基于吊絲懸架的地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 ，安徽 合肥 230027)

基于吊絲懸架的地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李君山，許旻，張世武，褚家如

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 ，安徽 合肥 230027)

地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用于智能助力設(shè)備上。ITER裝置內(nèi)受損零件的更換由操作員通過(guò)遙操作機(jī)器人主機(jī)械手操控從機(jī)械手完成，為了使操作員操控省力，需要對(duì)主機(jī)械手進(jìn)行重力補(bǔ)償?；诘踅z懸架的微重力補(bǔ)償方案，設(shè)計(jì)了一種吊絲擺角測(cè)量裝置，能夠方便有效地實(shí)現(xiàn)吊絲擺角的測(cè)量。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，然后對(duì)吊絲擺角測(cè)量裝置進(jìn)行理論計(jì)算及ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得出了該裝置對(duì)吊絲擺角測(cè)量的放大倍數(shù)，接著設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制方案，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。

ITER裝置;主機(jī)械手;吊絲懸架;重力補(bǔ)償;吊絲擺角測(cè)量裝置;運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

0 引言

近年來(lái)，地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不單單用于空間機(jī)器人的地面模擬試驗(yàn)，在智能助力設(shè)備上也受到越來(lái)越多的應(yīng)用。ITER裝置[1]是一個(gè)巨大的托克馬克，它能夠產(chǎn)生大規(guī)模的、可以控制的核聚變反應(yīng)，該裝置內(nèi)受損零件的更換由操作員通過(guò)遙操作機(jī)器人[2]主機(jī)械手操控從機(jī)械手完成。為了使操作員操控主機(jī)械手省力，需要一套切實(shí)可行的微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)幫助主機(jī)械手實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償。目前，在地面上實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕幸韵?種類型[3]：浮力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[4-5]，自由落體實(shí)驗(yàn)系[6]，吊絲重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[7]。浮力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是采用空氣浮力或水體浮力支撐物體，進(jìn)而補(bǔ)償物體自身的重力影響，但該方法維護(hù)費(fèi)用較高且實(shí)驗(yàn)時(shí)需要保證系統(tǒng)整體的密封性。自由落體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在重力塔內(nèi)研究物體的失重狀態(tài)，自由落體法成本高，實(shí)驗(yàn)時(shí)間很短。吊絲重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)吊絲連接的配重塊來(lái)補(bǔ)償物體的重力影響，其費(fèi)用低，便于維護(hù)但補(bǔ)償精度較低。浮力法、自由落體法不適合遙操作機(jī)械手的重力補(bǔ)償，而參考文獻(xiàn)[7-8]提及的吊絲重力補(bǔ)償使用多根吊絲和配重塊的被動(dòng)重力補(bǔ)償，其設(shè)計(jì)較復(fù)雜，控制不易，補(bǔ)償精度較低。微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用單根吊絲-拉壓力傳感器對(duì)物體進(jìn)行主動(dòng)重力補(bǔ)償，同時(shí)設(shè)計(jì)了吊絲擺角測(cè)量裝置對(duì)吊絲擺角進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)二維坐標(biāo)內(nèi)對(duì)物體的位移補(bǔ)償，設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，易于控制，補(bǔ)償精度較高。

1 系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由豎直重力補(bǔ)償系統(tǒng)及二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)[9-11]2部分組成，擬定系統(tǒng)參數(shù)如下：

a.二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)最大跟蹤速度為0.2m/s，移動(dòng)范圍為1.5m×1.5m。

b.豎直重力補(bǔ)償系統(tǒng)額定提升質(zhì)量為20kg，最大提升高度為1.5m，最大提升速度為0.2m/s，響應(yīng)時(shí)間為1s。

