力傳感器，通過壓力傳感器實時監(jiān)控第一氣足裝置和第二氣足裝置的支撐效果，當機械臂微重力等效實驗裝置因故障、平面氣足組件與水平面之間距離改變或其它原因使其對空間機械臂失去支撐作用或機械臂因故障原因受到向下的外力時，壓力傳感器檢測的壓力值降低或增大，壓力傳感器通過報警提示操作人員，提高了裝置的安全性和可靠性。
[0029](7)本發(fā)明滾輪組件通過在滾輪安裝板上端加工半圓形圓弧，