CN102862688A - 吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构及调整方法，其中，摆杆一端与摆轮轴心连接，摆杆另一端与卷筒轴心连接，卷筒上缠绕吊索一端，吊索另一端穿过摆轮的轮槽与需要控制拉力的工件相连接，卷筒与力矩电机的电机轴同轴安装，摆杆可绕电机轴摆动，摆轮的半径与卷筒的半径相同，吊索在卷筒上的出线点和在摆轮的入线点之间的一段平行于摆杆的轴线；摆杆上的铰接点与钢丝绳一端相连接，钢丝绳另一端穿过位于摆杆上方的绳轮而与拉簧一端连接；拉簧另一端与绳轮上座下端分别与支座连接；绳轮安装于绳轮上座上端。本发明是恒拉力控制子系统的重要组成部分，其可以实现在较大的拉力工作点附近，在较大缓冲运动范围内获得低的等效刚度。

Description

吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构及调整方法

技术领域

本发明涉及宇航机构低重力实验系统的张力模拟机构，特别涉及一种使用摆杆弹簧机构实现高精度吊索式低重力模拟的主动张力控制缓冲机构及调整方法。

背景技术

空间机械臂、行星探测车等装置的工作情况和各项技术指标在研发过程中需要在地面环境下进行评估，为模拟机构未来真实工作所处的重力环境，需要低重力模拟实验系统。在地球重力环境下，模拟系统基本的工作原理是通过始终与重力方向平行的吊索提供所需恒拉力，抵消地球重力与期望重力之间的差值。低重力模拟系统包括恒拉力控制子系统、二维随动子系统和悬挂机构。悬挂机构用于分配拉力；二维随动子系统使吊索的上吊点跟踪被测工件运动，保持吊索与重力方向平行；恒拉力子系统用于保证吊索上所出拉力为指定值，能够抵消地球重力与期望重力的差值。

为了在地面模拟外行星或外层空间的低重力环境，需要研发相应的低重力模拟设备。吊索式低重力模拟设备是其中的重要一类。但由于一般吊索较长，受其挠性和分布参数的影响，致使控制系统带宽很难做得高；而从控制需求而言，吊索本身的弹性系数很大，毫米量级的长度拉伸或缩短即能引起张力数百牛顿的改变，因此要求控制系统反应快，带宽高。为弥合理论需求与实际能够达到的控制系统带宽之间的矛盾，需要使吊索上的弹性系数，即等效刚度降低。

发明内容

本发明的目的即是为解决上述问题而设计的一种使用摆杆弹簧机构实现高精度吊索式低重力模拟的主动张力控制缓冲机构及调整方法，该机构是恒拉力控制子系统的重要组成部分，其可以实现在较大的拉力工作点附近，在较大缓冲运动范围内获得低的等效刚度。

为了达到上述目的，本发明提供一种吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其包括有摆杆，摆杆的一端与摆轮的轴心活动连接，摆杆的另一端与卷筒的轴心活动连接，卷筒上缠绕吊索的一端，所述吊索的另一端穿过摆轮的轮槽而与需要控制拉力的工件相连接，所述卷筒还与力矩电机的电机轴同轴安装，摆杆能够绕电机轴摆动，摆轮的半径与卷筒的半径相同，吊索在卷筒上的出线点和在摆轮的入线点之间的一段平行于摆杆的轴线；

摆杆上设有铰接点，所述铰接点与钢丝绳的一端相连接，所述钢丝绳的另一端穿过位于摆杆上方的绳轮而与拉簧的一端连接；拉簧的另一端与绳轮上座的下端分别与支座连接；绳轮安装于绳轮上座的上端，且绳轮能够绕该绳轮的转轴旋转。

所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其中，绳轮上座的下端插入安装于支座上的绳轮上座滑套中，绳轮上座仅能沿绳轮上座滑套上下滑动，而不能旋转。

所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其中，绳轮上座的下端加工有安装在圆螺母中的螺纹，圆螺母被拉簧的预紧力压紧在支座的上支撑面上，旋转圆螺母用于推动绳轮的升降。

所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其中，支座设置有拉杆滑套，拉杆插入拉杆滑套中，拉簧一端连接在所述拉杆上，拉簧的另一端与钢丝绳的所述另一端相连接；拉杆只能沿拉杆滑套滑动，而不能旋转。

所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其中，拉杆远离拉簧的一端被加工成具有预定长度的丝杆，该丝杠与圆螺母配合，圆螺母被拉簧的预紧力压紧在支座的支撑面上，并通过锁紧螺丝锁紧。

