空间机械臂悬吊微重力模拟装置

摘要

本发明提供了空间机械臂悬吊微重力模拟装置，属于仿真实验领域，包括机械摆臂安装平台、六自由度台和相机，实时测量六自由度台上的靶标点，得出六自由度台的位置与姿态变化，控制机械摆臂安装平台跟随六自由度台运动；机械摆臂安装平台包括全向移动平台、配重与机械摆臂支架，全向移动平台在平面内全向移动；配重；用于将全向移动平台与机械摆臂的整体质心配平；机械摆臂支架，其运动用来对全移动平台的运动精度进行补偿。本发明消除机械臂展开时自身重力对航天器姿态的作用，同时保留机械臂较多的运动自由度及运动范围，较大范围的适应空间机械臂的展开范围。

说明书

技术领域

本发明属于仿真实验领域，涉及空间机械臂悬吊微重力模拟装置。

背景技术

通过地面设备模拟仿真航天器的特殊工作环境进行测试试验以在地面研究验证航天器结构性能是在航天领域常用的一种方法，也是研制过程中兼顾经济性和时效性的一种策略。

近年来，空间机械臂或空间机器人在太空探索和开发中承担越来越重要的任务，可以代替宇航员在恶劣的太空环境中完成如目标捕获、故障维修、垃圾清理以及星表采样等多种任务。基于空间微低重力环境及应用背景研制的空间机械臂，多具有长臂杆、多自由度，电机功率小等特性，在地面重力环境无法直接展开工作，需要微重力模拟装置卸载机械臂重力来进行试验验证。而进行捕获、维修、检测等任务的航天器现在多采用多自由度、大运动范围的双机械臂协同工作，这使得地面进行仿真验证更为困难，需要设计更为复杂和精准的微重力模拟装置和方法。

以往进行的机械臂地面微重力模拟环境展开试验，多采用气浮法或悬吊法，且机械臂安装在固定的模拟墙或支架车上。试验时，机械臂展开运动的自由度、范围有较大的限制。而且由于不用考虑机械臂对固定安装处的作用力和力矩影响，多针对机械臂主要臂杆进行重力卸载，整体采用双吊点或单吊点，虽然机械臂整体的重力进行了卸载，但是关节处的力矩有较大偏差。

在进行航天器用机械臂进行目标捕获等试验时，机械臂安装在具有六自由度活动能力的气浮台或者并联机构上，机械臂根部安装处的力矩偏差会对航天器的姿态产生很大影响，使得捕获仿真试验失败。有时为了更真实的仿真验证航天器在捕获等试验中的状态会限制机械臂的运动。

发明内容

本发明要解决的问题是在于提供空间机械臂悬吊微重力模拟装置，通过构建一套能够主动控制迅速响应的机械摆臂系统来控制空间机械臂各吊点位置跟随目标移动，通过特殊设计的多点悬吊结构来充分卸载掉空间机械臂的重力及多个机械臂关节的重力，消除机械臂展开时自身重力对航天器姿态的作用，同时保留机械臂较多的运动自由度及运动范围，较大范围的适应空间机械臂的展开范围。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：空间机械臂悬吊微重力模拟装置，包括机械摆臂安装平台、六自由度台和相机，所述六自由台设在气浮台上；

所述相机，实时测量六自由度台上的靶标点，得出六自由度台的位置与姿态变化，进而通过控制系统，控制机械摆臂安装平台跟随六自由度台运动；

所述机械摆臂安装平台包括全向移动平台、配重与机械摆臂支架，全向移动平台在平面内全向移动；所述配重；用于将全向移动平台与机械摆臂的整体质心配平；机械摆臂支架，其运动用来对全移动平台的运动精度进行补偿；

相机安装在所述机械摆臂支架上，所述机械摆臂支架通过重力卸载及随动组件保证下端的空间机械臂相对六自由台精度运动。

进一步的，重力卸载及随动组件包括机械摆臂A、机械摆臂B、恒张力组件和悬吊组件，所述机械摆臂A安装在机械摆臂支架上，位于两个机械摆臂B中间，用于控制空间机械臂大臂根部吊点的跟随运动；

机械摆臂B左右对称安装在机械摆臂支架上，分别对应一个空间机械臂。用于控制空间机械臂肘部关节吊点和小臂末端吊点的跟随运动；

恒张力组件采用电机主动控制收放卷线并控制悬吊的力相对恒定，使悬吊点能够适应空间机械臂展开过程中在竖直方向的位置变化，下方连接悬吊组件；

悬吊组件，对空间机械臂在运动过程中各部分重力卸载，并且消除悬吊力产生的附加干扰力矩。

进一步的，机械摆臂A的跟随运动控制分为三级，第一级整体位置由全向移动平台控制跟随六自由度台运动；第二级为回转臂、直线模组A和横梁形成回转和直线运动组成的二维运动，控制摆臂A末端的吊点二维控制机构更为快速精准的跟随六自由度台运动，消除全向移动平台的跟随运动误差；第三级，直线驱动模组B和直线驱动模组C组成左右两组二维运动机构，各自控制机械摆臂A的两个吊点跟随六自由度台上的两个空间机械臂大臂根部吊点运动。

