專利名稱：空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對空間機械臂進行測試的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空間機械臂系統(tǒng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩通常都很有限，在地面重力環(huán)境下很難甚至無法正常工作，為在地面對空間機械臂系統(tǒng)進行測試，需要專門設(shè)計相關(guān)的測試設(shè)備。目前為止，世界各國科研機構(gòu)設(shè)計和采用的空間機械臂地面測試系統(tǒng)主要包括吊絲配重、水浮、氣浮和自由落體等幾種方式。這些方法各有優(yōu)缺點，其中，吊絲配重方法(卡梅隆大學(xué))可以實現(xiàn)機械臂的六自由度運動，且對機械臂的運動限制較少，但是吊絲方法系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)試困難，安全可靠性差；水浮方法(馬里蘭大學(xué))利用水的浮力平衡重力，可以實現(xiàn)零重力環(huán)境的模擬，但是水浮系統(tǒng)需要克服水中較大的阻力，而且需要對系統(tǒng)進行較大的改造；氣浮方法(加拿大空間機械臂實驗方法)利用氣浮軸承，將機械臂托在平整的平臺上，利用噴氣推力抵消重力影響，氣浮方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但是受限于只能進行平面運動實驗。因此，世界上現(xiàn)有的對空間機械臂進行測試的系統(tǒng)都存在著諸多不能彌補的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有對空間機械臂進行測試的系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試困難、安全可靠性低以及現(xiàn)有氣浮測試系統(tǒng)只能實現(xiàn)二維運動的問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、容易調(diào)試、安全可靠性高以及同時可以實現(xiàn)空間機械臂三維運動的測試系統(tǒng)。
空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，它包括三坐標測量機I，它還包括設(shè)置在三坐標測量機I的上方、與空間機械臂VII連接的固定系統(tǒng)II、旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III、氣浮支撐系統(tǒng)IV、末端靶標V和基座靶標VI；所述各系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)為氣浮支撐系統(tǒng)IV在結(jié)構(gòu)上包括氣浮軸承1、與氣浮軸承1固定的帶U形槽的支架2和設(shè)置在支架U形槽上端的壓環(huán)3；旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III在結(jié)構(gòu)上包括支撐軸4和設(shè)置在支撐軸4外表面的外環(huán)座5，外環(huán)座5與支撐軸4之間通過軸承連接，在支撐軸4的端部設(shè)有與其螺紋連接的螺桿6，螺桿6的端頭通過螺母7固定在支架8上；在所述螺桿6的下方設(shè)有配重塊9；固定系統(tǒng)II在結(jié)構(gòu)上包括機械臂支撐平臺10、壓板11和壓環(huán)12，所述機械臂支撐平臺10設(shè)置在旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III的外環(huán)座5的下方，所述壓板11設(shè)置在外環(huán)座5的上方，所述壓板11通過螺釘44固定在機械臂支撐平臺10的上表面上；所述壓環(huán)12的下端設(shè)有固定軸13，固定軸13插在支撐平臺10上的孔內(nèi)；末端靶標V和基座靶標VI由相互之間成一定角度的兩根連桿和設(shè)置在連桿端頭的金屬球組成；所述各系統(tǒng)的連接關(guān)系為氣浮支撐系統(tǒng)IV的壓環(huán)3與固定系統(tǒng)II的壓環(huán)12分別固定在位于空間機械臂VII中心位置兩端的關(guān)節(jié)外殼上；所述旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III上支撐軸4的一端安裝到空間機械臂VII的關(guān)節(jié)外殼上，旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III上的支架8固定在空間機械臂VII的臂桿上；所述末端靶標V和基座靶標V1分別固定在空間機械臂VII的兩個端部。
