[发明专利]关节式机械臂微低重力补偿系统

说明书

技术领域

本发明创造属于宇宙航行条件的模拟装置领域，尤其是涉及一种微低重力补偿系统。

背景技术

随着我国航天事业的深入发展，空间机械臂逐渐成为完成空间任务的重要工具。为了验证机械臂在空间中能否正常工作，充分保证机械臂在空间环境中工作性能，需要对其进行微低重力模拟试验。机械臂微低重力模拟试验是在地球重力环境下模拟机械臂在空间微低重力环境的受力试验，其基本原理是利用重力补偿系统提供机械臂重力差值，实现空间微低重力环境的模拟。微低重力补偿系统是微低重力试验的重要组成部分。目前常用的微低重力补偿方法可以归结为水浮法、气球悬浮法、气浮平台法、自由落体法和悬吊重力补偿法。其中悬吊式重力补偿方法由于容易满足试验对象的三维运动的跟踪，通过先进的控制和测量手段，补偿精度可以很高，并且试验时间一般不受限制，在微低重力试验模拟中逐渐得到重视。

为满足模拟试验的要求，悬吊式补偿系统由顶向下至少应该包括随动跟踪系统、拉力补偿系统和悬吊系统。最下层的悬吊系统是与机械臂直接相关部分；次下层为拉力补偿系统，为机械臂提供所需的补偿力；顶层为随动跟踪系统，作为拉力补偿系统和悬吊装置跟踪机械臂运动的载体。其中拉力补偿系统通常包含主动式补偿和被动式补偿。被动补偿方式由于补偿精度和适应性、灵活性较差，因而常用于运动性能和精度要求不高的场合。主动式补偿方式由于补偿力可以主动控制，因而特别适应变载荷的试验对象，并且通过一定的控制方法补偿精度较高，可以较真实的实现微低重力模拟。目前常用的悬吊重力补偿系统一般针对单一物体(或可以看成单一物体)的运动，仅利用单一X-Y形式的直角坐标式运动机构对目标进行跟踪，难以实现对类似关节式机械臂等需要多臂悬吊、多吊点协调运动的试验对象进行模拟试验。

发明内容

本发明创造要解决的问题是提供一种关节式机械臂微低重力补偿系统，完成对关节式机械臂的微低重力补偿，实现在地球重力环境下模拟关节式机械臂在空间微低重力环境下的运动情况，从而验证其在空间微低重力环境下的工作性能。

为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是：一种关节式机械臂微低重力补偿系统，包括：用于支撑整个补偿系统的支撑架，包括上层平台和支柱；直角式跟踪平台，安装于所述支撑架的上层平台且可相对于所述上层平台的X、Y方向运动；极坐标式跟踪平台，安装于所述直角式跟踪平台的下方且可绕所述直角式跟踪平台的Z轴自转或随所述直角式跟踪平台在X、Y方向运动；重力补偿系统，安装于所述直角式跟踪平台的顶部和所述极坐标式跟踪平台的底部，用于提供重力补偿力；悬吊装置，连接于重力补偿系统和关节式机械手臂之间；控制系统，用于控制直角式跟踪平台和极坐标式跟踪平台的运动、监控所述重力补偿系统的补偿力。

其中，所述直角式跟踪平台包括X向移动平台及其驱动、传动系统和Y向移动平台及其驱动、传动系统，所述X向移动平台和所述Y向移动平台之间设置有X向直线导轨，且X向移动平台沿所述X向直线导轨运动，所述Y向移动平台和所述上层平台之间设置有Y向直线导轨，且所述Y向移动平台沿所述Y向直线导轨运动；所述重力补偿系统安装于所述X向移动平台顶部。

X向移动平台和Y向移动平台在两者各自的驱动、传动系统的作用下实现相对运动及同步运动，从而实现其下方的极坐标式跟踪系统的X、Y向运动。

其中，所述极坐标式跟踪平台，包括回转平台及其驱动、传动系统和直线移动平台及其驱动、传动系统，所述回转平台平行于水平面且其回转轴与所述直角式跟踪平台的Z轴重合，所述直线移动平台通过直线移动导轨连接于所述回转平台的底部且相对于所述回转平台做直线运动；所述重力补偿系统安装于所述直线移动平台上。

其中，所述重力补偿系统为主动重力补偿，包括主动重力补偿装置和绳索收放装置，所述主动重力补偿系统连接所述绳索收放装置并控制后者上下收放所述悬吊装置。

其中，所述悬吊装置包括吊索、吊架和转接工装，所述吊架通过所述吊索连接其上方的重力补偿系统，所述吊架通过所述转接工装连接其下方的关节式机械臂，所述吊索上设置有用于测定吊索拉力和吊索倾角的传感器。

进一步，与所述直角式跟踪平台上的重力补偿系统相连的吊索穿过所述极坐标式跟踪平台的回转轴，从而保证该吊索所属的悬吊装置不会相对于所述极坐标式跟踪平台发生X、Y方向的位移，而与所述直线移动平台相连的悬吊装置则可绕所述极坐标式跟踪平台的或转轴公转，通过上述两个悬吊装置的配合可实现关节式机械臂的动作转换。

进一步，所述吊索与所述吊架通过销轴铰接，所述转接工装通过球形接头铰接所述吊架，所述转接工装固接关节式机械臂。