本發(fā)明屬于航天技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于抑制空間機器人末端執(zhí)行器振動的裝置。

背景技術(shù)：

目前，隨著航天任務(wù)的多樣化、精細(xì)化，航天員已不足以應(yīng)對所有的航天任務(wù)，由此空間機器人在航天任務(wù)中的角色愈發(fā)重要。出于對發(fā)射成本和任務(wù)要求的權(quán)衡以及對太空失重因素的考量，空間機器人較地面機器人具有更長、更細(xì)的連桿和更輕、更靈活的關(guān)節(jié)機構(gòu)，這導(dǎo)致空間機器人具有不可忽視的結(jié)構(gòu)柔性，包括連桿柔性和關(guān)節(jié)柔性。連桿柔性與關(guān)節(jié)柔性是限制機器人達(dá)到令人滿意的軌跡的主要限制因素，因而需要對其引起的振動進行抑制。對柔性機器人進行振動抑制的目的是降低機器人末端執(zhí)行器由于振動引起的軌跡跟蹤誤差沒提高機器人的運行精度。目前為止，振動抑制的主要執(zhí)行機構(gòu)是機械臂的關(guān)節(jié)電機，主要實現(xiàn)方式是根據(jù)末端執(zhí)行器的期望軌跡，建立柔性機器人的動力學(xué)方程，通過求解逆動力學(xué)得到關(guān)機電機的控制力矩，最終實現(xiàn)精確的末端軌跡跟蹤。然而，理論上，由于柔性機器人動力學(xué)方程存在兩種時間尺度的運動，即慢變運動與快變運動，逆動力學(xué)計算極其困難，且受機械臂變形影響，固有模態(tài)不能精確計算獲得；工程上，關(guān)節(jié)電機針對振動產(chǎn)生的高頻變化、幅度較小的力矩分量不僅不能精確地抵消振動，還極易導(dǎo)致系統(tǒng)運動失穩(wěn)。綜上所述，目前利用關(guān)節(jié)電機抑制振動在理論上較難實現(xiàn)，在工程上不能實現(xiàn)。因而需要一種理論上、工程上均可行的振動抑制方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決空間機器人末端執(zhí)行器在位置姿態(tài)上六個自由度的振動難以抑制的問題，本發(fā)明提供了一種基于動量交換的振動抑制設(shè)備，使空間機器人的關(guān)節(jié)電機無需應(yīng)對末端執(zhí)行器的振動問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種用于抑制空間機器人末端執(zhí)行器振動的裝置，包括平動減震單元、旋轉(zhuǎn)減震單元、控制器以及固定架，其中共有六個平動減震單元與三個旋轉(zhuǎn)減震單元。

所述固定架為立方體結(jié)構(gòu)，固定有六個平動減震單元，三個旋轉(zhuǎn)減震單元以及一個控制器。其中與每兩個平動減震單元為一組，兩者安裝方向一致，且關(guān)于立方體的中心對稱，三組交換器安裝方向兩兩垂直。三個旋轉(zhuǎn)減震單元的安裝的軸線兩兩垂直。平動減震單元與固定架通過一對壓力傳感器相連，旋轉(zhuǎn)減震單元的電機固結(jié)于固定架上，電位計一部分固定于固定架上，一部分固定于動量輪上。

所述平動減震單元包含外殼、外部電磁線圈、質(zhì)量單元、彈簧、壓力傳感器。其特征在于，壓力傳感器位于外殼外部的兩端，其余部件安裝與外殼內(nèi)部，電磁線圈纏繞于絕緣筒上，絕緣筒內(nèi)部兩端分別固定有一個彈簧，彈簧另外一段連接于質(zhì)量單元，質(zhì)量單元由電磁線圈與軟磁體組成，電磁線圈兩端與兩個彈簧相連。軟磁體-內(nèi)部電磁線圈受時變磁場變化做變速運動，其慣性力通過壓力傳感器作用到末端執(zhí)行器上。

所述的旋轉(zhuǎn)減震單元包括微型電機、減速齒輪、力矩傳感器、電位計以及動量輪。其特征在于，微型電機固定于固定架上，微型電機轉(zhuǎn)軸和動量輪的轉(zhuǎn)軸中間由減速齒輪連接，動量輪的轉(zhuǎn)軸中間設(shè)有力矩傳感器，電位計固定于固定架與動量輪之間。動量輪受電機驅(qū)動做變速轉(zhuǎn)動，其慣性力矩作用到末端執(zhí)行器上。