所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其中，摆杆的一端通过滚动轴承与摆轮的轴心活动连接，摆杆的另一端通过滚动轴承与卷筒的轴心活动连接。

本发明还提供一种吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其中，包括以下步骤：

1)将摆杆的一端与摆轮的轴心活动连接，摆杆的另一端与卷筒的轴心活动连接，卷筒上缠绕吊索的一端；

2)将所述吊索的另一端穿过摆轮的轮槽而与需要控制拉力的工件相连接，所述卷筒还与力矩电机的电机轴同轴安装，摆杆能够绕电机轴摆动，摆轮的半径与卷筒的半径相同，吊索在卷筒上的出线点和在摆轮的入线点之间的一段平行于摆杆的轴线；

3)将摆杆上设有的铰接点与钢丝绳的一端相连接，所述钢丝绳的另一端穿过位于摆杆上方的绳轮而与拉簧的一端连接；

4)将拉簧的另一端与绳轮上座的下端分别与支座连接；

5)将绳轮安装于绳轮上座的上端，且绳轮能够绕该绳轮的转轴旋转。

所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其中，在步骤4中，绳轮上座的下端插入安装于支座上的绳轮上座滑套中，绳轮上座仅能沿绳轮上座滑套上下滑动，而不能旋转。

所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其中，绳轮上座的下端加工有安装在圆螺母中的螺纹，圆螺母被拉簧的预紧力压紧在支座的上支撑面上，旋转圆螺母用于推动绳轮的升降。

所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其中，支座设置有拉杆滑套，拉杆插入拉杆滑套中，拉簧一端连接在所述拉杆上，拉簧的另一端与钢丝绳的所述另一端相连接；拉杆只能沿拉杆滑套滑动，而不能旋转。

所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其中，拉杆远离拉簧的一端被加工成具有预定长度的丝杆，该丝杠与圆螺母配合，圆螺母被拉簧的预紧力压紧在支座的支撑面上，并通过锁紧螺丝锁紧。

所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其中，摆杆的一端通过滚动轴承与摆轮的轴心活动连接，摆杆的另一端通过滚动轴承与卷筒的轴心活动连接。一般情况下，合理选择钢丝绳的长度，拉簧在初始安装时就被预紧到设定值。摆轮的半径与卷筒的半径相同，使无论摆杆在任何位置，吊索在卷筒上的出线点和在摆轮的入线点之间的一段始终平行于摆杆的中线。

本发明还提供了适用于所述张力控制缓冲机构的等效刚度参数调节方法：

1.绳轮上座的调整：由于摆杆。摆动范围内拉力工作点的变化范围有限，若其不能覆盖需要的拉力值时，需要调整绳轮上座。调整方法如下：如需增大拉力，旋转圆螺母，使绳轮上座向上移动；反之则是减小拉力。一般拉簧弹性系数k较大，此调整为粗调。

2.拉簧拉杆的调整：拉杆的调整是对拉力中心工作点的微调。松开丝杆圆螺母上的固定螺栓，旋转圆螺母，可微调弹簧的预紧力，从而达到微调拉力中心工作点的目的。调整过程会使等效弹性系数受到小的影响，控制系统一般具有一定的鲁棒性，该调整不会影响系统的稳定性。

附图说明

图1所示为本发明一种吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构的示意图；

图2摆轮受力示意图；

图3摆杆受力简化示意图；

图4机构的静态特性示意图；

图5工作点调整的机构示意图。

附图标记说明：1-吊索；2-摆轮；3-卷筒；4-摆杆；5-拉簧钢丝绳；6-绳轮；7-绳轮上座；8-绳轮上座螺纹；9-绳轮上座滑套；10-拉簧；11-拉杆滑套；12-丝杆；13-电机轴；14-拉杆圆螺母；15-支座圆螺母；16-力矩电机；17-锁紧螺丝；18-铰接点；19-支座；20-被测工件；21-拉杆；22-吊索在摆轮上的入线点；23-吊索在卷筒上的出线点；T₁-摆轮轴对摆杆的作用力；T-T₁的分解(被控拉力)；A₀-钢丝绳在绳轮上的出线点；A₂-摆轮轴心；A₃-T平移到A₂点的矢量端点；A₄-T’平移到A₂点的矢量端点；24-钢丝绳与拉簧连接点；25-钢丝绳与摆杆连接点。