本發(fā)明所述測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)空間機械臂的三維空間運動，可以直接測量空間機械臂的位姿精度，不需要中間的折算過程，因此測試容易，并且該測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要對空間機械臂進行結(jié)構(gòu)改造，因此可以提高工作效率，并且測量費用低，利于推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明所述測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是具體實施方式
一所述空間機械臂VII結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III、末端靶標V及基座靶標VI與空間機械臂VII的連接結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是圖3的A-A剖視圖，圖5是圖3的左視圖，圖6是氣浮支撐系統(tǒng)IV的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是氣浮支撐系統(tǒng)IV的主視圖，圖8是圖7的俯視圖，圖9是具體實施方式
六所述空間機械臂測量坐標系建立方法示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一傳統(tǒng)的氣浮系統(tǒng)只能實現(xiàn)系統(tǒng)的二維平面運動，無法實現(xiàn)空間機械臂所需要的空間運動。為了測試空間機械臂的位姿精度，需要空間機械臂的所有關(guān)節(jié)一起運動，這樣得到的位姿精度才是整個空間機械臂的位姿精度。因此，本實施方式提供了一種對具有空間三維運動的機械臂的位姿精度進行測試的系統(tǒng)，可以通過本實施方式所述測試系統(tǒng)進行測試的空間機械臂為具有六個自由度、可以實現(xiàn)空間三維運動的機械臂，其具體結(jié)構(gòu)可以是任意可實現(xiàn)三維運動的空間機械臂，也可以是如圖2所示的具有六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的空間機械臂，圖2所示的空間機械臂VII，已申請專利，申請?zhí)枮?00610009814.7。該空間機械臂由以下部件組成(參照圖2)a.六個關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)一22，關(guān)節(jié)二23，關(guān)節(jié)三24，關(guān)節(jié)四25，關(guān)節(jié)五26和關(guān)節(jié)六27；b.七個關(guān)節(jié)外殼關(guān)節(jié)外殼一28，關(guān)節(jié)外殼二29，關(guān)節(jié)外殼三30，關(guān)節(jié)外殼四31，關(guān)節(jié)外殼五32，關(guān)節(jié)外殼六33和關(guān)節(jié)外殼七34；c.三個臂桿臂桿一35，臂桿二36和臂桿三37。
參照圖1，本實施方式對具有空間三維運動的機械臂的位姿精度進行測試的系統(tǒng)包括三坐標測量機I和設(shè)置在三坐標測量機I的上方、與空間機械臂VII連接的固定系統(tǒng)II、一部分設(shè)置在固定系統(tǒng)II內(nèi)的旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III、氣浮支撐系統(tǒng)IV、末端靶標V和基座靶標VI；本實施方式選用的三坐標測量機I是Brown & Sharpe公司生產(chǎn)的三坐標測量機。
所述各系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)為參照圖6、圖7、圖8，氣浮支撐系統(tǒng)IV在結(jié)構(gòu)上包括氣浮軸承1、與氣浮軸承1固定的帶U形槽的支架2和設(shè)置在支架U形槽上端的壓環(huán)3，本實施方式所述氣浮支撐系統(tǒng)IV上的氣浮軸承1為兩個，分別固定在支架2的兩側(cè)，所述壓環(huán)3是通過可拆連接的兩個半環(huán)組合而成。使用時，氣浮軸承1設(shè)置在三坐標測量機I的大理石平臺上(參照圖1)，將壓環(huán)3固定在空間機械臂VII的關(guān)節(jié)上，使氣浮支撐系統(tǒng)IV與空間機械臂VII連接成為一個整體。由供氣設(shè)備提供的高壓氣體從氣浮軸承1的進氣口1-1進入，然后氣體從出氣口1-2排出，由于高壓氣體在排出過程中，可以提供對氣浮軸承1反方向的作用力，從而可以克服空間機械臂本身的重力，將其支起，使其懸浮于三坐標測量機I的大理石平臺上，從而減小關(guān)節(jié)三24的運動阻力。因此，在空間機械臂VII位置精度測量時，氣浮支撐系統(tǒng)IV可以使關(guān)節(jié)二23和關(guān)節(jié)三24在平面二維空間運動(關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參見圖2)。
旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III(參照圖3、圖4)在結(jié)構(gòu)上包括支撐軸4和設(shè)置在支撐軸4外表面的外環(huán)座5，外環(huán)座5與支撐軸4之間通過軸承連接，軸承通過機械臂支撐軸承壓環(huán)壓緊，在支撐軸4的端部設(shè)有與其螺紋連接的螺桿6，螺桿6的端頭通過螺母7固定在支架8上；在所述螺桿6的下方設(shè)有配重塊9；連接時，將所述旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III上支撐軸4的一端安裝到空間機械臂VII的關(guān)節(jié)外殼上，旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III上的支架8固定在空間機械臂VII的臂桿上，固定方式可以是通過螺栓和機械臂壓環(huán)20固定到臂桿21上，也可以采取其它如螺釘連接的方式進行固定。在對空間機械臂VII進行位置精度測量時，空間機械臂旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III可以使關(guān)節(jié)四25實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，關(guān)節(jié)四25在旋轉(zhuǎn)時，可以帶動空間機械臂VII的臂桿21和支架8同時以關(guān)節(jié)四25和支撐軸4為中心作一定角度的旋轉(zhuǎn)，在臂桿21旋轉(zhuǎn)時，配重塊9可以克服由于關(guān)節(jié)二23、關(guān)節(jié)三24、關(guān)節(jié)外殼二29、關(guān)節(jié)外殼三30和臂桿一35對關(guān)節(jié)四25產(chǎn)生的偏載力矩。
固定系統(tǒng)II(參照圖1)在結(jié)構(gòu)上包括機械臂支撐平臺10、壓板11和壓環(huán)12，所述機械臂支撐平臺10設(shè)置在旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III的外環(huán)座5的下方，壓板11設(shè)置在外環(huán)座5的上方，所述壓板11通過螺釘44固定在機械臂支撐平臺10的上表面上，壓板11固定到機械臂支撐平臺10上即將旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III的外環(huán)座5壓緊在機械臂支撐平臺10上從而使其不能移動；所述壓環(huán)12的下端設(shè)有固定軸13，固定軸13插在支撐平臺10上的孔內(nèi)；所述壓板11可以是V型壓板，也可以是半圓形壓板，機械臂支撐軸承外環(huán)座5通過壓板11和螺釘44固定在機械臂支撐平臺10上，所述螺釘也可以是螺母和螺桿或其它可以將壓板11進行固定的方式。工作時，首先，把機械臂支撐平臺10通過螺釘固定在三坐標測量機I的大理石平臺上，再通過壓板將旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III的外環(huán)座5壓緊在機械臂支撐平臺10上從而使其不能移動，這樣可以使空間機械臂VII在位姿精度測量過程中運行到固定位置時能夠穩(wěn)定住。壓環(huán)12由具有可拆結(jié)構(gòu)連接的兩個半環(huán)組成，兩個半環(huán)通過螺釘固定在空間機械臂VII的關(guān)節(jié)外殼四31上，壓環(huán)12的下部固定軸的軸端插在機械臂支撐平臺10的孔中，防止關(guān)節(jié)四在旋轉(zhuǎn)過程中引起氣浮支撐系統(tǒng)IV的晃動。從所述結(jié)構(gòu)可以看出，固定系統(tǒng)II具有對空間機械臂VII固定的作用。
末端靶標V和基座靶標VI由相互之間成一定角度的兩根連桿和設(shè)置在連桿端頭的金屬球組成，各零件之間均是采用緊配合連接而成；末端靶標V和基座靶標V1分別固定在空間機械臂VII的兩個端部并通過螺釘和法蘭與機械臂連接。所述基座靶標VI和末端靶標V的作用在于建立空間機械臂VII在位姿精度測量時的基座坐標系和末端坐標系。
上面各系統(tǒng)中，所述氣浮支撐系統(tǒng)IV的壓環(huán)3與固定系統(tǒng)II的壓環(huán)12分別固定在位于空間機械臂VII中心位置兩端的關(guān)節(jié)外殼上，目的在于氣浮系統(tǒng)與固定系統(tǒng)共同起到對空間機械臂VII的支撐作用。
