空间机械臂地面微重力混合模拟方法研究

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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

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 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

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 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

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

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

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 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

gro und一 b ased f a eil it y of t he 7一 D O F m an i P

u 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 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

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引言 (In tr o du ction ) 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

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

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 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

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