一种用于空间机器人的空间操控全物理试验系统

1.本发明涉及航天地面仿真实验领域，具体地说是一种用于空间机器人的空间操控全物理试验系统。


背景技术：

2.为了测试空间机器人在外太空失重环境下的操控性能，一般需要进行地面实验研究和试验验证，而进行试验的设备一般需要具备两台分别具有六自由度的卫星模拟器，同时满足对卫星和7自由度空间机械臂的运动物理属性模拟，但是目前还没有可以同时提供给卫星和空间机械臂全物理操控的太空失重模拟装置，现有的模拟太空失重的装置常采用以下方法：一是利用落井、落塔做自由落体运动，或用飞机做抛物线飞行，获得短暂的无重力环境。二是采用失重水槽，通过水的浮力来抵消重力。但是第一种方法仅能模拟短时间的失重，一般不超过30s。第二种方法需要建造大型水池，而且水下环境对实验有很大的限制，例如卫星不防水，实验人员工作不便等。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，采用气浮和悬吊技术模拟太空失重环境，便于验证空间机器人的各项创新技术。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
5.一种用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，包括目标卫星模拟单元、操控卫星模拟单元和空间机械臂，且操控卫星模拟单元一侧设有空间机械臂，包括架体、悬吊平衡重力单元和支撑单元，其中支撑单元设于架体内部，且所述支撑单元中部设有光滑平台，目标卫星模拟单元下端和操控卫星模拟单元下端分别通过对应的气浮单元支撑，且气浮单元可移动地设于所述光滑平台上，所述悬吊平衡重力单元可移动地设于所述架体上侧，且所述悬吊平衡重力单元下侧设有移动架，所述移动架下侧设有可移动的吊挂机构，所述吊挂机构设有可升降的钢丝绳与空间机械臂连接。
6.所述吊挂机构包括吊挂移动座、卷扬机、电动缸、定滑轮、动滑轮和钢丝绳，其中吊挂移动座上端与所述移动架滑动连接，卷扬机、电动缸、定滑轮、动滑轮均设于所述吊挂移动座中，且定滑轮固设于吊挂移动座内，动滑轮通过所述电动缸驱动垂直移动，钢丝绳一端依次绕过所述定滑轮和动滑轮后缠绕于所述卷扬机上，另一端伸出所述吊挂移动座后与所述空间机械臂连接。
7.所述悬吊平衡重力单元设有横梁，所述移动架上侧与所述横梁滑动连接，所述横梁上设有移动架驱动齿条，所述移动架上侧设有移动架驱动电机，且所述移动架驱动电机的输出轴上设有移动架齿轮与所述移动架驱动齿条啮合。
8.所述横梁两端设有横梁移动座分别与所述架体对应侧的侧梁滑动连接，所述架体的侧梁上设有横梁移动齿条，所述横梁移动座上设有横梁驱动电机，且所述横梁驱动电机的输出轴上设有横梁驱动齿轮与所述横梁移动齿条啮合。
9.所述气浮单元下侧设有驱动轮沿着所述光滑平台滚动，所述气浮单元上设有激光测距传感器，所述支撑单元四周设有凸起板，且所述凸起板内侧设有反光板，所述激光测距传感器发出的信号经所述反光板反射返回系统传感器。
10.所述支撑单元下侧设有调节水平的可调支撑装置。
11.所述可调支撑装置包括底座、螺杆、锁紧螺母和顶块，其中螺杆下端与底座上端螺纹连接并通过所述锁紧螺母锁定，螺杆上端设有顶块。
12.所述气浮单元设有气浮组件，且所述气浮组件与所述光滑平台之间形成气膜。
13.所述气浮组件包括底板、顶板、气足螺杆和气足弹簧，其中气足螺杆设于底板和顶板之间，气足弹簧套设于气足螺杆上，所述底板底部设有气孔，所述底板上侧通入压缩空气。
14.所述气浮单元包括气浮底座以及设于所述气浮底座下侧的驱动轮、气浮组件和制动吸盘。
15.本发明的优点与积极效果为：
16.1、本发明利用吊挂机构的钢丝绳与空间机械臂随动平衡掉空间机械臂重力，同时利用气浮单元中的气浮组件与支撑单元的光滑平台之间形成气膜平衡掉卫星模拟器重力，从而模拟了太空失重环境，便于验证空间机器人的各项技术创新。
17.2、本发明的悬吊平衡重力单元中的横梁、移动架以及吊挂机构中的吊挂移动座可实现钢丝绳多自由移动，可以跟随空间机械臂移动，并且吊挂机构中的卷扬机和电动缸控制钢丝绳伸缩，可保证钢丝绳拉力能够精确平衡掉空间机械臂重力。
18.3、本发明的气浮单元设有驱动轮和制动吸盘，方便卫星模拟单元移动和定点制动。
