一种面向重力和微重力环境的机械臂半实物仿真装置的制作方法

1.本发明涉及半实物仿真技术领域，尤其是一种面向重力和微重力环境的机械臂半实物仿真装置。


背景技术：

2.关节作为机械臂的核心部件，直接决定着机械臂的运动学、动力学与控制性能。通常关节由电机、减速器、编码器、制动器等结构组成，其构成的传动系统结构异常复杂，且谐波齿轮减速器中柔轮在受到载荷变化时发生形变，导致模型参数具有不确定性，因此，很难通过理论方法建立准确的关节动力学模型。
3.此外，由于空间机械臂在重力和微重力两种环境下动力学存在着差异，若采用悬吊法、气浮法、水浮法进行全物理实验研究，势必要投入大量的资金、人力、场地等。随着科学技术的发展，半实物仿真技术成为了系统研制工作强有力的手段，具有提高系统研制质量、缩短研制周期和节省研制费用的优点。因此，研制机械臂半实物仿真装置，搭建机械臂半实物仿真系统，通过模拟机械臂在重力和微重力负载变化规律，对关节驱动力进行差异性分析，并开展相关控制研究，对于提高服役环境下机械臂整机运动性能具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明需要解决的技术问题是提供一种面向重力和微重力环境的机械臂半实物仿真装置，有效解决了大型或超大型机械臂难以开展实验问题，同时有助于开展机械臂结构优化、机械臂动力学特性分析、控制元件选型及方案验证等方面的工作。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种面向重力和微重力环境的机械臂半实物仿真装置，包括设置在底部的隔振台、实现关节姿态调整的关节姿态模拟部件、实现关节负载扭矩加载的负载扭矩模拟部件、实现关节径向力加载的径向力加载模拟部件和设置在负载扭矩模拟部件另一端的关节。
6.本发明技术方案的进一步改进在于：所述关节姿态模拟部件由安装在隔振台上侧的座体、安装在座体上侧的模拟机械臂在服役工况下关节的姿态变化规律的中空转台和安装在中空转台后侧的转台电机组成；所述中空转台的台面上安装转台连接板，在转台连接板的上侧设置安装板。
7.本发明技术方案的进一步改进在于：所述负载扭矩模拟部件由依次安装在安装板上的负载电机、减速器、支座、垫块和布置在垫块上侧的扭矩转速传感器以及分别安装在扭矩转速传感器与垫块前后两侧的传感器安装板组成；所述减速器的输出轴与扭矩转速传感器的输入轴通过i型联轴器键联接在一起；在安装板的右上侧设置关节安装座，所述关节安装在关节安装座的右侧；所述关节的输出轴端面上安装连接轴，在连接轴的中间轴段通过轴承安装加载块，在连接轴的前端轴段的螺纹位置安装螺母，连接轴的前端轴与扭矩转速传感器的输出轴通过ii型联轴器键联接在一起。
8.本发明技术方案的进一步改进在于：所述径向力加载模拟部件包括按不同方位布置在安装板上板面的相互垂直的两组压力加载组件；所述压力加载组件在平行于所述安装板上板面和垂直于所述安装板上板面的两个方位各布置一套，且两套压力加载组件通过浮动接头与所述加载块相连，平行于所述安装板上板面的压力加载组件通过组件连接板安装在安装板的上侧，垂直于所述安装板上板面的压力加载组件通过所述组件连接座安装在安装板的下侧。
9.本发明技术方案的进一步改进在于：所述压力加载组件包括伺服电动缸、电缸安装板、电动缸接头、弹簧安装块、压力传感器安装块、压力传感器、浮动接头、组件安装板、接头压块、滑块、导轨、弹簧、导杆、和导套；所述电缸安装板安装在组件安装板左上侧，所述伺服电动缸安装在电缸安装板左侧，所述电动缸接头的一端安装在所述伺服电动缸的推杆前端，所述电动缸接头的另一端通过所述接头压块与所述弹簧安装块相连在一起，所述滑块通过所述导轨安装在所述组件安装板上侧，所述弹簧安装块安装在所述滑块上侧，所述导套在所述压力传感器安装块两侧通孔处各布置一个，并采用顶丝进行固定。
10.本发明技术方案的进一步改进在于：所述导杆在所述弹簧安装块与所述压力传感器安装块对应的左、右两个沉孔位置各布置一个，所述导杆的一端安装在弹簧安装块的沉孔中，所述导杆的另一端安装在所述导套中，且在该端部安装有垫片和螺钉，所述弹簧穿入所述导杆，并置于所述弹簧安装块与所述压力传感器安装块对应的沉孔中，所述压力传感器的一端安装在压力传感器安装块右侧，所述压力传感器的另一端与所述浮动接头相连。
11.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：1、本发明利用关节姿态模拟部件模拟机械臂在服役工况下关节的姿态变化规律，利用径向力加载模拟部件模拟关节受到的径向力变化规律，利用负载扭矩模拟部件模拟关节受到的负载扭矩变化规律，将难以建立准确数学模型的关节作为实物对象，通过对其进行服役环境下所受载荷模拟加载，可用于关节传动系统测试、关节模型辨识、机械臂动力学精细化建模、不同环境机械臂动力学差异性分析等方面，对实现机械臂精准动力学控制具有重要意义。
12.2、本发明将难以建立准确数学模型的关节作为实物对象，将容易建模的部分基于相似性原理进行等效模拟，通过这种经济、便捷的技术方案有效解决了大型或超大型机械臂难以开展实验问题，同时有助于开展机械臂结构优化、机械臂动力学特性分析、控制元件选型及方案验证等方面的工作。
附图说明
13.图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的俯视结构示意图；图3是本发明中压力加载组件的结构示意图；图4是本发明中压力加载组件的俯视结构示意图；图5是本发明中压力加载组件的a
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a局部剖视结构示意图；其中，1、隔振台，2、座体，3、中空转台，4、转台电机，5、负载电机，6、减速器，7、支座，8、垫块，9、扭矩转速传感器，10、传感器安装板，11、加载块，12、压力加载组件，13、组件连接板，14、组件连接座，15、安装板，16、转台连接板，17、i型联轴器，18、ii型联轴器，19、螺
母，20、连接轴，21、关节安装座，22、关节，12
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1、伺服电动缸，12
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2、电缸安装板，12
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3、电动缸接头，12
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4、弹簧安装块，12
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5、压力传感器安装块，12
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6、压力传感器，12
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7、浮动接头，12
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8、组件安装板，12
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9、接头压块，12
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10、滑块，12
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11、导轨，12
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12、弹簧，12
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13、导杆，12
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14、导套。
具体实施方式
14.下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
15.如图1
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2所示，给出了本发明所提出的一种面向重力和微重力环境的机械臂半实物仿真装置一个实施例的具体结构。所述装置包括隔振台1、座体2、中空转台3、转台电机4、负载电机5、减速器6、支座7、垫块8、扭矩转速传感器9、传感器安装板10、加载块11、压力加载组件12、组件连接板13、组件连接座14、安装板15、转台连接板16、i型联轴器17、ii型联轴器18、螺母19、连接轴20、关节安装座21、关节22；所述座体2安装在隔振台1上侧，所述中空转台3安装在座体2上侧，所述转台电机4安装在中空转台3后侧，所述转台连接板16安装在中空转台3的台面上，所述安装板15安装在转台连接板16上侧，所述支座7安装在安装板15左上侧，所述减速器6安装在支座7左侧，所述负载电机5安装在减速器6左侧，所述垫块8安装在安装板15上侧，并布置在支座7右侧，所述扭矩转速传感器9布置在垫块8上侧，所述传感器安装板10分别安装在所述扭矩转速传感器9与所述垫块8前、后两侧，所述i型联轴器17通过键联接将所述减速器6的输出轴与扭矩转速传感器9的输入轴相连在一起，关节安装座21安装在安装板15右上侧，所述关节22安装在所述关节安装座21右侧，所述连接轴20安装在所述关节22的输出轴端面上，所述加载块11通过轴承安装在所述连接轴20的中间轴段，所述螺母19安装在所述连接轴20的前端轴段的螺纹位置，所述ii型联轴器18通过键联接将所述连接轴20的前端轴与扭矩转速传感器9的输出轴相连在一起。
