一种空间机械臂测试气浮平台装置

1.本发明属于空间机械臂地面运动测试领域，具体涉及一种空间机械臂测试气浮平台装置。


背景技术：

2.空间机械臂地面运动测试是在机械臂发射入轨前，对机械臂的各项运动进行验证和测试的过程。它的重要性主要体现在以下几个方面：验证机械臂的运动范围、运动速度、精度等是否符合要求，确保机械臂能够在空间环境中精准执行任务；检验和优化控制算法，确保机械臂在空间环境中的准确性和可靠性；模拟机械臂的各种运动和负载条件，检验和优化机械臂的结构强度，确保机械臂能够在空间环境中承受各种负载；检验和优化机械臂的安全措施，确保机械臂在空间环境中的安全操作，避免对其他设备或环境造成损害。综上所述，空间机械臂地面运动测试是确保机械臂在空间环境中能够准确执行任务的重要保证，也是保证空间探测任务成功完成的关键环节之一。
3.然而，目前现有的空间机械臂测试设备存在自由度限制的问题，尤其是无法满足z方向（垂直地面）的运动测试，只能进行平行地面的展开运动。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种空间机械臂测试气浮平台装置的技术方案。
5.一种空间机械臂测试气浮平台装置，包括机械臂悬吊系统，所述机械臂悬吊系统包括悬吊机架、滑轮、悬吊绳、机械臂轴承连接组件和悬吊配重组件，所述滑轮设置于悬吊机架上，所述悬吊绳绕设于滑轮上，其两端分别与机械臂轴承连接组件和悬吊配重组件挂接，所述机械臂轴承连接组件用以与机械臂连接，机械臂在机械臂轴承连接组件上能够进行自转和俯仰转动，所述悬吊配重组件用于平衡机械臂轴承连接组件和机械臂的重量。
6.进一步地，所述机械臂轴承连接组件包括连接件架和机械臂连接套，所述连接件架用于与悬吊绳连接，所述机械臂连接套俯仰转动连接于连接件架上，其用于转动套接机械臂。
7.进一步地，所述机械臂连接套的左右两侧分别通过机械臂俯仰轴承与连接件架转动连接，机械臂连接套内壁设置机械臂连接轴承，所述机械臂连接轴承用于转动套接机械臂。
8.进一步地，所述悬吊配重组件包括悬吊配重架，所述悬吊配重架上设置配重和悬吊减震器，悬吊减震器用于减少悬吊配重组件的摆动。
9.进一步地，所述悬吊减震器包括输入信号采集编码器、转动惯量盘和转动惯量盘驱动电机，所述输入信号采集编码器用于采集悬吊绳连接悬吊配重组件一侧的摆动角度，并将采集的数据作为转动惯量盘驱动电机的输入信号，转动惯量盘驱动电机对转动惯量盘进行驱动，为悬吊配重组件带来与其运动方向相反的驱动力矩。
10.进一步地，还包括气浮支撑系统，所述气浮支撑系统包括气浮平台底座、设置于气浮平台底座上端的减震弹簧及设置于气浮平台底座底部的气足，所述机械臂悬吊系统设置于减震弹簧上端。
11.进一步地，所述悬吊机架底部通过滑杆与气浮平台底座上下滑动配合。
12.进一步地，所述气足有若干个，均布于气浮平台底座底部，并且气足与气浮平台底座之间通过万向球头连接螺杆连接。
13.进一步地，所述气足配合连接配气装置，所述配气装置包括进气接口、主管路、分接头、若干支路、过滤器、截止阀和调压阀，所述进气接口一端连接高压气源，另一端连接主管路，所述主管路通过分接头与若干所述支路连接，所述支路与出气接口一一对应连接，所述出气接口与气足一一对应连接，所述过滤器、截止阀和调压阀分别设置于主管路和/或支路上。
14.进一步地，所述转动惯量盘驱动电机采用了ga（遗传算法）和bp神经网络优化的lqr算法进行控制，在算法实现之前，首先人为设定lqr算法中增益矩阵g的加权矩阵q和r，并利用仿真软件进行仿真，以评估系统的稳定性；然后，将仿真数据保存为bp神经网络数据集，并通过bp神经网络对数据集进行计算以获得与加权矩阵q、r以及系统稳定性相关的模型；最后，通过ga（遗传算法）使用初始数据形成初始种群，并通过计算得到lqr算法的最优解。
15.与现有技术相比，本发明有益效果在于：本发明具有空间机械臂测试时的重力补偿能力，且结构简单，易于实现。本发明的机械臂悬吊系统大大提高了机械臂俯仰动作的活动范围；悬吊减震器提高了系统抗震能力提高系统稳定性；气浮支撑系统为整个平台抵消摩擦力，降低环境干扰。
附图说明
16.图1为气浮平台装置结构示意图图2为机械臂轴承连接组件结构示意图图3为配气装置结构示意图图4为减振驱动电机控制算法流程图。
实施方式
17.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、
ꢀ“
另一端”、
ꢀ“
外侧”、