19.4、本发明支撑单元的光滑平台202需保证水平才能实现卫星模拟单元气浮，因此本发明在支撑单元2下侧设置可调节支撑装置保证其水平，满足实验要求。
附图说明
20.图1为本发明的立体示意图，
21.图2为本发明的主视图，
22.图3为图1中的悬吊平衡重力单元结构示意图，
23.图4为图3中的吊挂机构结构示意图，
24.图5为图4中的吊挂机构侧视图，
25.图6为图1中的支撑单元结构示意图，
26.图7为图6中的可调支撑装置结构示意图，
27.图8为图1中的操控卫星模拟单元结构示意图，
28.图9为图8中的气浮单元结构示意图，
29.图10为图9中的气浮组件结构示意图，
30.图11为图2中的空间机械臂结构示意图，
31.图12为图1中的目标卫星模拟单元结构示意图。
32.其中，1为悬吊平衡重力单元，101为吊挂机构，1011为吊挂移动座，1012为卷扬机，1013为电动缸，1014为定滑轮，1015为动滑轮，1016为钢丝绳，1017为吊挂驱动电机，102为
移动架，1021为移动架驱动电机，1022为齿轮，1023为移动架滑块，1024为上安装板，1025为下安装板，1026为控制箱，103为横梁，104为横梁移动座，2为支撑单元，201为可调支撑装置，2011为底座，2012为锁紧螺母，2013为螺杆，2014为顶块，202为光滑平台，203为反光板，3为空间机械臂，4为目标卫星模拟单元，401为第二立架，5为操控卫星模拟单元，501为第一立架，502为机械臂支撑架，6为架体，7为气浮单元，701为支板，702为气浮底座，703为激光测距传感器，704为气浮组件，7041为顶板，7042为气足螺杆，7043为气足弹簧，7044为底板，705为缓冲弹簧，706为驱动轮，707为制动吸盘。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步详述。
34.如图1～12所示，本发明包括架体6、悬吊平衡重力单元1、支撑单元2、目标卫星模拟单元4、操控卫星模拟单元5和空间机械臂3，其中支撑单元2设于架体6内部，且如图6所示，所述支撑单元2中部设有光滑平台202、四周设有反光板203，如图8和图12所示，所述目标卫星模拟单元4下端和操控卫星模拟单元5下端分别通过对应的气浮单元7支撑，且气浮单元7可移动地设于所述光滑平台202上，如图2所示，所述操控卫星模拟单元5一侧设有空间机械臂3，所述悬吊平衡重力单元1可移动地设于所述架体6上侧，且如图3～4所示，所述悬吊平衡重力单元1下侧设有移动架102，所述移动架102下侧设有可移动的吊挂机构101，所述吊挂机构101设有可升降的钢丝绳1016与所述空间机械臂3连接。
35.本发明工作时，所述支撑单元2中部光滑平台202上的操控卫星模拟单元5模拟空间失重环境下的稳定目标，而目标卫星模拟单元4模拟空间失重环境下的失稳目标，所述操控卫星模拟单元5使用空间机械臂3操控目标卫星模拟单元4，进而完成空间任务，而所述悬吊平衡重力单元1和气浮单元7则实现所述操控卫星模拟单元5、目标卫星模拟单元4和空间机械臂3的空间微重力环境模拟。
36.如图3所示，所述悬吊平衡重力单元1设有横梁103，且所述横梁103两端设有横梁移动座104分别与所述架体6对应侧的侧梁滑动连接，本实施例中，所述横梁移动座104上设有横梁驱动电机，且所述横梁驱动电机的输出轴上设有横梁驱动齿轮，所述架体6的侧梁上设有横梁移动滑轨和横梁移动齿条，且所述横梁移动座104下侧设有横梁移动滑块与所述横梁移动滑轨配合，所述横梁驱动齿轮与所述横梁移动齿条啮合。所述横梁驱动电机通过所述横梁移动齿轮和横梁移动齿条传递转矩驱动横梁103移动。
37.所述横梁103下侧设有移动架滑轨和移动架驱动齿条，如图4所示，所述移动架102上侧设有移动架驱动电机1021和移动架滑块1023，其中移动架滑块1023与对应侧的移动架滑轨吊挂配合实现移动架102和横梁102的滑动连接，移动架驱动电机1021的输出轴上设有移动架驱动齿轮与所述移动架驱动齿条配合，所述移动架驱动电机1021通过所述移动架驱动齿轮和移动架驱动齿条传递转矩驱动移动架102移动。
38.如图4所示，所述移动架102上侧设有上安装板1024，且所述移动架驱动电机1021和移动架滑块1023均设于所述上安装板1024上，所述移动架102下侧设有下安装板1025，且所述吊挂机构101可移动地设于所述下安装板1025上，如图5所示，所述移动架102一侧设有控制箱1026承装控制系统模块。