进一步的，机械摆臂A包括固定悬臂、回转关节、回转直驱电机、回转臂、直线驱动模组A、横梁、侧向滚轮、直线驱动模组B、直线驱动模组C和悬吊转接件A，机械摆臂A整体与全向移动平台一同移动，固定悬臂与回转臂通过回转关节连接，回转轴通过直驱电机驱动，回转臂下方安装有直线驱动模组A，直线模组A由滚珠直线导轨和丝杠组成直线运动副，直线模组A滑台连接横梁，横梁呈对称结构，横梁在中间安装有两组滚轮，滚轮与回转臂两侧面接触并有一定预紧力，横梁下端左右对称安装有两组直线驱动模组B，每个直线驱动模组B的滑台安装有直线驱动模组C。直线模组B、C成法向安装。

进一步的，机械摆臂B包括固定座、大摆臂回转直驱电机、大摆臂回转关节、大摆臂、大摆直线电机、大摆直线模组、小摆回转直驱电机、小摆回转关节、小摆臂、小摆直线模组、小摆直线模组驱动电机和悬吊转接件B；

其中，固定座安装在机械摆臂支架上，机械摆臂B整体与全向移动平台一同移动，固定座与大摆臂通过回转关节连接，回转轴通过直驱电机驱动，大摆臂内侧安装有大摆直线模组，由滚珠直线导轨和丝杠组成直线运动副，大摆直线模组滑台连接小摆回转关节，回转关节上端连接小摆回转直驱电机用于驱动回转关节轴转动，回转关节下端输出轴连接小摆臂，下摆臂底面安装有两组小摆直线模组，小摆直线模组滑台安装悬吊转接件B，其用于安装恒力装置及悬吊组件，其位置分别与空间机械臂肘部吊点及小臂末端吊点位置对应。

进一步的，悬吊组件为三组，分别为大臂根部悬吊件，对应为空间机械臂吊点a；肘部悬吊件，对应为空间机械臂吊点b；小臂末端悬吊件，对应为空间机械臂吊点c、d、 e，三组悬吊组件共同组成了多点悬吊系统，从大臂根部关节至机械臂末端执行关节部分的空间机械臂在运动过程中各部分重力充分卸载，并且消除悬吊力产生的附加干扰力矩。

进一步的，大臂根部悬吊件包括滚转连接环A；俯仰连接轴；L型长吊杆；销轴A；偏转连接轴A；销轴B和吊绳组成A，其中滚转连接环A与空间机械臂连接，绕空间机械臂滚动旋转，

滚转连接环与俯仰连接轴、偏转连接轴组成了正交的三个转轴，大臂根部悬吊件与空间机械臂形成万向连接机构；

L型长吊杆，使大臂根部悬吊件在空间机械臂收拢状态时避让其他机构，使吊点一直位于臂杆中轴位置。

进一步的，滚转连接环A包括滚轮、外滚转环和内固定环，内固定环内侧环面抱紧空间机械臂连接固定，外侧环面加工滚轮的滚转槽，外滚转环由两半环组装成一个整环并均布安装有多个滚轮，组装后滚轮能在内固定环的环状槽进行滚动旋转。

进一步的，肘部悬吊件包括滚转连接环B、俯仰连接轴B、U型吊爪、短杆、销轴C、横连杆、销轴D、偏转连接轴B和吊绳组成B；肘部悬吊件使悬吊点位于肘关节转动轴心位置，采用对称布置的两个滚转连接环固定在肘关节两侧，同U型吊爪和横连杆及销轴D 等构成平行四连杆机构，位于横连杆中间的悬吊点一直位于肘关节转动轴中心。

进一步的，小臂末端悬吊件包括三个吊点，滚转连接环C、俯仰连接轴C、U型长吊爪、偏转销轴和短杆组成了小臂悬吊机构，即吊点c悬吊机构，具备滚转、俯仰、偏转3 个自由度，使小臂悬吊机构受到等于所需卸载重力大小的恒定的竖直悬吊力；

偏转连接轴D、销轴H、长横连杆4、销轴I、短杆、U型吊爪、俯仰连接销轴和滚转连接环D组成了腕关节悬吊机构，即吊点d悬吊机构，其悬吊力大小为腕关节重力，使用两组滚转连接环、U型吊爪等与横连杆组成平行四连杆机构，保证其悬吊点一直位于腕关节转轴中心，并通过销轴G与异形横连杆杆连接；

L型短吊杆、销轴K、连接板、滚转连接环E，长横连杆和平衡块组成了末端执行关节悬吊机构，即吊点e悬吊机构，其悬吊力大小为末端执行关节重力，两组滚转连接环对称连接固定在末端执行关节转轴两侧，并用连接板连接为一体，连接板中心通过销轴与L型短吊杆连接，L型短吊杆上端通过销轴J与长横连杆连接，其悬吊力位于长横连杆销轴J一端，处于末端执行关节中心上方，悬吊力通过平衡块配平，保证长横连杆的销轴H处的力矩平衡。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果如下。