ꢀ“
上”、
ꢀ“
内侧”、
ꢀ“
水平”、
ꢀ“
同轴”、
ꢀ“
中央”、
ꢀ“
端部”、
ꢀ“
长度”、
ꢀ“
外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
18.下面结合附图对本发明做进一步说明。
19.请参阅图1-图4，一种空间机械臂测试气浮平台装置，包括气浮支撑系统和设置于气浮支撑系统上的机械臂悬吊系统。气浮支撑系统的功能是为抵消整个装置运动过程中与环境产生的影响系统测试结果的摩擦作用，其包括气浮平台底座2、减震弹簧3和气足1。机械臂悬吊系统的功能是为空间机械臂提供重力补偿，其包括悬吊机架4、滑轮7、悬吊绳6、机
械臂轴承连接组件5和悬吊配重组件。
20.继续参阅图1，悬吊机架4为使用型材搭建的系统组件安装框架，底部连接气浮支撑系统，内部安装滑轮7，容置机械臂轴承连接组件5和悬吊配重组件。
21.继续参阅图2，机械臂轴承连接组件5包括连接件架10、机械臂连接套11、机械臂连接轴承12、机械臂俯仰轴承13和俯仰轴承连接件14。机械臂连接轴承12是将机械臂和机械臂轴承连接组件连接的关键部件，其用于转动套接机械臂，机械臂除了平动外还有自转因此它可以满足机械臂旋转运动的要求。机械臂连接套11为抱箍结构，机械臂还有俯仰运动，因此通过机械臂连接套11将机械臂连接轴承12夹紧，在机械臂连接套11两端伸出轴安装机械臂俯仰轴承13，连接件架10两侧设置俯仰轴承连接件14，机械臂俯仰轴承13设置于对应的俯仰轴承连接件14中。这样的设计结构简单且稳健，对于整个机械臂的配重设计具有重要的作用。同时，该连接组件还可以满足机械臂在零重力环境中的运动要求，确保机械臂在各种复杂的任务中的运动灵活性和稳定性。
22.继续参阅图1，悬吊绳6绕过滑轮7，将机械臂轴承连接组件5和悬吊配重组件连接。
23.继续参阅图1，滑轮7安装于悬吊机架4上端，主要作用是为机械臂运动提供z轴方向自由度，同时也可以用于安装机械臂和悬吊配重组件。
24.继续参阅图1，悬吊配重架8用于安装悬吊减震器9和配重，通过配重模拟失重环境，确保机械臂在运行过程中具有足够的稳定性和精度。配重的设计需要考虑到机械臂和机械臂悬吊连接件的重力补偿，同时也需要充分考虑机械臂在运动过程中的惯性和动态特性。在配重的设计中，使用的重量补偿方法包括固定式重量补偿和可调式重量补偿。固定式重量补偿主要通过预先设定配重的重量和位置来实现重力补偿，适用于对机械臂的重量和动态特性已经较为准确估算的情况。而可调式重量补偿则采用可调式配重块或者重心调节装置，可以根据机械臂的实际重量和动态特性进行动态调节，提高了机械臂的稳定性和精度。
25.继续参阅图1，悬吊减震器9的作用是减少配重的摆动，降低对机械臂的影响。悬吊减震器9由输入信号采集编码器、转动惯量盘和转动惯量盘驱动电机三部分组成。输入信号采集编码器安装在滑轮7处，悬吊绳6分为与机械臂轴承连接组件5连接的一侧和与悬吊配重组件连接的一侧，输入信号采集编码器用于采集悬吊绳6与悬吊配重组件连接的一侧的摆动角度，并通过信号处理后将其作为转动惯量盘驱动电机的输入信号。转动惯量盘驱动电机对转动惯量盘进行驱动，为配重带来与其运动方向相反的驱动力矩，从而实现系统减振。悬吊减震器9在机械臂运动结束后起到关键作用，因为配重惯性作用会产生摆动，对机械臂产生不良影响。通过采用悬吊减震器9对配重进行减振处理，可以有效地降低其振动对系统的影响，保证机械臂的运动精度和稳定性。
26.继续参阅图1，气浮平台底座2安装于若干气足1上端，连接气足1与减震弹簧3。
27.继续参阅图1，减振弹簧3能够减小系统垂直方向振动，降低悬吊部分对气足的干扰。而且气浮平台底座2之间通过多根均布的滑杆上下滑动配合，且减震弹簧3一一对应地套设于滑杆上。即滑杆一端与悬吊机架4底部固定，另一端与气浮平台底座2滑动插配，或者滑杆一端与气浮平台底座2底部固定，另一端与悬吊机架4滑动插配。
28.继续参阅图3，气足1配合连接配气装置，配气装置包括进气接口15、主管路、分接头17、若干支路、过滤器16、截止阀18和调压阀19，进气接口15一端连接高压气源，高压气源