39.如图4所示，所述吊挂机构101包括吊挂移动座1011、卷扬机1012、电动缸1013、定
滑轮1014、动滑轮1015和钢丝绳1016，其中吊挂移动座1011上端与所述移动架102的下安装板1025滑动连接，卷扬机1012、电动缸1013、定滑轮1014、动滑轮1015均设于所述吊挂移动座1011中，其中定滑轮1014固设于吊挂移动座1011内，动滑轮1015则通过所述电动缸1013驱动垂直移动，钢丝绳1016一端依次绕过所述定滑轮1014和动滑轮1015后缠绕于所述卷扬机1012上，另一端伸出所述吊挂移动座1011后与所述空间机械臂3连接。本发明通过调节所述卷扬机1012的转动和电动缸1013的伸缩实现钢丝绳1016对空间机械臂3重力的精确平衡，所述定滑轮1014安装在一个力传感器上，可以实时获得钢丝绳1016拉力大小，系统根据所述力传感器测得的力值控制钢丝绳1016伸缩，从而提高空间机械臂3的重力平衡精确度。所述力传感器为市购产品。
40.如图4～5所示，所述移动架102的下安装板1025下侧设有吊挂移动滑轨和吊挂驱动齿条，所述吊挂移动座1011上端设有吊挂滑块与对应的吊挂移动滑轨配合实现吊挂移动座1011与所述下安装板1025的滑动连接，所述吊挂移动座1011一侧设有吊挂驱动电机1017，且所述吊挂驱动电机1017输出轴上设有吊挂驱动齿轮与所述吊挂驱动齿条配合。本发明通过所述横梁103、移动架102和吊挂移动座1011配合移动以及钢丝绳1016的上下移动使其可以随空间机械臂3移动，并通过设计的运动控制策略，使钢丝绳1016的拉力始终等于空间机械臂3的重力，也即平衡掉空间机械臂3重力。
41.如图6所示，本实施例中，所述光滑平台202采用花岗岩无缝连接制成，如图8～9和图12所示，所述气浮单元7设有驱动轮706可沿着所述光滑平台202滚动，从而实现所述目标卫星模拟单元4和操控卫星模拟单元5在所述光滑平台202上的移动，所述气浮单元7上设有激光测距传感器703，所述支撑单元2四周设有凸起板，且所述凸起板内侧设有反光板203，所述激光测距传感器703发出的信号经所述反光板203反射返回系统传感器，从而确定各个卫星模拟单元的位置信息。所述激光测距传感器703为市购产品。
42.如图6～7所示，所述支撑单元2下侧设有可调支撑装置201以保证光滑平台202水平，本实施例中，所述可调支撑装置201包括底座2011、螺杆2013、锁紧螺母2012和顶块2014，其中螺杆2013下端与底座2011上端螺纹连接并通过所述锁紧螺母2012锁定，螺杆2013上端设有顶块2014支撑所述支撑单元2，螺杆2013旋拧升降实现支撑单元2调平。
43.如图9所示，所述气浮单元7包括气浮底座702、驱动轮706、气浮组件704和制动吸盘707，其中气浮底座702上侧设有支板701与对应卫星模拟单元连接，气浮底座702四周设有激光测距传感器703，气浮底座702下侧设有驱动轮706、气浮组件704和制动吸盘707，其中驱动轮706的轮架上端通过连接轴与所述气浮底座702上梁连接，且所述连接轴上设有缓冲弹簧705，所述驱动轮706上设有电机驱动旋转，从而实现对应模拟单元的移动，所述制动吸盘与设于气浮底座702内的真空装置相连以实现吸附光滑平台202实现定位。
44.如图10所示，所述气浮组件704包括底板7044、顶板7041、气足螺杆7042和气足弹簧7043，其中气足螺杆7042设于底板7044和顶板7041之间，气足弹簧7043套设于气足螺杆7042上且两端分别与所述底板7044和顶板7041相抵，所述底板7044底部设有若干微小的气孔，所述底板7044上侧设有气管用于通入压缩空气，且压缩空气从底板7044下侧的微小气孔喷出，利用气体的反作用力，使气浮组件704与光滑平台202之间形成0.03mm左右的气缝，实现卫星模拟单元浮动，此时驱动轮706脱离光滑平台202。所述气浮底座702内设有压缩空气发生装置，该装置为本领域公知技术且为市购产品。
45.如图11所示，本实施例的空间机械臂3采用7自由度机械臂，其包括肩关节、肘关节、腕关节等结构，所述空间机械臂3为本领域公知技术。