1、本发明设计了一种主动跟随式的机械摆臂及多点悬吊组件，通过构建一套能够主动控制迅速响应的机械摆臂系统来控制空间机械臂各吊点位置跟随目标移动，通过特殊设计的多点悬吊结构来充分卸载掉空间机械臂的重力及多个机械臂关节的重力，消除机械臂展开时自身重力对航天器姿态的作用，同时保留机械臂较多的运动自由度及运动范围，较大范围的适应空间机械臂的展开范围；

2、空间机械臂安装在六自由度模拟平台上，空间机械臂展开进行目标抓捕等动作，六自由度平台在空间机械臂抓捕实验过程中实时模拟航天器运动姿态；装置中的全向移动平台、配重与机械摆臂支架组成主动跟随六自由度平台运动的机械摆臂安装平台，通过机械摆臂支架上的相机实时测量六自由度台上的靶标点，得出六自由度台的位置与姿态变化，进而控制全向移动平台跟随六自由度台运动，保持全向移动平台始终跟随在六自由度台后方的固定相对位置，使得机械摆臂能够与空间机械臂保持恒定的相对位置。考虑到全向移动平台的负载大、控制难度大等原因，为提高全向移动平台的实时跟随动态特性，允许其跟随运动有一定的误差范围，该误差通过有更高运动精度和动态运动性能的机械摆臂的运动来进行修正补偿，保证运动精度；

3、本申请是全新的地面进行空间目标捕获、消旋等试验的微重力模拟装置，相较与以往进行的此类实验，本申请对空间机械臂进行了多个吊点的重力卸载，使得试验过程中能够允许空间机械臂进行较大范围的运动同时消除其重力对航天器姿态模拟的影响，使得试验过程更为真实和准确；

4、机械摆臂通过选用高性能的直驱电机、高精度的传动系统、精确的位置反馈及轻量化结构设计，使得机械摆臂具备较高的动态响应能力及运动位置精度，以实现对吊点位置的精确动态控制。

5、本申请的悬吊组件实现空间机械臂的重力卸载及较大范围的空间运动，而且采用恒力装置控制各吊点悬吊力恒定，在空间机械臂运动过程中，通过恒力装置中的电机控制悬吊绳索的收放，并保持所需的悬吊力稳定。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1-A是本发明空间机械臂悬吊微重力模拟装置的侧视图；

图1-B是本发明空间机械臂悬吊微重力模拟装置的俯视图；

图2是本发明机械摆臂A的结构示意图；

图3-A是本发明机械摆臂B侧视的结构示意图；

图3-B是本发明机械摆臂B俯视的结构示意图；

图3-C是本发明机械摆臂B的剖视图；

图4-A是本发明悬吊组件及对应空间机械臂悬吊位置的侧视图；

图4-B是本发明悬吊组件及对应空间机械臂悬吊位置的结构示意图；

图5-A是本发明大臂根部悬吊件图；

图5-B是本发明大臂根部悬吊件下端的局部放大图；

图6是本发明肘部悬吊件图；

图7是本发明小臂末端悬吊件图；

图8是本发明空间机械臂受力分析图；

图9是本发明空间机械臂小臂杆转动与大臂杆呈一定角度时的示意图；

图10是本发明空间机械臂的结构示意图；

图11是本发明空间机械臂悬吊微重力模拟方法的结构示意图。

附图说明：

1、全向移动平台；2、配重；3、机械摆臂支架；4、相机；5、机械摆臂A；6、机械摆臂B；7、恒张力组件；8、悬吊组件；9、空间机械臂；10、六自由度平台；5-1、固定悬臂；5-2、回转关节；5-3、回转直驱电机；5-4、回转臂；5-5、直线驱动模组A；5-6、横梁；5-7、侧向滚轮；5-8、直线驱动模组B；5-9、直线驱动模组C；5-10、悬吊转接件A；6-1、固定座；6-2、大摆臂回转直驱电机；6-3、大摆臂回转关节；6-4、大摆臂； 6-5、大摆直线电机；6-6、大摆直线模组；6-7、小摆回转直驱电机；6-8、小摆回转关节；6-9、小摆臂；6-10、小摆直线模组；6-11、小摆直线电机；6-12、悬吊转接件B； 8-1、大臂根部悬吊件；8-2、肘部悬吊件；8-3、小臂末端悬吊件；8-1-1、滚转连接环A； 8-1-2、俯仰连接轴A；8-1-3、L型长吊杆；8-1-4、销轴A；8-1-5、偏转连接轴A；8-1-6、销轴B；8-1-7、吊绳组成A；8-1-1a、滚轮；8-1-1b、外滚转环；8-1-1c、内固定环；8-2-1、滚转连接环B；8-2-2、俯仰连接轴B；8-2-3、U型吊爪；8-2-4、短杆；8-2-5、销轴C；8-2-6、横连杆；8-2-7、销轴D；8-2-8、偏转连接轴B；8-2-9、吊绳组成B； 8-3-1、滚转连接环C；8-3-2、俯仰连接轴C；8-3-3、U型长吊爪；8-3-4、偏转销轴； 8-3-5、短杆；8-3-6、销轴E；8-3-7、异形横连杆；8-3-8、销轴F；8-3-9、偏转连接轴C；8-3-10、销轴G；8-3-11、偏转连接轴D；8-3-12、销轴H；8-3-13、长横连杆； 8-3-14、销轴I；8-3-15、短杆；8-3-16、U型吊爪；8-3-17、俯仰连接销轴；8-3-18、滚转连接环D；8-3-19、销轴J；8-3-20、L型短吊杆；8-3-21、销轴K；8-3-22、连接板；8-3-23、滚转连接环E；8-3-24、平衡块；8-3-25、吊绳组成C；9-1、肩部滚转关节；9-2、肩部俯仰关节；9-3肩部偏转关节；9-4、大臂杆；9-5、肘部关节；9-6、小臂杆；9-7、腕部偏转关节；9-8、腕部滚转关节；9-9、末端执行关节。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为相对的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面对本发明的具体实施例做详细说明。