具體實施方式
二參照圖1、圖3、圖4、圖5，本實施方式所述旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)III上的支架8與螺桿6之間設(shè)有調(diào)整螺栓14(參照圖4)，可以通過調(diào)整螺桿6、螺母7和螺栓14與支架8的相對位置來調(diào)整機械臂支撐軸4與關(guān)節(jié)四25的同軸度；所述配重塊9通過螺紋固定到配重連接件15的一端，配重連接件15的另一端通過螺母7和螺桿6固定到支架8上，通過配重連接件15的連接，可以方便的將配重塊9的上端進行固定。
具體實施方式
三參照圖1、圖3，本實施方式所述末端靶標V上的連桿16與空間機械臂VII的軸線一致，與空間機械臂VII軸線一致可以方便建立坐標系；連桿16上固定有另一根連桿17，連桿17與連桿16之間的夾角α為大于0度小于180度的角；在所述連桿17的兩個端頭及連桿16的一個端頭上分別固定有一個金屬球45，金屬球45的作用在于建立輔助測量坐標系；所述末端靶標V與空間機械臂VII之間通過法蘭連接或直接通過螺釘連接。
具體實施方式
四參照圖1、圖3，本實施方式所述基座靶標VI上的連桿18與空間機械臂VII的軸線一致，連桿18上固定有另一根連桿19，連桿19與連桿18之間的夾角β為大于0度小于180度的角；在所述連桿18和連桿19的外端頭上分別固定有一個金屬球45；所述基座靶標VI與空間機械臂VII之間通過法蘭連接或直接通過螺釘連接。
具體實施方式
五參照圖6、圖7、圖8，本實施方式詳細闡述氣浮支撐系統(tǒng)IV的壓環(huán)3、氣浮軸承1與支架2的連接力式。所述兩個氣浮軸承1通過螺紋安裝到支架2上，再通過鎖緊螺母38鎖緊。所述機械臂半個壓環(huán)3-1通過螺釘41固定到支架2上，另半個壓環(huán)3-2的一端通過銷軸43與支架2鉸接，另一端與支架2之間通過活節(jié)39和螺母42進行連接和固定，所述活節(jié)39通過銷軸40安裝在支架2上，活節(jié)39可以繞銷軸40旋轉(zhuǎn)。將氣浮支撐系統(tǒng)IV與空間機械臂VII進行固定時，首先將半個壓環(huán)3-2繞綃軸43向外旋轉(zhuǎn)，將空間機械臂VII的關(guān)節(jié)外殼二29自上至下放在支架2的U形槽中，然后將半個壓環(huán)3-2繞綃軸43旋回，通過螺母42和活節(jié)39鎖緊。
具體實施方式
六本實施方式為利用本發(fā)明所述測試系統(tǒng)對空間機械臂的位姿精度進行測量的具體方法。
空間機械臂VII位姿精度的測量可以通過由基座靶標VI和末端靶標V建立的末端坐標系108和基坐標系109來測量，在測量過程中，通過三坐標測量機I測得末端坐標系109在基坐坐標系108中的位姿來得到?；鴺讼?09和末端坐標系108的建立方法如下。
空間機械臂測量坐標系建立方法如圖9所示(1)基坐標系109O0X0Y0Z0的建立1)Z0軸由過金屬球45-1的球心，且與關(guān)節(jié)外殼-的圓柱面28-1的軸線垂直相交的直線來確定，交點為O0，方向為由金屬球45-1的球心指向交點O0；2)Y0軸由過金屬球45-2的球心且與Z0軸垂直相交的直線來確定，交點為45-3；方向為由交點45-3指向金屬球45-2的球心；3)X0軸由右手定則確定；4)坐標系原點為O0。
(2)末端坐標系108O6X6Y6Z6的建立1)Z6軸由過金屬球45-7的球心和金屬球45-5的球心的直線來確定，方向為由金屬球45-7的球心指向金屬球45-5的球心；2)Y6軸由過金屬球45-4的球心且與Z6軸垂直相交的直線來確定，交點為45-6；方向為由交點45-6指向金屬球45-4的球心；3)X6軸由右手定則確定；4)坐標系原點為金屬球45-5的球心O6。
權(quán)利要求
1.一種空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，它包括三坐標測量機(I)，其特征在于它還包括設(shè)置在三坐標測量機(I)的上方、與空間機械臂(VII)連接的固定系統(tǒng)(II)、旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)(III)、氣浮支撐系統(tǒng)(IV)、末端靶標(V)和基座靶標(VI)；所述各系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)為氣浮支撐系統(tǒng)(IV)在結(jié)構(gòu)上包括氣浮軸承(1)、與氣浮軸承(1)固定的帶U形槽的支架(2)和設(shè)置在支架(U)形槽上端的壓環(huán)(3)；旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)(III)在結(jié)構(gòu)上包括支撐軸(4)和設(shè)置在支撐軸(4)外表面的外環(huán)座(5)，外環(huán)座(5)與支撐軸(4)之間通過軸承連接