46.如图8所示，所述操控卫星模拟单元5设有第一立架501安装于对应的气浮单元7上，所述操控卫星模拟单元5的壳体外侧设有机械臂支撑架502用于安装所述空间机械臂3。所述操控卫星模拟单元5为本领域公知技术。
47.如图12所示，所述目标卫星模拟单元4设有第二立架401安装于对应的气浮单元7上，第二立架401外侧设有罩板以使外形与真实卫星相同。所述目标卫星模拟单元4为本领域公知技术，其可实现六自由度运动。
48.本发明的工作原理为：
49.当系统运行时，悬吊重力平衡单元1平衡空间机械臂3的重力，气浮单元7配合支撑单元2的光滑平台202平衡操控卫星模拟单元5、目标卫星模拟单元4的重力，从而实现模拟微重力环境目的。在上述微重力环境中，操控卫星模拟单元5通过7自由度的空间机械臂3对目标卫星模拟单元4进行操作，包括：合作目标抓捕转位和停靠、双臂协同精细操作、失稳目标单/双臂抓捕制动、稳定目标喷管抓捕等实验，从而验证操控卫星模拟单元5、目标卫星模拟单元4和空间机械臂3的运动学和动力学特性，以及7自由度空间机械臂3的控制算法和相对导航与图像识别算法。
50.具体如下：
51.步骤一：对目标卫星模拟单元5、操控卫星模拟单元4和空间机械臂3组成的多体系统进行运动学、动力学分析，得到空间机械臂3完成合作目标抓捕转位和停靠、双臂协同精细操作、失稳目标单/双臂抓捕制动、稳定目标喷管抓捕等任务时的运动轨迹。
52.步骤二：通过步骤一获得的空间机械臂3运动轨迹，得到与空间机械臂3连接的吊挂机构101的三维运动轨迹以及操控卫星模拟单元4、目标卫星模拟单元5在支撑单元2上的运动轨迹。
53.步骤三：根据步骤二获得的轨迹，对悬吊重力平衡单元1中的横梁103、移动架102以及吊挂机构101中的吊挂移动座1011进行运动策略设计，使吊挂机构101配合空间机械臂3运动且相互之间互不干涉，同时对目标卫星模拟单元5进行控制，使其完成空间六自由度运动。
54.步骤四：通过调试横梁103、吊挂机构101的控制策略以及目标卫星模拟单元5的跟随策略，实现物体之间的避干涉优化。
55.上述过程中，根据空间机械臂3的运动学和动力学分析，本发明通过吊挂机构101中卷扬机1012和电动缸1013的控制实现钢丝绳1016对空间机械臂3重力的精确平衡，并通过气浮组件704充入压缩空气与支撑单元2的光滑平台202之间形成气膜平衡掉对应卫星模拟单元的重力，所述光滑平台202需保证水平才能实现气浮，模拟单元一旦气浮起来，由于模拟单元与光滑平台202之间失去摩擦力，光滑平台202发生倾斜会导致模拟单元向一侧运动，达不到实验目的，因此本发明在支撑单元2下侧设置可调节支撑装置201保证其水平，满足实验要求。

技术特征：
1.一种用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，包括目标卫星模拟单元、操控卫星模拟单元和空间机械臂，且操控卫星模拟单元一侧设有空间机械臂，其特征在于：包括架体(6)、悬吊平衡重力单元(1)和支撑单元(2)，其中支撑单元(2)设于架体(6)内部，且所述支撑单元(2)中部设有光滑平台(202)，目标卫星模拟单元(4)下端和操控卫星模拟单元(5)下端分别通过对应的气浮单元(7)支撑，且气浮单元(7)可移动地设于所述光滑平台(202)上，所述悬吊平衡重力单元(1)可移动地设于所述架体(6)上侧，且所述悬吊平衡重力单元(1)下侧设有移动架(102)，所述移动架(102)下侧设有可移动的吊挂机构(101)，所述吊挂机构(101)设有可升降的钢丝绳(1016)与空间机械臂(3)连接。2.根据权利要求1所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述吊挂机构(101)包括吊挂移动座(1011)、卷扬机(1012)、电动缸(1013)、定滑轮(1014)、动滑轮(1015)和钢丝绳(1016)，其中吊挂移动座(1011)上端与所述移动架(102)滑动连接，卷扬机(1012)、电动缸(1013)、定滑轮(1014)、动滑轮(1015)均设于所述吊挂移动座(1011)中，且定滑轮(1014)固设于吊挂移动座(1011)内，动滑轮(1015)通过所述电动缸(1013)驱动垂直移动，钢丝绳(1016)一端依次绕过所述定滑轮(1014)和动滑轮(1015)后缠绕于所述卷扬机(1012)上，另一端伸出所述吊挂移动座(1011)后与所述空间机械臂(3)连接。