本发明解决技术问题的依据的原理是：

针对空间目标捕获试验的机械臂微重力模拟，空间机械臂有以下技术问题：(1)空间机械臂跟随六自由度模拟平台运动和姿态变化而产生位置和姿态变化；(2)空间机械臂运动关节多，展开范围大；(3)空间机械臂捕获试验中既要尽量真实的模拟机械臂展开过程中机械臂运动产生的力矩对六自由度台的影响，又要充分卸载掉空间机械臂自身重力对六自由度台的影响。

如图1-A和图1-B所示，空间机械臂悬吊微重力模拟装置，包括全向移动平台1、配重2、机械摆臂支架3、相机4、机械摆臂A5、机械摆臂B6、恒张力组件7、悬吊组件 8和六自由度平台10，用于空间机械臂9的微重力模拟测试，六自由台设在气浮台上；相机4，实时测量六自由度台上的靶标点，得出六自由度台的位置与姿态变化，进而通过控制系统，控制机械摆臂安装平台跟随六自由度台运动；机械摆臂安装平台包括全向移动平台1、配重2与机械摆臂支架3，全向移动平台1在平面内全向移动；配重2；用于将全向移动平台1与机械摆臂的整体质心配平；机械摆臂支架3，其运动用来对全移动平台的运动精度进行补偿；相机4安装在机械摆臂支架3上，机械摆臂支架3的下端设置空间机械臂9。

优选地，全向移动平台1：主体为AGV车，通过4个麦克纳姆轮实现AGV车在平面内全向移动。为了实现大负载和更快的响应能力，采用气垫支撑AGV车，而4个麦克纳姆轮通过悬挂与气浮台面保持一定的支撑力。在实验过程中，由于大部分重量由气垫支撑，AGV车能够更平稳的运动。AGV车顶端为负载台面，上面加工有接口与机械摆臂支架 3连接。

优选地，配重2：配重2采用钢板多层叠放在机械摆臂支架3的底层框架上，用于将全向移动平台1与机械摆臂的整体质心配平，保证整体运动平稳，防止倾覆。

优选地，机械摆臂支架3：机械摆臂支架3为三层框架螺接组成，从下向上为底层框架、高度适应框架和摆臂连接支架，底层框架底部通过螺栓、调整垫铁与全向移动平台1台面连接，调整垫铁用于机械摆臂支架3的调平，底层框架顶面前段连接高度适应框架，后端安装配重2板，摆臂连接支架安装在高度适应框架顶面，其与机械摆臂连接得安装面向前悬出一定距离，使机械摆臂安装位置尽量靠近空间机械臂9，在摆臂连接面下端安装两台相机4用于测量六自由度台的位置和姿态。

优选地，相机4：相机4用于对靶标点的位姿测量，其中在机械摆臂支架3中摆臂连接面下端安装两台相机4用于测量全向移动平台1相对于六自由度台相对于全向移动平台1的位置和姿态，在机械摆臂上安装相机4用于测量空间机械臂9相对于机械摆臂的位置与姿态。

优选地，机械摆臂A5：机械摆臂A5安装在机械摆臂支架3上，位于两个机械摆臂 B6中间，用于控制空间机械臂9大臂根部吊点的跟随运动。如图2所示，机械摆臂A5 基本组成包括：固定悬臂5-1、回转关节5-2、回转直驱电机5-3、回转臂5-4、直线驱动模组A5-5、横梁5-6、侧向滚轮5-7、直线驱动模组B5-8、直线驱动模组C5-9和悬吊转接件A5-10。