为气足1供气，另一端连接主管路，主管路通过分接头17与若干支路连接，支路与出气接口20一一对应连接，出气接口20与气足1一一对应连接，过滤器16设置于主管路上，每条支路上设置截止阀18和调压阀。配气装置主要功能是将实验室提供的原始气源通过过滤及降压等多个步骤转换成可以提供给气足1使用的气源。由截止阀18、过滤器16、调压阀19等结构所组成的配气装置，可以保证气源的纯净性和稳定性，从而提高实验室的可靠性和精度。当气泵产生的原始气源通过快速接头进入配气装置内部后，首先经过过滤器16进行杂质的过滤。过滤器16可以有效地去除原始气源中的颗粒物和污染物，避免这些杂质进入系统内部的其他组件，从而降低系统的故障率和维护成本。经过过滤器16过滤后的气源会经过分接头17分发到多个阀门进行输出，截止阀18和调压阀19则对输出气压进行控制，产生合适的气流，为系统提供支承力。调压阀19可以通过控制输出气压的大小，使气流的流速和流量保持稳定。配气装置中还可配备压力敏感器，压力敏感器可以对气流的压力进行实时监测，确保气流的稳定性和可靠性。
29.继续参阅图1，气足1是气浮系统中的关键部件之一，其主要作用是为气浮支撑系统提供支撑，使系统悬浮并抵消系统与地面的摩擦作用。传统的单气垫方案采用较大直径的气垫，这容易产生涡流力矩，影响支撑试件的运动性能，因此多气垫支撑方案得到了广泛的应用。多气垫方案采用多个小直径气垫共同进行支撑，可以实现水平平动的无摩擦水平平动，并可有效减少涡动干扰力矩，从而提高了支撑试件的运动性能和气浮系统的可靠性。然而，在采用多气垫进行微重力模拟试验时，需要考虑试验环境对气垫产生的影响，包括调节杆高度的差异以及各气垫所在的平台不平所造成的高度差等，这些都会对试验造成影响。因此，在采用多气垫进行试验时需要根据支撑机理对试验装置进行改进，故使用万向球头连接螺杆与气足连接，万向球头连接螺杆能够实现多自由度转动，当出现平台不平或其他情况时，通过万向球头连接螺杆多自由度校正，能使气足1底面能够始终保持共面，从而达到较好的工作状态。这种方案可以有效地减少平台不平对试验造成的影响，提高气浮支撑系统的支撑能力和稳定性，进一步提高了微重力模拟试验的准确性和可靠性。
30.继续参阅图4，上述转动惯量盘驱动电机采用了bp神经网络优化的lqr算法和ga（遗传算法）进行控制，在算法实现之前，首先人为设定lqr算法中增益矩阵g的加权矩阵q和r，带入仿真软件如matlab进行仿真，得到系统稳定性结果；重复上述步骤并保存数据为bp神经网络数据集；通过bp神经网络对数据集进行计算以获得与加权矩阵q、r以及系统稳定性相关的模型。最后，通过ga（遗传算法）使用初始数据形成初始种群，并通过计算得到lqr算法的最优解。
31.ga部分具体包括：将bp神经网络训练时的训练集作为初始种群，通过bp神经网络模型进行适应度计算，将计算后的初始种群进行筛选，删除一部分适应度较低的个体，将筛选后的种群个体复制到下一代种群（后续描述均为此代种群），并将种群中的个体基因即前面提到的加权矩阵q和r的参数进行交叉产生新的个体加到种群中，再进行部分变异操作即对种群中部分个体的基因片段即加权矩阵q和r的部分参数进行修改生成新的个体添加到种群中。随后将此种群作为初始种群重复前面操作，直到满足迭代终止条件，即迭代次数到达预设次数或者出现预设的预期结果即可完成迭代，最后通过解码将算法中的基因转化成正真的参数生成lqr最优加权矩阵。
32.上述算法的设计理念如下：传统lqr算法中的增益矩阵g是由人为设定的加权矩阵
q和r决定的，因此其计算结果可能存在不确定性，特别是在实际控制中，由于系统受到外部环境、噪声等干扰，控制矩阵的设定可能不够准确。因此，在实际应用中，需要对q和r进行优化，以提高控制系统的性能和稳定性。为了解决这一问题，机器学习技术可以被应用于lqr算法的优化中。通过遗传算法模拟自然界中生物的繁殖、交配、变异等遗传机制，以产生新的个体，并通过适应度评估、选择优秀个体、基因交叉和变异产生新个体等操作，不断地迭代搜索直到到达最大迭代次数或找到满意解。通过bp神经网络对输入数据经过一系列层次化的处理，最终输出结果来不断优化网络的性能。最后得到lqr算法最优解。
33.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，包括机械臂悬吊系统，所述机械臂悬吊系统包括悬吊机架（4）、滑轮（7）、悬吊绳（6）、机械臂轴承连接组件（5）和悬吊配重组件，所述滑轮（7）设置于悬吊机架（4）上，所述悬吊绳（6）绕设于滑轮（7）上，其两端分别与机械臂轴承连接组件（5）和悬吊配重组件挂接，所述机械臂轴承连接组件（5）用以与机械臂连接，机械臂在机械臂轴承连接组件（5）上能够进行自转和俯仰转动，所述悬吊配重组件用于平衡机械臂轴承连接组件（5）和机械臂的重量。