六自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种空间机械臂地面微重力等效实验装置及实验方法，尤其涉及一种为在空间失重环境下工作的六自由度空间机械臂在地面进行全部六自由度运动学模拟实验的空间机械臂地面微重力运动学等效实验装置及实验方法，属于空间机械臂地面实验领域。
【背景技术】
[0002]在对空间机械臂的运动学和动力学进行研究的过程中，需要在地面有效的模拟出空间机械臂在空间中失重环境下的工作状态。
[0003]目前对空间机械臂的地面模拟实验主要使用两种装置:吊丝装置和平面气浮装置。吊丝装置可以实现多个自由度的运动，但是干扰力很大;平面气浮装置可以实现x、Y两个方向干扰力极小的平动，但是因其仅能实现在平面内的无摩擦运动，因此对于多自由度耦合的空间机械臂，平面气浮装置仅可支持空间机械臂2-3个自由度的运动，无法同时实现全部自由度的耦合联动，往往需要多套不同的气浮装置通过不同的安装方式才能逐次实现对全部自由度的模拟，且上述两种方法均无法验证空间机械臂在运动过程中对其它卫星载荷和设备的影响，因此试验的等效性不足。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供六自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置及实验方法，解决了传统的空间机械臂地面模拟实验装置干扰力较大或自由度较少的问题，并可模拟在运动过程中对其它卫星载荷和设备的影响，极大的提高了空间机械臂在地面进行微重力环境等效模拟实验的实验覆盖性和试验效果。
[0005]本发明的技术解决方案是:六自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置，包括轴承装置Α、支架气足装置B和滚轮气足装置C;
[0006]所述轴承装置Α，包括轴承组件、模拟卫星载荷安装板和配重块，轴承组件包括轴承座、位于轴承座上的轴承和转轴，转轴套在轴承里，模拟卫星载荷安装板安装在转轴上，配重块安装在模拟卫星载荷安装板上，用于使轴承装置A的重心位于所述转轴中心;所述模拟卫星载荷安装板用于安装与空间机械臂运动相关的传感器和卫星设备；
[0007]支架气足装置B，包括支架和第一气足装置，支架安装在第一气足装置上，用于固定空间机械臂b3关节；
[0008]滚轮气足装置C，包括滚轮组件和第二气足装置，滚轮组件安装在第二气足装置上，用于与空间机械臂臂杆连接，以实现空间机械臂臂杆的无摩擦滚转运动；
[0009]所述第一气足装置和第二气足装置结构相同，均用于实现平面内三个自由度的无摩擦运动，且高度可调节。
[0010]所述第一气足装置和第二气足装置均包括平面气足组件、压力传感器、支杆组件和弹簧组件;平面气足组件包括平面气足安装板和均布在所述平面气足安装板上的三个平面气足;支杆组件包括上支杆安装板、下支杆安装板以及均布在上支杆安装板和下支杆安装板之间的三根可调节高度的支杆，压力传感器安装在平面气足安装板和下支杆安装板之间；弹簧组件安装在上支杆安装板上，能够对第一气足装置和第二气足装置的高度进行微调，以实现第一气足装置和第二气足装置对空间机械臂的支撑。
[0011]所述弹簧组件包括弹簧上安装板、弹簧下安装板、四个直线导轨、四个直线轴承和四个弹簧，四个直线导轨均布在弹簧上安装板上，每个直线导轨上套有一个弹簧，且每个直线导轨套在一个直线轴承中，四个直线轴承安装在弹簧下安装板上;所述弹簧组件通过弹簧下安装板安装在上支杆安装板上。
[0012]所述支架为U型片状结构，用于固定空间机械臂3关节。
[0013]所述滚轮组件包括滚轮支架、滚轮安装板、滚轮和卡环；
[0014]所述滚轮支架为安装在第二气足装置上的C型框架，其开口直径大于空间机械臂长臂杆的直径;滚轮安装板垂直安装在滚轮支架上，滚轮安装板上端加工成与卡环直径相匹配的半圆形圆弧，且在所述半圆形圆弧上安装有滚轮，在卡环与所述半圆形圆弧相接触的外圆周上加工有导轨凹形槽，当卡环安装在滚轮安装板上时，所述滚轮位于所述导轨凹形槽中。