其中，固定悬臂5-1安装在机械摆臂支架3上，机械摆臂A5整体与全向移动平台1一同移动。固定悬臂5-1与回转臂5-4通过回转关节5-2连接。回转关节5-2由精密加工的轴和高精度轴承装配组成，保证回转运动的机械精度，回转轴通过直驱电机驱动，直驱电机集成了高精度的编码器作为反馈，保证回转的控制精度。回转臂5-4下方安装有直线驱动模组A5-5。直线模组A由滚珠直线导轨和丝杠组成直线运动副，由集成了高精度绝对值编码器的电机驱动丝杠实现直线模组滑台的直线运动，直线传动经过标定和补偿，保证足够传动精度。直线模组A滑台连接横梁5-6，横梁5-6呈对称结构，横梁 5-6在中间安装有两组滚轮，滚轮与回转臂5-4两侧面接触并有一定预紧力，作为横梁 5-6直线运动时的侧倾防护。横梁5-6下端左右对称安装有两组直线驱动模组B5-8，每个直线驱动模组B5-8的滑台安装有直线驱动模组C5-9。直线模组B、C成法向安装，其结构与直线驱动模组A5-5相似，由滚珠直线导轨和丝杠组成直线运动副，由集成了高精度绝对值编码器的电机驱动丝杠实现直线模组滑台的直线运动，直线传动经过标定和补偿，保证足够传动精度。直线驱动模组C5-9的滑台上安装有悬吊转接件A5-10，悬吊转接件A5-10用于安装恒力装置及悬吊组件8，其位置与空间机械臂9大臂根部吊点位置对应。

机械摆臂A5的跟随运动控制分为三级，第一级整体位置由全向移动平台1控制跟随六自由度台运动；第二级为回转臂5-4、直线模组A和横梁5-6形成回转和直线运动组成的二维运动，控制摆臂A末端的吊点二维控制机构更为快速精准的跟随六自由度台运动，消除全向移动平台1的跟随运动误差；第三级，直线驱动模组B5-8和直线驱动模组 C5-9组成左右两组二维运动机构，各自控制机械摆臂A5的两个吊点跟随六自由度台上的两个空间机械臂9大臂根部吊点运动。

优选地，机械摆臂B6：机械摆臂B6有两套，为对称结构，左右对称安装在机械摆臂支架3上，分别对应一个空间机械臂9。用于控制空间机械臂9肘部关节吊点和小臂末端吊点的跟随运动。如图3所示，机械摆臂B6基本组成包括：固定座、大摆臂回转直驱电机5-3、大摆臂回转关节5-2、大摆臂、大摆直线电机、大摆直线模组、小摆回转直驱电机5-3、小摆回转关节5-2、小摆臂、小摆直线模组、小摆直线模组驱动电机和悬吊转接件B。

其中，固定座安装在机械摆臂支架3上，机械摆臂B6整体与全向移动平台1一同移动。固定座与大摆臂通过回转关节5-2连接。回转关节5-2由精密加工的轴和高精度轴承装配组成，保证回转运动的机械精度，回转轴通过直驱电机驱动，直驱电机集成了高精度的编码器作为反馈，保证回转的控制精度，大摆臂内侧安装有大摆直线模组，由滚珠直线导轨和丝杠组成直线运动副，由集成了高精度绝对值编码器的电机驱动丝杠实现直线模组滑台的直线运动，直线传动经过标定和补偿，保证足够传动精度。大摆直线模组滑台连接小摆回转关节5-2，回转关节5-2上端连接小摆回转直驱电机5-3用于驱动回转关节5-2轴转动，回转关节5-2下端输出轴连接小摆臂。下摆臂底面安装有两组小摆直线模组，由带精密反馈编码器的电机驱动，小摆直线模组滑台安装悬吊转接件B，其用于安装恒力装置及悬吊组件8，其位置分别与空间机械臂9肘部吊点及小臂末端吊点位置对应。

优选地，恒张力组件7：恒张力组件7采用电机主动控制收放卷线并控制悬吊的力相对恒定，使悬吊点能够适应空间机械臂9展开过程中在竖直方向的位置变化。恒张力组件7安装在悬吊转接件上，下方连接悬吊组件8。

优选地，多点悬吊组件：悬吊组件与空间机械臂连接，本文设计了三组悬吊组件，如图4所示，分别为大臂根部悬吊件，对应为空间机械臂吊点a；肘部悬吊件，对应为空间机械臂吊点b；小臂末端悬吊件，对应为空间机械臂吊点c、d、e，三组悬吊组件共同组成了多点悬吊系统，实际实现了5处吊点，经过计算和分配各吊点悬吊力，使得从大臂根部关节至机械臂末端执行关节部分的空间机械臂在运动过程中各部分重力充分卸载，并且消除悬吊力产生的附加干扰力矩。

大臂根部悬吊件8-1如图5所示，包括滚转连接环A8-1-1；俯仰连接轴A8-1-2；L 型长吊杆8-1-3；销轴A8-1-4；偏转连接轴A8-1-5；销轴B8-1-6和吊绳组成A8-1-7，其中滚转连接环与空间机械臂连接，能够绕机械臂臂杆滚动旋转，其组成包括滚轮 8-1-1a、外滚转环8-1-1b和内固定环8-1-1c。

