空间机械臂地面微重力混合模拟方法研究_叶平

建 立 7一 D O F 空 间机 械 臂 的连 杆 坐 标系 , 如 图 2
所示; 表 l 所示为 7一 D O F 空间机械臂连杆参数.
均 采 用 吊丝 配重 法 . 吊丝 配重 法 虽然 可 以实现 空 间 机械 臂 的重 力补 偿 , 但 是 系统 复 杂 且重 力补 偿 精度
不高 .
口 上 么七 姚
l 刁 (20 12 PT B 一 00一 11 ) .
通 讯作 者: l 于 卜 .I 叹 , yepi ng@ bupt. ed u. en
收 稿 /录 用 /修 回: 20 12一 12一 31 /20 12一 01一 22 / 20 12一 03一 21
机
器
人
2013 年 5 月
微 重 力 实验 , 难 以用 于 3 维 空 间运 动 条 件下 的 微重 力 实验 睁 一 4], 水 浮 法 是 指 在 大 型 中 性 水 池 中模 拟 微 重 力 环
1 0 876 ) (北京邮 电大 学 自动化 学院 , 北京
摘 要 : 针对 可用于空间站组装 的 7一 D O F 空间机械臂 的结构特 点 , 提 出了基于气浮 和静平衡 的地面微重 力混 合模拟 方法 . 采 用气浮法 实现 7一 D O F 空间机 械臂 中间段 的重力补偿 , 并设计两套静平衡机 构分别用 于实现 7一 D OF 空 间机械 臂两端 肩部和腕部 的重 力补偿 . 利用 该混合模拟方法搭 建的地 面微重力实验 系统 , 能够 实现 7一 D O F 空间 机械臂的 3 维运动 , 可用于 7一 D O F 空间机械臂的末端定位精度测试 ! 目标 捕获等地面 实验研 究. 利用 A D A M S 建立 了 7一 D O F 空间机械 臂地面微重力实验系统的仿真模型 , 并进行 了仿真实验研究. 仿真实验结果表明 : 该方法可 以用 于 7一 D O F 空间机械 臂的微重力模拟 . 关键词 : 空间机械臂; 微重力环境 ; 静平衡机构 : 气浮 中图分类号 : T P 24 文献标识码 : B
gro und 一 b ased f a eil it y of t he 7 一 D O F m an i Pu l ator 15 m o deled w i th A D A M S , and i ts P er o r f m a n ee 15 stud i ed . S i m ul ati o n re sult s
随 着科 学 技 术 的 发展 , 空 间机 器 人在 人类 探 索
确性 {.! 3}. 在地面 进行 实验验 证 , 首先 需要模 拟 太 空
的微 重 力 环境 . 目前 , 国 内外 空 间机 械 臂地 面 微 重
力环 境 的模拟 方 法 主 要 有 : 气 浮 法 ! 水 浮法 和 吊丝 配重法 等 . 气 浮法 是 采用 气足 ( 又称 空气轴 承 ) , 将 空 间机 械臂 支 撑在 光 滑 的气 浮 台上 , 利用 气足 喷 气 的反 作 用 力抵 消 机械 臂 的重 力 . 该方 法 具有 结构 简 单 .!承 载能 力大 !精 度 高等特 点 , 在 2 维平 面 内 , 气浮法 可 以达 到 很 好 的 实验 效 果 . 加 拿 大 M D A 公 司研 制 的 Ca n a d ann Z 机 械 臂 和 欧 洲 航 天 局 E S A 研 制 的 E R A 机 械 臂 , 均 采 用 气 浮法 开展 相应 的 地 面 实 验 研 究 . 太 空 活动 中发挥 着 越 来越 重 要 的作 用 , 不 仅可 以协 助 或 者 代 替宇 航 员执 行 空间 站组 装 ! 维修 ! 部件 更 换 等 传 统在 轨 操 作 , 还 可 以执 行 燃 料 补给 ! 航 天 器
grou nd 15 Pr o Po sed . T h
m idd l e seg m en t of the 7一 D OF m a n iPu l ator 1 5 com P ensat e d by ai - b ea r i n g suP Po r r t .A nd tw o stat ie b al n ei a ng m e
关节7
法 对 空 间机 械 臂 的 密封 性 要求 很 高 , 因 而需 要对 系
统进 行较 大 的 改造 . 吊丝 配 重 法 是指 通 过滑 轮组 利用 配 重物 的重 力
末端执行器
图 1 7一 D O F 空间机械臂系统
i g .1 F T he 7 一 D O F sPa c e ro b o tie m a n iP u lato r sy ste m
轴 线 相互 平 行 . 在 轨 操 作 时 , 7 一 D O F 空 间机 械 臂 肩 部 的末 端 执行 器 与 空 间站连 接 , 腕 部 的末 端执 行器 用 于操作 . 此外 , 肩 部和 腕部 可 以交 替使 用 , 实现 行
走.