[0015]利用所述的六自由度空间机械臂地面微重力等效实验装置的实验方法，包括如下步骤:
[0016]步骤一:将空间机械臂I关节的转动输出端与轴承装置A的轴承连接，将轴承装置A的轴承座固定于支撑架上，在模拟卫星载荷安装板上安装与空间机械臂运动相关的传感器和卫星设备;将空间机械臂b3关节的壳体固定于支架气足装置B的支架上，将空间机械臂短臂杆末端套入安装于滚轮气足装置C的滚轮组件上，且滚轮气足装置C的位置靠近空间机械臂b5关节和b6关节；
[0017]步骤二:调节轴承装置A配重块的配置，使轴承装置A的重心位于轴承上转轴中心；
[0018]步骤三:调节第一气足装置5和第二气足装置7的高度，使支架气足装置B和滚轮气足装置C对地面压力相同，且使用水平仪测量空间机械臂长臂杆和短臂杆保持水平；
[0019]步骤四:通过空间机械臂控制系统为空间机械臂发送指令，使空间机械臂各关节运动，实现空间机械臂在地面微重力环境下全部六个自由度的地面微重力等效实验；
[0020]步骤五:采集空间机械臂各个关节的运动状态，与发送的指令进行对比，从而判断空间机械臂各个关节在地面微重力环境下工作是否正常，如果正常，进入步骤六，否则记录运动状态与发送的指令不一致的关节，空间机械臂在地面微重力环境下全部六个自由度的地面微重力等效实验结束；
[0021]步骤六:采集安装在模拟卫星载荷安装板上的传感器和卫星设备的信息，并判断所述传感器和卫星设备的工作是否正常，如果不正常，记录不正常的信息，空间机械臂在地面微重力环境下全部六个自由度的地面微重力等效实验结束；否则，空间机械臂在地面微重力环境下全部六个自由度等效运动正常，地面微重力等效实验结束。
[0022]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0023](I)本发明通过轴承装置A用于模拟卫星载荷安装板绕轴承组件的相对转动实现机械臂bl关节的模拟微重力环境等效运动，滚轮气足装置C用于模拟空间机械臂的被支撑臂杆在平面上三个自由度的模拟微重力环境下运动和I个自由度的臂杆滚转运动，支架气足装置B用于模拟空间机械臂的被支撑关节在平面上三个自由度的模拟微重力环境下运动，因此，本发明通过轴承装置A、气足装置B和滚轮气足装置C的组合使用，解决了在地面等效模拟实验中实现空间机械臂全部六个自由度多轴耦合联动的问题，实现了为失重工作环境下设计的空间机械臂在地面重力环境下进行全部六个自由度的地面微重力运动学等效试验。
[0024](2)本发明轴承装置A中的轴承通过转轴为空间机械臂bl关节提供无摩擦转动，第一气足装置和第二气足装置中的平面气足为机械臂提供平面内的无摩擦支撑，滚轮气足装置C中的滚轮组件为机械臂臂杆提供无摩擦滚转轨道，从而使空间机械臂在地面微重力运动学等效试验过程中全部六个自由度均保持了极低的干扰力水平，提高了微重力环境模拟实验的等效性。
[0025](3)本发明通过轴承装置A模拟卫星载荷安装板绕轴承组件的相对转动，实现了空间机械臂的运动相关的各种传感器、卫星设备相对空间机械臂的模拟运动，解决了空间机械臂在运动过程中对其它卫星载荷和设备的影响的地面模拟实验验证问题。
[0026](4)本发明第一气足装置和第二气足装置中的弹簧组件能够对高度进行微调，使实验装置具备一定的自适应和自调节能力，降低了空间机械臂微重力等效实验装置在使用时对安装精度的要求，提高了装置的安全性和可靠性。
[0027](5)本发明第一气足装置和第二气足装置中的支杆组件可以通过支杆调节机械臂微重力等效实验装置的高度，从而可灵活适应不同空间机械臂的安装要求。
[0028](6)本发明第一气足装置和第二气足装置中设置有压力传感器，通过压力传感器实时监控第一气足装置和第二气足装置的支撑效果，当机械臂微重力等效实验装置因故障、平面气足组件与水平面之间距离改变或其它原因使其对空间机械臂失去支撑作用或机械臂因故障原因受到向下的外力时，压力传感器检测的压力值降低或增大，压力传感器通过报警提示操作人员，提高了装置的安全性和可靠性。
[0029](7)本发明滚轮组件通过在滚轮安装板上端加工半圆形圆弧，