多点悬吊组件与空间机械臂的连接都采用此种结构，内固定环8-1-1c内侧环面抱紧空间机械臂连接固定，外侧环面加工滚轮8-1-1a的滚转槽，外滚转环8-1-1b由两半环组装成一个整环并均布安装有4个滚轮8-1-1a，组装后滚轮8-1-1a能在内固定环 8-1-1c的环状槽进行滚动旋转。滚转连接环与俯仰连接轴、偏转连接轴组成了正交的三个转轴，使大臂根部悬吊件与空间机械臂形成万向连接机构，从而使悬吊组件能够适应机械臂的偏转、俯仰、滚转各种运动，L型长吊杆8-1-3能够使大臂根部悬吊件在空间机械臂收拢状态时避让其他机构，使吊点一直位于臂杆中轴位置。

肘部悬吊件如图6所示，包括滚转连接环B8-2-1、俯仰连接轴B8-2-2、U型吊爪8-2-3、短杆8-2-4、销轴C8-2-5、横连杆8-2-6、销轴D8-2-7、偏转连接轴B8-2-8和吊绳组成 B8-2-9；肘部悬吊件为使悬吊点位于肘关节转动轴心位置，采用对称布置的两个滚转连接环固定在肘关节两侧，同U型吊爪8-2-3和横连杆8-2-6及销轴等构成平行四连杆机构，使得空间机械臂发生偏转、俯仰等运动时，位于横连杆8-2-6中间的悬吊点一直位于肘关节转动轴中心。

小臂末端悬吊件较为复杂，集成了三个吊点，如图7所示，滚转连接环C8-3-1、俯仰连接轴C8-3-2、U型长吊爪8-3-3、偏转销轴8-3-4、短杆8-3-158-3-5、销轴E8-3-6、异形横连杆8-3-7、销轴F8-3-8、偏转连接轴C8-3-9、销轴G8-3-10、偏转连接轴D8-3-11、销轴H8-3-12、长横连杆8-3-134、销轴I8-3-14、短杆8-3-158-3-5、U型吊爪8-3-16、俯仰连接销轴8-3-17、滚转连接环D8-3-18、销轴J8-3-19、L型短吊杆8-3-20、销轴 K8-3-21、连接板8-3-22、滚转连接环E8-3-23、平衡块8-3-24和吊绳组成C8-3-25。

其中：滚转连接环C8-3-1、俯仰连接轴C8-3-2、U型长吊爪8-3-3、偏转销轴8-3-4和短杆8-3-158-3-5组成了小臂悬吊机构，即吊点c悬吊机构，具备滚转、俯仰、偏转3 个自由度，并通过销轴E8-3-6、异形横连杆8-3-7连接，通过计算并分配销轴F8-3-8 在异形横连杆8-3-7的位置，使小臂悬吊机构受到等于所需卸载重力大小的恒定的竖直悬吊力。

其中：偏转连接轴D8-3-11、销轴H8-3-12、长横连杆8-3-134、销轴I8-3-14、短杆8-3-158-3-5、U型吊爪8-3-16、俯仰连接销轴8-3-17和滚转连接环D8-3-18组成了腕关节悬吊机构，即吊点d悬吊机构，其悬吊力大小为腕关节重力，结构与肘部悬吊件类似，使用两组滚转连接环、U型吊爪8-3-16等与横连杆组成平行四连杆机构，保证其悬吊点一直位于腕关节转轴中心，并通过销轴G8-3-10与异形横连杆8-3-7杆连接。

其中：L型短吊杆8-3-20、销轴K8-3-21、连接板8-3-22、滚转连接环E8-3-23，长横连杆8-3-13和平衡块8-3-24组成了末端执行关节悬吊机构，即吊点e悬吊机构，其悬吊力大小为末端执行关节重力，结构上使用两组滚转连接环对称连接固定在末端执行关节转轴两侧，并用连接板8-3-22连接为一体，连接板8-3-22中心通过销轴与L型短吊杆8-3-20连接，L型短吊杆8-3-20上端通过销轴J8-3-19与长横连杆8-3-13连接。其悬吊力位于长横连杆8-3-13销轴J8-3-19一端，一直处于末端执行关节中心上方，悬吊力通过平衡块8-3-24配平，使得长横连杆8-3-13的销轴H8-3-12处的力矩平衡。

将需要卸载重力的空间机械臂简化为如图8所示的均匀质量的关节与臂杆结构。给定其中根部关节、肘部关节、腕部偏转关节质量为6kg，小臂末端偏转关节、末端执行关节重量为3kg，大臂、小臂为10kg。根部与肘部距离1060mm，肘部距离腕部偏转关节 1060mm，腕部距离末端执行关节180mm。大臂根部吊点力为F1，位于距离根部关节100mm 处；肘部吊点力为F2；小臂末端吊点力为F3，位于距离肘部关节725mm处；腕部吊点力为F4；末端执行关节吊点力为F5。平衡块距离腕部吊点113mm，重力为G1，则有腕部吊点和末端吊点汇合吊点力Fa＝F4+F5+G1，位于腕部偏转关节中心上方；小臂末端吊点F3 与Fa通过异形横连杆机构汇合为吊点Fb，Fb吊点与机械摆臂B小摆臂吊点对应连接。

