[发明专利]一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法

说明书

本发明公开了一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法，包括机械臂本体部分及检测控制部分，所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，三段臂杆之间通过柔性关节连接，所述检测控制部分包括高速相机及加速度传感器，通过相机和加速度传感器的检测，计算机产生控制信号驱动机械臂运动，从而将负载搬运到指定目标位置。本发明采用气浮装置支撑机械臂本体使其处于漂浮状态，可以模拟太空环境；通过多传感器融合，对负载状态的机械臂运动进行精确检测并加以控制。

技术领域

本发明涉及关节型机械臂的运动检测与控制领域，具体涉及一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法。

背景技术

随着空间技术的发展，人造卫星在科学技术试验、天气预测、区域跟踪与导航以及通信等领域都起着重要的作用，而空间站、航天飞机、空间机器人的应用使空间机械臂也得到了越来越多的关注。空间机械臂是搭载在卫星上的机械臂，可实现对于空间静止或移动目标的观察与捕获，主要完成辅助对接、目标搬运、在轨建设、摄像、对卫星等目标物的捕获与释放等任务，还可作为航天员出舱活动的辅助设备，是在轨维护与建设的关键支撑性技术，因此，对空间机械臂的研究具有特别重要的意义。

空间机械臂在随卫星发射之前，需要进行大量的地面试验，以保证其可靠性与稳定性，因此，空间机械臂的地面实验模拟平台起着相当重要的作用。现有的空间机械臂研究工作中，大多数装置未充分消除摩擦力的影响，导致与实际微重力无阻尼漂浮状态不符，影响实验效果。此外，大部分实验装置为方便制作和实验，均采用经过大比例缩小的小型机械臂装置作为替代，替代装置由于在惯性特性以及控制特性等方面与实际的大尺寸空间机械臂存在较大的差异，导致实验结果在一定程度上失去了代表性。因此，在空间机械臂的地面研究工作中，创造无摩擦微重力漂浮环境，并采用等比例或近似等比例尺寸机械臂的研究尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种柔性关节机械臂的运动检测装置与方法。充分考虑了模拟空间机械臂微重力环境，并通过多传感器融合，实现机械臂在负载状态下的运动检测与精确控制。

本发明采用如下技术方案：

一种柔性关节机械臂的运动检测装置，包括机械臂本体部分及检测控制部分；

所述机械臂本体部分包括三段臂杆和末端作用器，所述三段臂杆分别为上臂、前臂及手腕，所述上臂一端通过肩关节与肩关节转台连接，所述肩关节转台固定在实验台上，所述上臂的另一端通过肘关节与前臂的一端连接，所述前臂的另一端通过腕关节与手腕的一端连接，所述手腕的另一端通过转动关节安装末端作用器，所述肘关节及腕关节通过关节支撑架固定在实验台上，所述关节支撑架设置气浮装置，所述气浮装置与气动回路连接实现臂杆工作在漂浮运动状态；

所述检测控制部分包括高速相机、加速度传感器、电荷放大器、视觉标志物、运动控制卡及计算机，所述计算机与运动控制卡连接，所述电荷放大器与运动控制卡连接，所述加速度传感器设置在臂杆的中间位置，所述加速度传感器检测臂杆的振动信号，输入电荷放大器，通过运动控制卡输入计算机，所述高速相机安装在实验台的上方，视觉标志物设置在肩关节、腕关节及肘关节的顶端，视觉标志物在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含视觉标志物的图像，输入计算机；

所述检测控制部分还包括伺服电机驱动器及直接驱动旋转电机驱动器，所述计算机根据高速相机及加速度传感器检测的信号得到控制信号，分别向直接驱动旋转电机驱动器、伺服电机驱动器及气动回路输出控制信号，驱动末端作用器、臂杆及关节支撑架运动，进一步控制机械臂到达目标位置。

所述肩关节、肘关节及腕关节的结构相同，均由直流伺服电机、谐波减速器及连接法兰构成。

所述气浮装置由三个气浮垫构成。

所述高速相机通过相机支架安装在实验台长度方向中线的上方，用于检测识别臂杆三个关节的位置信息。