2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述机械臂轴承连接组件（5）包括连接件架（10）和机械臂连接套（11），所述连接件架（10）用于与悬吊绳（6）连接，所述机械臂连接套（11）俯仰转动连接于连接件架（10）上，其用于转动套接机械臂。3.根据权利要求2所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述机械臂连接套（11）的左右两侧分别通过机械臂俯仰轴承（13）与连接件架（10）转动连接，机械臂连接套（11）内壁设置机械臂连接轴承（12），所述机械臂连接轴承（12）用于转动套接机械臂。4.根据权利要求1所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述悬吊配重组件包括悬吊配重架（8），所述悬吊配重架（8）上设置配重和悬吊减震器（9），所述悬吊减震器（9）用于减少悬吊配重组件的摆动。5.根据权利要求4所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述悬吊减震器（9）包括输入信号采集编码器、转动惯量盘和转动惯量盘驱动电机，所述输入信号采集编码器用于采集悬吊绳（6）连接悬吊配重组件一侧的摆动角度，并将采集的数据作为转动惯量盘驱动电机的输入信号，转动惯量盘驱动电机对转动惯量盘进行驱动，为悬吊配重组件带来与其运动方向相反的驱动力矩。6.根据权利要求1所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，还包括气浮支撑系统，所述气浮支撑系统包括气浮平台底座（2）、设置于气浮平台底座（2）上端的减震弹簧（3）及设置于气浮平台底座（2）底部的气足（1），所述机械臂悬吊系统设置于减震弹簧（3）上端。7.根据权利要求6所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述悬吊机架（4）底部通过滑杆与气浮平台底座（2）上下滑动配合。8.根据权利要求6所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述气足（1）有若干个，均布于气浮平台底座（2）底部，并且气足（1）与气浮平台底座（2）之间通过万向球头连接螺杆连接。9.根据权利要求8所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述气足（1）配合连接配气装置，所述配气装置包括进气接口（15）、主管路、分接头（17）、若干支路、若干出气接口（20）、过滤器（16）、截止阀（18）和调压阀（19），所述进气接口（15）一端连接高压气源，另一端连接主管路，所述主管路通过分接头（17）与若干所述支路连接，所述支路与出气接口（20）一一对应连接，所述出气接口（20）与气足（1）一一对应连接，所述过滤器（16）、截止阀（18）和调压阀（19）设置于主管路和/或支路上。10.根据权利要求5所述的一种空间机械臂测试气浮平台装置，其特征在于，所述转动惯量盘驱动电机采用了ga和bp神经网络优化的lqr算法进行控制，在算法实现之前，首先人为设定lqr算法中增益矩阵g的加权矩阵q和r，并利用仿真软件进行仿真，以评估系统的稳
定性；然后，将仿真数据保存为bp神经网络数据集，并通过bp神经网络对数据集进行计算以获得与加权矩阵q、r以及系统稳定性相关的模型；最后，通过ga使用初始数据形成初始种群，并通过计算得到lqr算法的最优解。

技术总结
本发明属于空间机械臂地面运动测试领域，具体涉及一种空间机械臂测试气浮平台装置，包括机械臂悬吊系统，机械臂悬吊系统包括悬吊机架、滑轮、悬吊绳、机械臂轴承连接组件和悬吊配重组件，滑轮设置于悬吊机架上，悬吊绳绕设于滑轮上，其两端分别与机械臂轴承连接组件和悬吊配重组件连接，机械臂轴承连接组件用以与机械臂连接，悬吊配重组件用于平衡机械臂轴承连接组件和机械臂的重量。本发明具有空间机械臂测试时的重力补偿能力，且结构简单，易于实现。本发明的机械臂悬吊系统大大提高了机械臂俯仰动作的活动范围；悬吊减震器提高了系统抗震能力提高系统稳定性；气浮支撑系统为整个平台抵消摩擦力，降低环境干扰。降低环境干扰。降低环境干扰。


技术研发人员：张利 张其胜 叶必卿 单晓杭 李研彪
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/21