一种用于抑制空间机器人末端执行器振动的装置的制作方法

本发明属于航天技术领域，特别涉及一种用于抑制空间机器人末端执行器振动的装置。

背景技术：

目前，随着航天任务的多样化、精细化，航天员已不足以应对所有的航天任务，由此空间机器人在航天任务中的角色愈发重要。出于对发射成本和任务要求的权衡以及对太空失重因素的考量，空间机器人较地面机器人具有更长、更细的连杆和更轻、更灵活的关节机构，这导致空间机器人具有不可忽视的结构柔性，包括连杆柔性和关节柔性。连杆柔性与关节柔性是限制机器人达到令人满意的轨迹的主要限制因素，因而需要对其引起的振动进行抑制。对柔性机器人进行振动抑制的目的是降低机器人末端执行器由于振动引起的轨迹跟踪误差没提高机器人的运行精度。目前为止，振动抑制的主要执行机构是机械臂的关节电机，主要实现方式是根据末端执行器的期望轨迹，建立柔性机器人的动力学方程，通过求解逆动力学得到关机电机的控制力矩，最终实现精确的末端轨迹跟踪。然而，理论上，由于柔性机器人动力学方程存在两种时间尺度的运动，即慢变运动与快变运动，逆动力学计算极其困难，且受机械臂变形影响，固有模态不能精确计算获得；工程上，关节电机针对振动产生的高频变化、幅度较小的力矩分量不仅不能精确地抵消振动，还极易导致系统运动失稳。综上所述，目前利用关节电机抑制振动在理论上较难实现，在工程上不能实现。因而需要一种理论上、工程上均可行的振动抑制方案。

技术实现要素：

为了解决空间机器人末端执行器在位置姿态上六个自由度的振动难以抑制的问题，本发明提供了一种基于动量交换的振动抑制设备，使空间机器人的关节电机无需应对末端执行器的振动问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于抑制空间机器人末端执行器振动的装置，包括平动减震单元、旋转减震单元、控制器以及固定架，其中共有六个平动减震单元与三个旋转减震单元。

所述固定架为立方体结构，固定有六个平动减震单元，三个旋转减震单元以及一个控制器。其中与每两个平动减震单元为一组，两者安装方向一致，且关于立方体的中心对称，三组交换器安装方向两两垂直。三个旋转减震单元的安装的轴线两两垂直。平动减震单元与固定架通过一对压力传感器相连，旋转减震单元的电机固结于固定架上，电位计一部分固定于固定架上，一部分固定于动量轮上。

所述平动减震单元包含外壳、外部电磁线圈、质量单元、弹簧、压力传感器。其特征在于，压力传感器位于外壳外部的两端，其余部件安装与外壳内部，电磁线圈缠绕于绝缘筒上，绝缘筒内部两端分别固定有一个弹簧，弹簧另外一段连接于质量单元，质量单元由电磁线圈与软磁体组成，电磁线圈两端与两个弹簧相连。软磁体-内部电磁线圈受时变磁场变化做变速运动，其惯性力通过压力传感器作用到末端执行器上。

所述的旋转减震单元包括微型电机、减速齿轮、力矩传感器、电位计以及动量轮。其特征在于，微型电机固定于固定架上，微型电机转轴和动量轮的转轴中间由减速齿轮连接，动量轮的转轴中间设有力矩传感器，电位计固定于固定架与动量轮之间。动量轮受电机驱动做变速转动，其惯性力矩作用到末端执行器上。

所述的控制器接受各传感器的数据，将数据上传于星载电脑，并接受、放大星载电脑的控制信号，对交换器进行直接控制。其特征是固定于固定架上，对各减震单元的电压进行单独控制。

本发明的有益效果是，本发明实现了不依赖关节电机的振动抑制，同时不影响系统的位置，对系统姿态影响极小，具有可实现性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明平动减震单元剖面图；

图3是本发明的旋转减震单元主视图。

图中1.控制器，2.旋转减震单元，3.平动减震单元，4.固定装置，5.电位计，6.动量轮，7.力矩传感器，8.减速齿轮，9.传动轴，10.电机，11.压力传感器，12.外壳，13.弹簧，14外部电磁线圈，15内部电磁线圈，16软磁体，17绝缘筒。

具体实施方式

整体结构如图1所示，固定架4为立方体结构，固定有六个平动减震单元3，三个旋转减震单元2以及一个控制器1。其中与每两个平动减震单元3为一组，两者安装方向一致，并且关于末端执行器的质心对称，从而保证平动减震单元3不干扰末端执行器的姿态稳定。三个旋转减震单元2的安装方向两两垂直。平动减震单元3与固定架4通过一对压力传感器11相连，旋转减震单元2的电机10固结于固定架4上，电位计5一部分固定于固定架4上，一部分固定于动量轮6上。

旋转减震单元2结构如图3所示，电机10通过传动轴9连接减速齿轮8，动量轮6与减速齿轮8中间设有力矩传感器7，以记录输出力矩，电位计5位于动量轮6与固定架4之间。

平动减震单元3如图2所示，其压力传感器11固定于外壳12两端，在绝缘筒17内部，两端分别固定有一个无磁性的金属材质弹簧13，弹簧13的另外一段与内部电磁线圈15相连，内部电磁线圈15绕在软磁体16外表面，并将两个弹簧13连接成通路。绝缘筒17外部绕有外部电磁线圈14，其电流电压受控制器1控制。

当空间机器人的末端执行器产生振动时，星载计算机根据末端执行器的运动状态计算振动分量并实时地得到该振动抑制器的六个电压输入信息，控制器1接受电压输入信号，并将其放大为工作电压。其中当平动减震单元3通电，则外电磁线圈14形成磁场，而内部电磁线圈15通有恒定电流，弹簧13与内部电磁线圈15所构成的质量单元受磁场的磁场力和弹簧13的回复力而运动，根据牛顿第三定律，末端执行器所受力等效于质量单元的惯性力。而控制器1产生的快变电压使平动减震单元3产生快变的作用力，当其作用力方向与瞬时振动速度方向相反时，可以抑制空间机器人的平动自由度的振动。当旋转减震单元2通电，则电机10带动动量轮6旋转，则动量轮6角速度的变化而产生的惯性力矩即为末端执行器所受的力矩，当其惯性力矩方向与角速度中振动的分量方向相反，则其惯性力可以抑制转动的振动分量。因此该设备实现了对空间机器人三个平动方向、三个转动方向的振动抑制的目的。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种用于空间机器人末端执行器振动抑制的装置，属于航天领域。该装置包括了平动减震单元、旋转减震单元、控制器以及固定架，该装置外廓为立方体，在六条棱边上分别装有六个平动减震单元，内部装有三个旋转减震单元，其安装方向两两相互垂直，控制器固定于固定骨架内部。该装置能够利用交换器产生的快速变化的力与力矩，实现对空间机器人末端执行器在六个自由度上包括平动与转动方向上的振动抑制作用。

技术研发人员：袁建平;车德佳
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2017.05.27
技术公布日：2017.09.22