末端执行 器
境 , 通过添加配重使得空间机械臂在水中的浮力与 重 力 相平 衡 , 利 用水 浮 法 能够 在 地面 微 重力 环 境 中
d esi gn ed to eom P en sat e the grav i ty o f b ot h en ds of t h e 7一 D O F m an i Pu lator , i. e. t h e sh ou l d er an d w r i st, resPee t i ve l . y 而 erog ravit y gro un d一 b ased f c a di m en si o ns.T h e r il it y usi ng t h e hy br i d m etho d all ow s t h e 7一 D O F m an i P ulat or t o Per o f m r
ea n b e u sed f o r sP a c e st t i a o n assem b l y , a h ybr i d m et h od f o rm i ero grav i t y si m ul ati on f o r t he 7一 D O F m ani Pul at or on t h e e Presented m etho d 1 5 a eo m binat i o n of air - b ea i n g su PP or r t a n d st at i e b alanei n g . G ravit y of t he eha nism s ar e T he
第 35 卷第 3 期 20 13 年 5 月
D O I: 10 . 3 724 l S P J.12 18. 2 0 13 . 0 02 99
Biblioteka Baidu机器人
R O BO T
o V
l.3 5 , N o .3 M ay, 20 13
空 间机械 臂地 面微重 力混合模拟方法研 究
叶 平, 何 雷, 宋 爽 , 孙汉旭
静 平 衡机 构 是通 过 添加 辅 助 连 杆 机 构 和 弹 簧 , 使 整 个 系 统 的重 力 势 能 和 弹 性 势 能 总和 保 持 不 变 , 从 而 实 现 机 构 系 统 的 重 力补 偿 { 8一 9]. 文 [r o 2利 用 静 平 衡机 构 减 小 因 自身 重 力产 生 的机械 臂 关节 负载 转 矩 , 从 而提 高机 械 臂 的操 作性 能 . 文 [ l l一 2 ] 采用 静 1 平衡 机 构 设计 了用于 手臂 和 下肢康 复训练 的 医疗 器
来 补 偿 空 间机械 臂 的重 力 , 即采 用 吊丝 竖 直 向上 的 拉 力来 平 衡 空 间机 械 臂 的 重力 . 美 国卡 耐 基 一梅 隆 大学 研 制 的 SM Z 机 器 人 地 面 实验 系 统 [ ] 和 北 京控 0
制 工程 研 究 所研 制 的 舱 外 自由移 动 机 器 人 系统 [ l, v
实 现 空 间机 械 臂 的 3 维 空间运 动 . 美 国马里 兰 大学 研制的 R a n ge r 机器 人 , 其地 面 实验 系统采 用水 浮法 模 拟 微重 力 环境 阎. 但 是 , 空 间机械 臂 在水 中运 动 ,
水 的勃 性 阻 力 会 改变 系 统 动 力 学特 性 . 同 时, 水 浮
但 是 , 气 浮法 只 适 用于 空 间机 械 臂 在 2 维 平 面 内 的
墓 余项 ! 8 : 国 家 97 3 计划资助项 目 ( 2 0 1 3C B 73 3 00 5 ); 困 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 日 1 1 1750 6 8 0 ) ; 中 央 高 校 基 本科 研 业 务 费专 项 资 金 资 助 项
e t ea P tu r e a ls o e a n b e e a n r e d o u t o n th e g r o u n d . T h e m ic ro g ra v ity
m a n iP u la to r e a n b e m e a su r e d, a n d ex Per i m e n ts o f ta g r
d e m o n st r a te t h e f e a sib ility o f t h e Pr o P o se d m ie r o g ra v ity s im u la tio n m e t h od f o rt h e 7一 D O F sP a c e r o bot i e m a n iP u lato r.
e y w o rds: sP aee ro boti K e m a m Pul at o r:而 erog ravit y enviro nm ent: stat i e balaneing m eeha n i sm : ai卜bea r i n g su PP or t
1
引言 (In tr o du ction )
文章编号: 1002一 0446(2013卜 03一 0299一 07
A H y b rid M e th o d f o r M ier o g rav ity S im u la tio n of S P a ce R o b o t i c M a n iP u Ia to r
Y E P in g , H E L e i, S O N G S h u a n g , S U N H an x u
( A ut o m ati on Sc h ool , B ei ji ng U n i ver s i勺 ,o f P O st s and T e l eeom m uni eat i o, : s, Bei ji 月 9 1( ) 876 , C X h i na)
A b stra et: A eeo rding t o st U etural eharaeteri r st ies o f a sPaee robo t ie m an i P ul at or w it h 7 D O Fs ( d egrees of f e ed o m ) w h i r eh
监视 与捕 获 等 新型 在 轨操 作 . 空 间机 械 臂 作为 空 间
机 器 人 系统 的 重要 组 成部 分 , 具 有 多 自由度 控 制 的 难 度 与 高风 险 , 是 决 定在 轨 操 作 任 务成 败 的 关键 . 因此 , 在 发 射 入轨 之 前 , 必须 在 地 面模 拟 的微 重 力 环 境 中对 空 间机 械 臂进 行 全面 的 ! 严 格 的 仿真 与验 证 , 从 而 保证 空 间机 械 臂在 轨 执行 各 项任 务 时 的准
m o vem ent i n t h ree
o re , i f n t h e sim ulat ed m jerog a r
vit y environ m ent, t h e Po sit ion i n g accu r a ey of t h e en d 一 ef e cto r of t h e7一 DO F