，在支撐軸(4)的端部設(shè)有與其螺紋連接的螺桿(6)，螺桿(6)的端頭通過螺母(7)固定在支架(8)上；在所述螺桿(6)的下方設(shè)有配重塊(9)；固定系統(tǒng)(II)在結(jié)構(gòu)上包括機械臂支撐平臺(10)、壓板(11)和壓環(huán)(12)，所述機械臂支撐平臺(10)設(shè)置在旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)(III)的外環(huán)座5的下方，所述壓板(11)設(shè)置在外環(huán)座(5)的上方，所述壓板(11)通過螺釘(44)固定在機械臂支撐平臺(10)的上表面上；所述壓環(huán)(12)的下端設(shè)有固定軸(13)，固定軸(13)插在支撐平臺(10)上的孔內(nèi)；末端靶標(V)和基座靶標(VI)由相互之間成一定角度的兩根連桿和設(shè)置在連桿端頭的金屬球組成；所述各系統(tǒng)的連接關(guān)系為氣浮支撐系統(tǒng)(IV)的壓環(huán)(3)與固定系統(tǒng)(II)的壓環(huán)(12)分別固定在位于空間機械臂(VII)中心位置兩端的關(guān)節(jié)外殼上；所述旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)(III)上支撐軸(4)的一端安裝到空間機械臂(VII)的關(guān)節(jié)外殼上，旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)(III)上的支架(8)固定在空間機械臂(VII)的臂桿上；所述末端靶標(V)和基座靶標(VI)分別固定在空間機械臂(VII)的兩個端部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)(III)上的支架(8)與螺桿(6)之間設(shè)有調(diào)整螺栓(14)；所述配重塊(9)通過螺紋固定到配重連接件(15)的一端，配重連接件(15)的另一端通過螺母(7)和螺桿(6)固定到支架(8)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于所述末端靶標(V)上的連桿(16)與空間機械臂(VII)的軸線一致，連桿(16)上固定有另一根連桿(17)，連桿(17)與連桿(16)之間的夾角α為大于0度小于180度的角；在所述連桿(17)的兩個端頭及連桿(16)的一個端頭上分別固定有一個金屬球(45)；所述末端靶標(V)與空間機械臂(VII)之間通過螺釘連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于所述基座靶標(VI)上的連桿(18)與空間機械臂(VII)的軸線一致，連桿(18)上固定有另一根連桿(19)，連桿(19)與連桿(18)之間的夾角β為大于0度小于180度的角；在所述連桿(18)和連桿(19)的外端頭上分別固定有一個金屬球(45)；所述基座靶標(VI)與空間機械臂(VII)之間通過螺釘連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于所述氣浮支撐系統(tǒng)(IV)上的氣浮軸承(1)為兩個，分別固定在支架(2)的兩側(cè)，所述壓環(huán)(3)是通過可拆連接的兩個半環(huán)組合而成。
全文摘要
空間機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，涉及一種對空間機械臂進行測試的系統(tǒng)?，F(xiàn)有對空間機械臂進行測試的系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試困難、安全可靠性低以及現(xiàn)有氣浮測試系統(tǒng)只能實現(xiàn)二維運動的問題?？臻g機械臂位姿精度測試系統(tǒng)，它包括三坐標測量機(I)，它還包括設(shè)置在三坐標測量機(I)的上方、與空間機械臂(VII)連接的固定系統(tǒng)(II)、旋轉(zhuǎn)支撐系統(tǒng)(III)、氣浮支撐系統(tǒng)(IV)、末端靶標(V)和基座靶標(VI)；本發(fā)明所述測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、容易調(diào)試、安全可靠性高以及同時可以實現(xiàn)空間機械臂三維運動，利于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01B5/008GK1818537SQ20061000982
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
發(fā)明者史士財, 劉宏, 高曉輝, 金明河, 謝宗武 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)