系統(tǒng)總體三維圖如圖1所示。地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要工作過(guò)程：初始狀態(tài)下，吊絲處于垂直狀態(tài)；系統(tǒng)工作時(shí)，吊絲產(chǎn)生的擺角通過(guò)吊絲擺角測(cè)量裝置測(cè)得，二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生對(duì)物體的跟隨運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)踅z再次處于垂直狀態(tài)時(shí)運(yùn)動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償；此時(shí)，通過(guò)拉壓力傳感器檢測(cè)的吊絲拉力與物體重力做比較，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保持吊絲拉力與物體重力相平衡，實(shí)現(xiàn)重力補(bǔ)償。

圖1 系統(tǒng)總體三維

1.2 吊絲擺角測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

1.2.1 裝置設(shè)計(jì)及理論計(jì)算

二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)的補(bǔ)償精度對(duì)總體補(bǔ)償精度有重要影響[12]。因此,設(shè)計(jì)吊絲擺角測(cè)量裝置測(cè)量吊絲擺角，如圖2所示。裝置測(cè)量原理如圖3所示，其中，OC為物體懸掛高度；OA為角度傳感器安裝高度；AB為角度傳感器測(cè)量臂長(zhǎng)；β為角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)角度；α為吊絲擺角；CD為物體水平位移；EB為對(duì)應(yīng)CD的傳感器位移。

圖2 吊絲擺角測(cè)量裝置

圖3 吊絲擺角測(cè)量原理

當(dāng)物體在二維水平面內(nèi)移動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)位移為CD，由圖3可得：

(1)

OE=OA+AE

(2)

EB=ABsinβ

(3)

AE=ABcosβ

(4)

綜上得到：

(5)

上式即為物體水平位移與角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系式。

(6)

如圖2所示，吊絲擺角測(cè)量裝置包含2個(gè)角度傳感器，對(duì)比測(cè)量原理圖3可以看出，角度傳感器1和角度傳感器2的OA不同，AB相同，分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

a.角度傳感器1，OC=1500mm，OA=81mm，AB=8mm，計(jì)算結(jié)果如表1所示。系統(tǒng)角度傳感器1測(cè)量值的放大倍數(shù)約為11.13倍。

表1 角度傳感器1計(jì)算數(shù)據(jù)表

b.角度傳感器2，OC=1500mm，OA=56mm，AB=8mm，計(jì)算結(jié)果如表2所示。系統(tǒng)角度傳感器2測(cè)量值的放大倍數(shù)約為8倍。

表2 角度傳感器2計(jì)算數(shù)據(jù)表

1.2.2 裝置仿真分析

利用MSC-ADAMS軟件對(duì)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，為了分析系統(tǒng)的主要特征，去掉對(duì)仿真影響很小的零件，采用剛性圓柱桿件代替吊絲，建立物理虛擬樣機(jī)[13]。

給予吊絲一定的初始角速度，對(duì)吊絲和角度傳感器進(jìn)行角度測(cè)量，仿真時(shí)間為1s，仿真步長(zhǎng)為500步，得到如下結(jié)果：吊絲擺動(dòng)終了角度為0.3821°。角度傳感器1測(cè)量得到的角度值為4.2404°，對(duì)應(yīng)放大倍數(shù)為11.10倍；角度傳感器2測(cè)量得到的角度值為3.049 3°，對(duì)應(yīng)放大倍數(shù)為7.98倍。傳感器的理論倍數(shù)與仿真倍數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 理論倍數(shù)與仿真倍數(shù)對(duì)比表

由表3可得，吊絲擺角測(cè)量裝置具有放大倍數(shù)，其理論計(jì)算值與仿真值相吻合。因此，該裝置能夠方便有效地實(shí)現(xiàn)吊絲擺角的測(cè)量。

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在硬件上采用計(jì)算機(jī)作為控制芯片，通過(guò)PCI數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器數(shù)據(jù)；在軟件上采用LabVIEW編寫(xiě)控制程序，具體如下所述。

2.1 豎直重力補(bǔ)償系統(tǒng)