具体实施方式

有关本发明为达到上述的使用目的与功效及所采用的技术手段，现举出较佳可行的实施例，并配合附图所示，详述如下：

首先如图1所示，其为吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构的示意图，其中，摆杆4的一端通过滚动轴承与摆轮2的轴心活动连接，使摆轮2可绕其轴心旋转；摆杆4的另一端通过滚动轴承与卷筒3的轴心活动连接，使卷筒3可绕其轴心旋转。

卷筒3上缠绕吊索1的一端，所述吊索1的另一端穿过摆轮2的轮槽从而与需要控制拉力的工件20相连接。吊索1可以与工件20的重心位置铰接，或与工件20的某些特定位置——如机械臂、轮轴等位置铰接。

所述卷筒3还与力矩电机16的电机轴13同轴安装，电机转子的旋转可以驱动卷筒3同步旋转，并对吊索1进行收放。由于摆杆4与卷筒3之间安装有滚动轴承，因此摆杆4可绕电机轴13做独立的摆动。摆轮2的半径与卷筒3的半径相同，因此无论摆杆4在任何位置，吊索1在卷筒3上的出线点23和在摆轮2的入线点22之间的一段始终平行于摆杆4的轴线。

摆杆4上设有铰接点18，所述铰接点18与钢丝绳5的一端相连接，所述钢丝绳5的另一端穿过位于摆杆4上方的绳轮6而与拉簧10的一端连接。拉簧10的另一端与绳轮上座7的下端分别与支座19连接。其中，绳轮6安装于绳轮上座7的上端，且绳轮6可绕其转轴旋转，绳轮上座7的下端插入安装于支座19上的绳轮上座滑套9。绳轮上座7仅能沿绳轮上座滑套9上下滑动，而不能旋转。绳轮上座7的下端加工有安装在圆螺母15中的螺纹8，圆螺母15被拉簧10的预紧力压紧在支座19的上支撑面上，旋转圆螺母15可推动绳轮6的升降。

支座19还设置有拉杆滑套11，拉杆21插入拉杆滑套11中。拉簧10一端连接在所述拉杆21上，拉簧10的另一端与钢丝绳5的所述另一端相连接。拉杆21只能沿拉杆滑套11滑动，而不能转动，拉杆21远离拉簧10的一端被加工成一定长度的丝杆12，与圆螺母14配合。圆螺母14被拉簧10的预紧力压紧在支座19的支撑面上，并可通过锁紧螺丝17锁紧。旋转圆螺母14可调整拉簧10的伸长量。一般情况下，合理选择钢丝绳5的长度，拉簧10在初始安装时就被预紧到设定值。

静态情况下考察摆轮2的受力情况，如图2所示。假设吊索1在摆轮2的轮槽中不打滑，忽略摆轮2转轴上的摩擦力矩，则吊索1在摆轮2的出线端和入线端的张力相等，即T＝T’。根据刚体力学平面力系简化原理，吊索1对摆轮2的作用力系可以向摆轮2的轴心A₂简化，简化后对轴心A₂主矩为零，主矢T₀的方向沿∠A₃A₂A₄的角平分线。摆杆4的长度为L；拉簧的弹性系数为k。摆杆4的受力情况如图3所示。摆轮2对摆杆4的作用力为T₁，大小与T₀相等，方向与T₀一致，作用在摆杆4靠近摆轮3的一端轴心A₂的位置。将T₁沿摆杆4轴线方向

和沿竖直吊索方向分解，由三角形的全等性可知，这两个分力大小均为T。

如图3所示，建立如图坐标系。其中上标g表示重力坐标系：原点在电机轴心，水平向右为x_g轴正方向，竖直向上为y_g轴正方向；b表示摆杆体坐标系：原点在电机轴心，平行于摆杆4向右为x_b轴正方向，垂直于摆杆4向上为y_b轴正方向。A₀点在g系下的坐标

为(x₀，y₀)，铰接点18在b系下的坐标

为(x₁，y₁)，A₂点在b系下的坐标

为(x₂，y₂)＝(-L，0)。

当弹簧原长时铰接点处于A₀，安装时将其拉伸，与摆杆4在铰接点18连接在一起，摆杆体坐标旋转θ之后弹簧拉力为

$F=k(a_0^g-a_1^g)---\left(1\right)$

$a_0^g={(x_0,y_0)}^T$

旋转矩阵：

$R_b^g=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

$a_1^g=R_b^g{a}_1^b=R_b^g\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\end{array}\right]$