16.所述压力加载组件12在平行于所述安装板15上板面和垂直于所述安装板15上板面两个方位各布置一套，且两套压力加载组件12通过浮动接头12
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7与所述加载块11相连，平行于所述安装板15上板面的压力加载组件12通过所述组件连接板13安装在安装板15上侧，垂直于所述安装板15上板面的压力加载组件12通过所述组件连接座14安装在安装板15下侧。
17.如图3
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5所示，本实施例中，所述压力加载组件12包括伺服电动缸12
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1、电缸安装板12
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2、电动缸接头12
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3、弹簧安装块12
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4、压力传感器安装块12
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5、压力传感器12
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6、浮动接头12
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7、组件安装板12
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8、接头压块12
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9、滑块12
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10、导轨12
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11、弹簧12
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12、导杆12
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13、导套12
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14；所述电缸安装板12
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2安装在组件安装板12
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8左上侧，所述伺服电动缸12
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1安装在电缸安装板12
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2左侧，所述电动缸接头12
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3的一端安装在所述伺服电动缸12
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1的推杆前端，所述电动缸接头12
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3的另一端通过所述接头压块12
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9与所述弹簧安装块12
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4相连在一起，所述滑块12
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10通过所述导轨12
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11安装在所述组件安装板12
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8上侧，所述弹簧安装块12
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4安装在所述滑块12
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10上侧，所述导套12
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14在所述压力传感器安装块12
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5两侧通孔处
各布置一个，并采用顶丝进行固定。
18.所述导杆12
‑
13在所述弹簧安装块12
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4与所述压力传感器安装块12
‑
5对应的左、右两个沉孔位置各布置一个，所述导杆12
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13的一端安装在弹簧安装块12
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4的沉孔中，所述导杆12
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13的另一端安装在所述导套12
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14中，且在该端部安装有垫片和螺钉，所述弹簧12
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12穿入所述导杆12
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13，并置于所述弹簧安装块12
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4与所述压力传感器安装块12
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5对应的沉孔中，所述压力传感器12
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6的一端安装在压力传感器安装块12
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5右侧，所述压力传感器12
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6的另一端与所述浮动接头12
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7相连。
19.使用方法：关节姿态模拟部件由座体2、中空转台3和转台电机4组成，通过对转台电机4进行位置反馈控制，实现关节姿态调整；在重力环境下，半实物仿真与全实物样机中关节姿态运动规律保持一致；若要模拟微重力环境，则需将关节旋转轴线始终调整为与重力方向一致；负载扭矩模拟部件由负载电机5、减速器6、支座7、垫块8、扭矩转速传感器9和传感器安装板10组成，通过对扭矩转速传感器9进行力矩反馈控制，实现关节负载扭矩加载；径向力加载模拟部件由相互垂直安装的两组压力加载组件组成，通过对压力传感器12
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6进行压力反馈控制，实现关节径向力加载。
20.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。