吊絲拉力由閉環(huán)控制，拉力的控制由卷筒、拉壓力傳感器、計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)構(gòu)成力電反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。吊絲拉力經(jīng)拉壓力傳感器反饋到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)給定的拉力值與實(shí)際拉力值的差值進(jìn)行比較，調(diào)整輸出處理后的控制電壓信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收的控制電壓信號(hào)，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制，如圖4所示。

圖4 豎直重力補(bǔ)償系統(tǒng)程序流程

2.2 二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)

二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)程序流程如圖5所示。吊絲擺動(dòng)一定角度，吊絲擺角測(cè)量裝置中角度傳感器測(cè)量得到初始角度電壓信號(hào)，伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作，從而帶動(dòng)同步帶運(yùn)行，當(dāng)角度傳感器測(cè)得電壓與初始值相同即吊絲再次處于垂直狀態(tài)時(shí)，伺服電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)位移補(bǔ)償。

圖5 二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)程序流程

3 系統(tǒng)整體實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)做豎直重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，拉壓力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。圖6a中，0～2s，系統(tǒng)保持初始狀態(tài)，2s時(shí)物體有向上移動(dòng)趨勢(shì)，拉壓力傳感器數(shù)值(吊絲拉力)變小，2～3s為系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程，3～10s伺服電機(jī)向上運(yùn)動(dòng)提升負(fù)載補(bǔ)償物體重力，補(bǔ)償精度為96%，10s時(shí)物體運(yùn)動(dòng)停止，10～11s為系統(tǒng)停止過(guò)程。圖6b中，0～2s，系統(tǒng)保持初始狀態(tài)，2s時(shí)物體有向下移動(dòng)趨勢(shì)，拉壓力傳感器數(shù)值(吊絲拉力)變大，2～3s為系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程，3～10s伺服電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)降落負(fù)載，補(bǔ)償精度為97%，10s時(shí)物體運(yùn)動(dòng)停止，10～11s為系統(tǒng)停止過(guò)程。

圖6 物體豎直重力補(bǔ)償曲線

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二維水平位移補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，角度傳感器1，角度傳感器2測(cè)量數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

角度傳感器1初始角度為89.856°，1s時(shí)，吊絲偏轉(zhuǎn)一定角度，1.7～3s，二維水平隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行位移補(bǔ)償，角度傳感器1最終角度為91.116°，補(bǔ)償精度為98.5%。

圖7 角度傳感器測(cè)量曲線

同理，角度傳感器2初始角度為97.344°，補(bǔ)償最終角度為97.416°，補(bǔ)償精度為99%。

綜上可得，地面微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)豎直重力補(bǔ)償精度為97%，二維水平位移補(bǔ)償精度為99%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

提出了一種基于吊絲懸架的主動(dòng)微重力補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高的吊絲擺角測(cè)量裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較高的補(bǔ)償精度，在智能助力設(shè)備特別是ITER裝置遙操作機(jī)械臂上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of Ground Microgravity Compensation Experiment System Based on the Suspension Spring

LIJunshan，XUmin，ZHANGShiwu，CHUJiaru

(School of Engineering Science,University of Science and Technology of China，Hefei 230027,China)

In recent years, the ground microgravity compensation experiment system is increasingly used in intelligent assist devices.The replacement of the damaged parts inside ITER device is completed by the teleoperation robot.In order to reduce the operation force of the main manipulator,the need for the main manipulator for microgravity compensation should be concerned.This paper proposes a kind of microgravity compensation system based on the suspension spring and designs an angular measuring device to measure angle of the suspension spring effectively.Firstly,the overall design for the system is done.Secondly theoretical calculation and ADAMS kinematics simulation are carried out to establish the mathematical relationship of the angle of suspension spring and the angular measuring device.Thirdly the control strategy of the system is proposed.The feasibility of the system is verified by the finally compensation experiment.

ITER device;master manipulator;the suspension spring;microgravity compensation;angular measuring device;kinematics simulation

2014-04-15

TP271.4

A

1001-2257(2014)08-0034-04

李君山(1989-)，男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄懿牧吓c機(jī)器人。