根据重力卸载要求，易知F5＝3kgf，F4＝6kgf；

由Fa处力矩平衡，有：

则有：Fa＝F4+F5+G1＝13.78kgf；

F3卸载小臂及小臂末端执行关节重力，考虑肘部力矩平衡，有：

计算得F3＝11.697kgf，则Fb＝F3+Fa＝25.46kgf；

为使Fb处力矩平衡，设F3距离Fb为x，Fa距离Fb为y，则有：

计算有x＝181.2mm，y＝153.8mm，即可确定Fb位置。

又有F1+F2+F3＝6+10+6+10+3(kgf)，即为根部关节、大臂、肘部关节、小臂、小臂末端偏转关节的重力之和。

且根部力矩为0，则：

F1×100+F2×1060+F3×(1060+725) ＝10×530+6×1060+10×(1060+530)+3×(1060+1060)

计算得出F1＝12.146kgf，F2＝11.158kgf。

将计算得出的F1，F2，F3值代入计算肘关节处力矩，有：

F1×960+10×530+3×1060＝F3×725+10×530+6×1060 ＝20140kgf·mm

可知此时空间机械臂肘部关节处无重力及悬吊力产生的附加力矩，空间机械臂各处的重力进行了较为充分的卸载。

当机械臂小臂杆转动与大臂杆呈一定角度时，如图9示意，设根部关节为原点，大臂方向为x轴，竖直方向为z轴，小臂与大臂角度为α。

易得对x轴力矩为：

Mx＝F3×725×sinα-(10×530×sinα+3×1060×sinα) ＝sinα[F3×725-(10×530+3×1060)]＝0

对y轴力矩为：

My＝F1×100+F2×1060+F3×(1060+725×cosα) -[10×530+6×1060+10×(1060+530×cosα)+3 ×(1060+1060×cosα)]

＝F1×100+F2×1060+F3×1060 -(10×530+6×1060+10×1060+3×1060)+cosα×[F3 ×725-(10×530+3×1060)]

＝F1×100+F2×1060+F3×1060 -(10×530+6×1060+10×1060+3×1060)

可知此时空间机械臂对根部y轴方向得力矩与小臂杆转动角度无关，代入 F1、F2、F3后计算得My＝0。

在空间机械臂运动过程中，悬吊力与重力对机械臂各处始终处于力矩平衡状态，不会产生额外干扰力矩。

更优选地，空间机械臂是进行目标捕获等试验的主要执行装置，两件机械臂对称安装在六自由度台上的模拟墙上，每个机械臂如图10所示，包括肩部滚转关节9-1、肩部俯仰关节9-2、肩部偏转关节、大臂杆、肘部关节、小臂杆、腕部偏转关节、腕部滚转关节和末端执行关节，其中肩部滚转关节9-1、肩部俯仰关节9-2和肩部偏转关节行程根部关节。

重力卸载针对其中发生运动的部件肩部偏转关节9-3，大臂杆9-4，肘部关节9-5，小臂杆9-6，腕部偏转关节9-7，腕部滚转关节9-8和末端执行关节9-9。在本微重力系统中，试验时空间机械臂肩部关节可以实现偏转和俯仰动作，在试验环境里没有避障需求得条件下，空间机械臂能够覆盖所需得三维空间进行试验，空间机械臂一般为了避障等设计有冗余自由度，试验中限制肩部滚转关节9-1，可以大幅减少微重力悬吊模拟装置的结构复杂度，使得试验在工程上得以实现。

在机械臂向前展开伸直的状态下，可以在本装置悬吊的状态下将肩部滚转关节9-1 进行滚装90°，之后肩部滚转关节9-1固定，空间机械臂原偏航关节变为俯仰关节，原俯仰关节变为偏航关节，此时空间机械臂可以进行此姿态下的一定范围的俯仰和偏航运动。此状态下空间机械臂对六自由度台上安装处会产生一定的大臂杆9-4轴向的偏转力矩，需要调节肘部吊点或增加肘部关节9-5的气浮随动支撑装置以平衡此力矩的影响。

空间机械臂的肩部滚转关节9-1和肩部俯仰关节9-2固定在六自由度台上，在试验过程相对六自由度台不发生位置姿态的变化，其重力由六自由度台上配重调节平衡，不需要再进行悬吊重力卸载。

更优选地，六自由度台10是对服务航天器进行物理仿真的模拟平台，通过下方的平面空气轴承以及竖直方向的恒力气缸模拟3个自由度的直线运动，通过上方的气浮球轴承模拟3个自由度的旋转，并通过结构设计模拟航天器的质量特性。六自由度台上设置有推力器、陀螺等模拟航天器的动力及控制装置，实现在六自由度台在试验过程中的移动及姿态调节控制。