对于摆杆列动力学方程，有：

$J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}=a_2^g\×\left[\begin{array}{c}0\\ -T\end{array}\right]+a_1^g\×F$

各个矢量代入后整理得到：

$T=\frac{J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}{L\cos \mathrm{\θ}}+\frac{k(a_1^b\·a_0^g)}{L}\tan \mathrm{\θ}+\frac{k(a_1^b\×a_0^g)}{L}---\left(2\right)$

上式成立的假设：当弹簧原长对应铰接点18和A₀点重合。

若实际使用中，弹簧原长时超出A₀点l₀长度，则式(1)变为

$F=k(a_0^g-a_1^g)(1-\frac{l_0}{l_1})---\left(3\right)$

$l_1={\left|\right|a_0^g-a_1^g\left|\right|}_2$

(2)式修正为

$T=\frac{J\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}{L\cos \mathrm{\θ}}+\frac{\tilde{k}(a_1^b\·a_0^g)}{L}\tan \mathrm{\θ}+\frac{\tilde{k}(a_1^b\×a_0^g)}{L}$

其中，

装置工作时，一般情况下限定摆杆摆角θ在区间[-30°，+30°]内，1/cosθ＜1.2。本机构的静态特性如图4所示。

为本机构的标称中心工作点(本系统实现的样机的标称工作点为1500N)，等效弹性系数为

T_n由被测工件需要的拉力数值确定，其数值根据设计要求选定，但由于各种干扰和工艺水平的限制，实际能够实现的拉力中心工作点与期望值必然存在差异，该差异由力传感器测量，并反馈给电机，电机通过旋转卷筒，收放吊索，使吊索上的拉力值沿图4曲线滑动，实现吊索拉力的精确调整。为降低控制系统的带宽需求，需要实现较低的吊索纵向弹性系数k。而需要的拉力决定了制作拉簧10钢丝横截面的直径，在某些尺寸空间受限的情况下，很难实现低弹性系数。本发明可以在吊索上提供所需拉力T_n的附近区域实现一个等效的低弹性系数k_e的机构。

根据要求的工作点T_n、弹簧弹性系数k和需要达到的等效弹性系数k_e，设计

则摆杆水平时，

与

夹角

为

铰接点18不必处于摆杆4中心线上，为结构紧凑起见，在本实施例中，我们选取铰接点18处于摆杆4中心线上。弹簧伸长量约为

对于原长为l的弹簧，其安全伸长量一般不超过其原长的2/3，故有Δl＜2/3l。摆杆4在中心位置时(水平)，钢丝绳5与其夹角设计为约45°(该角度可根据具体设计情况任意设置)可综合平衡摆杆4端头的缓冲距离和拉簧10需承受的拉力等矛盾因素，较为合适，此时

可进一步确定其长度为

其中θ_max＝π/6是摆杆偏离中心位置的最大摆角，从而

需要强调的是，通过对

的设计，可实现刚度从0到k的任意低等效刚度设计，即可以在极为有限的尺寸结构下实现大拉力、接近于0刚度的结构设计。原则上也可得到比k更高的刚度。

设计安装后，为达到预先设计效果，弹簧、钢丝绳相关参数的选择和调整方法如下：

1.钢丝绳5长度的确定方法：为使拉簧10、拉杆21的调整在两个方向都有足够的调整裕度，初始安装时，转动圆螺母14，使拉杆滑套11尽量处于拉杆21中央位置，使用锁紧螺丝17锁紧圆螺母14。测量拉簧10自由状态时钢丝绳与拉簧连接点24与绳轮出现点A₀之间需要的钢丝绳5的长度，截取、安装。钢丝绳5的钢丝绳与摆杆连接点25在拉簧10自由时应处于绳轮出线点A₀。拉紧拉簧10，将钢丝绳与摆杆连接点25铰接于摆杆4的铰接点18。

2.绳轮上座的调整：图1中，由于摆杆4摆动范围内拉力工作点的变化范围有限，若其不能覆盖需要的拉力值时，需要调整绳轮上座7。调整方法如下：如需增大拉力，旋转圆螺母，使绳轮上座向上移动；反之则是减小拉力。调整距离|ΔH|与需要调整的拉力|ΔT_n|之间的关系如下：