3.根据权利要求1所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述悬吊平衡重力单元(1)设有横梁(103)，所述移动架(102)上侧与所述横梁(103)滑动连接，所述横梁(103)上设有移动架驱动齿条，所述移动架(102)上侧设有移动架驱动电机(1021)，且所述移动架驱动电机(1021)的输出轴上设有移动架齿轮与所述移动架驱动齿条啮合。4.根据权利要求3所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述横梁(103)两端设有横梁移动座(104)分别与所述架体(6)对应侧的侧梁滑动连接，所述架体(6)的侧梁上设有横梁移动齿条，所述横梁移动座(104)上设有横梁驱动电机，且所述横梁驱动电机的输出轴上设有横梁驱动齿轮与所述横梁移动齿条啮合。5.根据权利要求1所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述气浮单元(7)下侧设有驱动轮(706)沿着所述光滑平台(202)滚动，所述气浮单元(7)上设有激光测距传感器(703)，所述支撑单元(2)四周设有凸起板，且所述凸起板内侧设有反光板(203)，所述激光测距传感器(703)发出的信号经所述反光板(203)反射返回系统传感器。6.根据权利要求1所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述支撑单元(2)下侧设有调节水平的可调支撑装置(201)。7.根据权利要求6所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述可调支撑装置(201)包括底座(2011)、螺杆(2013)、锁紧螺母(2012)和顶块(2014)，其中螺杆(2013)下端与底座(2011)上端螺纹连接并通过所述锁紧螺母(2012)锁定，螺杆(2013)上端设有顶块(2014)。8.根据权利要求1所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述气浮单元(7)设有气浮组件(704)，且所述气浮组件(704)与所述光滑平台(202)之间形成气膜。9.根据权利要求8所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述气浮组件(704)包括底板(7044)、顶板(7041)、气足螺杆(7042)和气足弹簧(7043)，其中
气足螺杆(7042)设于底板(7044)和顶板(7041)之间，气足弹簧(7043)套设于气足螺杆(7042)上，所述底板(7044)底部设有气孔，所述底板(7044)上侧通入压缩空气。10.根据权利要求1所述的用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，其特征在于：所述气浮单元(7)包括气浮底座(702)以及设于所述气浮底座(702)下侧的驱动轮(706)、气浮组件(704)和制动吸盘(707)。

技术总结
本发明涉及一种用于空间机器人的空间操控全物理试验系统，包括目标卫星模拟单元、操控卫星模拟单元、空间机械臂，且操控卫星模拟单元一侧设有空间机械臂，还包括架体、悬吊平衡重力单元和支撑单元，其中支撑单元设于架体内部，且所述支撑单元中部设有光滑平台，目标卫星模拟单元下端和操控卫星模拟单元下端分别通过对应的气浮单元支撑，且气浮单元可移动地设于所述光滑平台上，所述悬吊平衡重力单元可移动地设于所述架体上侧，且所述悬吊平衡重力单元下侧设有移动架，所述移动架下侧设有可移动的吊挂机构，所述吊挂机构设有可升降的钢丝绳与空间机械臂连接。本发明采用气浮和悬吊技术模拟太空失重环境，便于验证空间机器人的各项创新技术。各项创新技术。各项创新技术。


技术研发人员：徐志刚 位亚强 贺云 刘勇 孙银金 李木岩 白鑫林
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2021.11.22
技术公布日：2023/5/23