在实际的工作过程中，按照以下步骤进行，S1、将空间机械臂以收拢状态安装在六自由度台上，控制六自由度台在气浮平台上移动至试验起始位置；S2、控制全向移动平台移动使微重力模拟装置移动至六自由度台附近位置，根据六自由度台靶标点调节找准位置；S3、控制机械摆臂运动，使机械摆臂的悬吊组件移动到空间机械臂相应吊点位置，将悬吊组件与吊点连接；S4、控制六自由度台在气浮平台移动到靠近捕获目标的相应位置，控制全向移动平台跟随六自由度台移动；S5、控制空间机械臂展开，顺序是先向外侧展开小臂，再控制大臂杆、小臂杆联动使末端执行关节靠近捕获目标，同时控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；S6、空间机械臂完成试验后，控制运动至原收拢状态，控制机械摆臂跟随空间机械臂运动，使悬吊组件时刻保持在吊点上方；S7、六自由度台移动至停放位置后，关闭气源，支撑固定六自由度台；S8、拆卸悬吊组件，移动全向移动平台离开六自由度台位置至停放位置，关闭气源电源，试验结束。

通过有气垫支撑的全向移动平台能够平稳的主动跟随六自由度台进行运动，保证微重力模拟装置能够一直整体跟随在空间机械臂的相对恒定位置；通过套能够快速响应控制的机械摆臂系统，主动跟随空间机械臂上的吊点运动，控制悬吊组件始终准确跟随在吊点上方。机械摆臂分为前后两部分进行两级控制，其中第一部分由大摆臂的回转运动及摆臂长度方向的直线运动组成极坐标系统，更为精确快速的跟随六自由度台上空间机械臂的位置变化进行小范围调节，消除全向移动平台跟随的误差；第二级为悬吊组件的位置跟随控制，机械摆臂A采用两级直线运动组成二维移动控制空间机械臂大臂根部悬吊组件跟随吊点运动；机械摆臂B通过小摆臂回转运动和小摆臂方向的直线运动组成极坐标运动控制空间机械臂肘部悬吊组件和小臂末端悬吊组件跟随吊点运动，每个悬吊组件通过主动收放吊绳的恒力装置控制竖直方向跟随吊点运动，如此实现多个悬吊点能够跟随空间机械臂进行展开运动。

通过能够适应机械臂多关节运动的悬吊组件，并计算分配各吊点的悬吊力，使得空间机械臂运动部分重力充分卸载，消除重力对六自由度台的影响。发明了一种针对空间机械臂末端执行关节运动的悬吊组件，将3处吊点集成为一处，通过机械摆臂控制3组悬吊组件跟随运动实现5处吊点的重力卸载。

试验过程中，空间机械臂开始按运动指令控制展开，上方的机械摆臂控制跟随摆动，使机械摆臂上的吊点跟随空间机械臂上对应悬吊点运动轨迹进行运动，同时空间机械臂各关节编码器实时反馈空间机械臂位置与力矩变化，在控制上保证机械摆臂吊点和空间机械臂上吊点的位置在运动时保持一致；另外，通过机械摆臂上的相机测量空间机械臂上靶标点计算实际吊点位置，并对机械摆臂的运动进行修正以消除吊点位置的误差，空间机械臂上实际吊点与空间机械臂自身反馈给出的吊点位置间的误差是由于两方面原因产生：全向移动平台与六自由度台之间的位置误差，是由于相机测量误差及全向移动平台跟随六自由度台运动控制精度造成，会使得空间机械臂位置坐标和机械摆臂位置坐标之间产生一定偏离误差；空间机械臂自身柔性产生的误差，会使得空间机械臂自身反馈位置与实际位置之间产生误差，这些误差最终反应到机械摆臂吊点与空间机械臂吊点之间的位置误差。

为了更为充分的卸载空间机械臂的重力，经过分析，在机械摆臂上针对每个空间机械臂设置了3个吊点，分别通过悬吊组件悬吊住空间机械臂的大臂根部，肘关节处和小臂末端，其中末端悬吊组件设计了一种多级悬吊组件使末端两级关节也进行了悬吊，从而使机械臂除根部关节外的其余部分都进行了悬吊，而根部关节固定安装在六自由度台上的模拟墙上，其重力通过配平由六自由度台承受，使得整个空间机械臂的重力进行了卸载。悬吊组件与空间机械臂连接处设计为多自由度关节，能够适应机械臂的展开运动同时保证悬吊力向上。

本装置提供的装置，是全新的地面进行空间目标捕获、消旋等试验的微重力模拟装置，相较与以往进行的此类实验，本申请对空间机械臂进行了多个吊点的重力卸载，使得试验过程中能够允许空间机械臂进行较大范围的运动同时消除其重力对航天器姿态模拟的影响，使得试验过程更为真实和准确。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。