所述的控制器接受各傳感器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳于星載電腦，并接受、放大星載電腦的控制信號，對交換器進行直接控制。其特征是固定于固定架上，對各減震單元的電壓進行單獨控制。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明實現(xiàn)了不依賴關(guān)節(jié)電機的振動抑制，同時不影響系統(tǒng)的位置，對系統(tǒng)姿態(tài)影響極小，具有可實現(xiàn)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明平動減震單元剖面圖；

圖3是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)減震單元主視圖。

圖中1.控制器，2.旋轉(zhuǎn)減震單元，3.平動減震單元，4.固定裝置，5.電位計，6.動量輪，7.力矩傳感器，8.減速齒輪，9.傳動軸，10.電機，11.壓力傳感器，12.外殼，13.彈簧，14外部電磁線圈，15內(nèi)部電磁線圈，16軟磁體，17絕緣筒。

具體實施方式

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，固定架4為立方體結(jié)構(gòu)，固定有六個平動減震單元3，三個旋轉(zhuǎn)減震單元2以及一個控制器1。其中與每兩個平動減震單元3為一組，兩者安裝方向一致，并且關(guān)于末端執(zhí)行器的質(zhì)心對稱，從而保證平動減震單元3不干擾末端執(zhí)行器的姿態(tài)穩(wěn)定。三個旋轉(zhuǎn)減震單元2的安裝方向兩兩垂直。平動減震單元3與固定架4通過一對壓力傳感器11相連，旋轉(zhuǎn)減震單元2的電機10固結(jié)于固定架4上，電位計5一部分固定于固定架4上，一部分固定于動量輪6上。

旋轉(zhuǎn)減震單元2結(jié)構(gòu)如圖3所示，電機10通過傳動軸9連接減速齒輪8，動量輪6與減速齒輪8中間設(shè)有力矩傳感器7，以記錄輸出力矩，電位計5位于動量輪6與固定架4之間。

平動減震單元3如圖2所示，其壓力傳感器11固定于外殼12兩端，在絕緣筒17內(nèi)部，兩端分別固定有一個無磁性的金屬材質(zhì)彈簧13，彈簧13的另外一段與內(nèi)部電磁線圈15相連，內(nèi)部電磁線圈15繞在軟磁體16外表面，并將兩個彈簧13連接成通路。絕緣筒17外部繞有外部電磁線圈14，其電流電壓受控制器1控制。

當(dāng)空間機器人的末端執(zhí)行器產(chǎn)生振動時，星載計算機根據(jù)末端執(zhí)行器的運動狀態(tài)計算振動分量并實時地得到該振動抑制器的六個電壓輸入信息，控制器1接受電壓輸入信號，并將其放大為工作電壓。其中當(dāng)平動減震單元3通電，則外電磁線圈14形成磁場，而內(nèi)部電磁線圈15通有恒定電流，彈簧13與內(nèi)部電磁線圈15所構(gòu)成的質(zhì)量單元受磁場的磁場力和彈簧13的回復(fù)力而運動，根據(jù)牛頓第三定律，末端執(zhí)行器所受力等效于質(zhì)量單元的慣性力。而控制器1產(chǎn)生的快變電壓使平動減震單元3產(chǎn)生快變的作用力，當(dāng)其作用力方向與瞬時振動速度方向相反時，可以抑制空間機器人的平動自由度的振動。當(dāng)旋轉(zhuǎn)減震單元2通電，則電機10帶動動量輪6旋轉(zhuǎn)，則動量輪6角速度的變化而產(chǎn)生的慣性力矩即為末端執(zhí)行器所受的力矩，當(dāng)其慣性力矩方向與角速度中振動的分量方向相反，則其慣性力可以抑制轉(zhuǎn)動的振動分量。因此該設(shè)備實現(xiàn)了對空間機器人三個平動方向、三個轉(zhuǎn)動方向的振動抑制的目的。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種用于空間機器人末端執(zhí)行器振動抑制的裝置，屬于航天領(lǐng)域。該裝置包括了平動減震單元、旋轉(zhuǎn)減震單元、控制器以及固定架，該裝置外廓為立方體，在六條棱邊上分別裝有六個平動減震單元，內(nèi)部裝有三個旋轉(zhuǎn)減震單元，其安裝方向兩兩相互垂直，控制器固定于固定骨架內(nèi)部。該裝置能夠利用交換器產(chǎn)生的快速變化的力與力矩，實現(xiàn)對空間機器人末端執(zhí)行器在六個自由度上包括平動與轉(zhuǎn)動方向上的振動抑制作用。

技術(shù)研發(fā)人員：袁建平;車德佳
受保護的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.27
技術(shù)公布日：2017.09.22