其中

一般拉簧弹性系数k较大，此调整为粗调。

3.拉簧拉杆的调整：拉杆的调整是对拉力中心工作点T_n的微调。松开丝杆圆螺母上的固定螺栓，旋转圆螺母，可微调弹簧的预紧力，从而达到微调拉力中心工作点T_n的目的。调整过程会使等效弹性系数受到小的影响，控制系统一般具有一定的鲁棒性，该调整不会影响系统的稳定性。

本发明通过设计相关的缓冲机构及对机构的调整设置，它可以实现在较大的拉力工作点附近，在较大缓冲运动范围内吊索上获得低的等效刚度，从而避免了对控制系统的带宽要求过高与吊索自身过长时其挠性和分布参数对其带宽影响较大的矛盾。

以上说明对本发明而言是说明性的，而非限制性的，本领域普通科技人员可以理解。在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其特征在于，包括有摆杆，摆杆的一端与摆轮的轴心活动连接，摆杆的另一端与卷筒的轴心活动连接，卷筒上缠绕吊索的一端，所述吊索的另一端穿过摆轮的轮槽而与需要控制拉力的工件相连接，所述卷筒还与力矩电机的电机轴同轴安装，摆杆能够绕电机轴摆动，摆轮的半径与卷筒的半径相同，吊索在卷筒上的出线点和在摆轮的入线点之间的一段平行于摆杆的轴线；

摆杆上设有铰接点，所述铰接点与钢丝绳的一端相连接，所述钢丝绳的另一端穿过位于摆杆上方的绳轮而与拉簧的一端连接；拉簧的另一端与绳轮上座的下端分别与支座连接；绳轮安装于绳轮上座的上端，且绳轮能够绕该绳轮的转轴旋转。

2.根据权利要求1所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其特征在于，绳轮上座的下端插入安装于支座上的绳轮上座滑套中，绳轮上座仅能沿绳轮上座滑套上下滑动，而不能旋转。

3.根据权利要求2所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其特征在于，绳轮上座的下端加工有安装在圆螺母中的螺纹，圆螺母被拉簧的预紧力压紧在支座的上支撑面上，旋转圆螺母用于推动绳轮的升降。

4.根据权利要求1所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其特征在于，支座设置有拉杆滑套，拉杆插入拉杆滑套中，拉簧一端连接在所述拉杆上，拉簧的另一端与钢丝绳的所述另一端相连接；拉杆只能沿拉杆滑套滑动，而不能旋转。

5.根据权利要求3所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其特征在于，拉杆远离拉簧的一端被加工成具有预定长度的丝杆，该丝杠与圆螺母配合，圆螺母被拉簧的预紧力压紧在支座的支撑面上，并通过锁紧螺丝锁紧。

6.根据权利要求3所述的吊索式低重力模拟张力控制缓冲机构，其特征在于，摆杆的一端通过滚动轴承与摆轮的轴心活动连接，摆杆的另一端通过滚动轴承与卷筒的轴心活动连接。

7.一种吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将摆杆的一端与摆轮的轴心活动连接，摆杆的另一端与卷筒的轴心活动连接，卷筒上缠绕吊索的一端；

2)将所述吊索的另一端穿过摆轮的轮槽而与需要控制拉力的工件相连接，所述卷筒还与力矩电机的电机轴同轴安装，摆杆能够绕电机轴摆动，摆轮的半径与卷筒的半径相同，吊索在卷筒上的出线点和在摆轮的入线点之间的一段平行于摆杆的轴线；

3)将摆杆上设有的铰接点与钢丝绳的一端相连接，所述钢丝绳的另一端穿过位于摆杆上方的绳轮而与拉簧的一端连接；

4)将拉簧的另一端与绳轮上座的下端分别与支座连接；

5)将绳轮安装于绳轮上座的上端，且绳轮能够绕该绳轮的转轴旋转。

8.根据权利要求7所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其特征在于，在步骤4中，绳轮上座的下端插入安装于支座上的绳轮上座滑套中，绳轮上座仅能沿绳轮上座滑套上下滑动，而不能旋转。

9.根据权利要求8所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其特征在于，绳轮上座的下端加工有安装在圆螺母中的螺纹，圆螺母被拉簧的预紧力压紧在支座的上支撑面上，旋转圆螺母用于推动绳轮的升降。

10.根据权利要求7所述的吊索式低重力模拟张力控制的调整方法，其特征在于，支座设置有拉杆滑套，拉杆插入拉杆滑套中，拉簧一端连接在所述拉杆上，拉簧的另一端与钢丝绳的所述另一端相连接；拉杆只能沿拉杆滑套滑动，而不能旋转。

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