CN104443448A - 一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台、传感器和控制系统，八根绳索采用空间对称的“上四下四”方式布局，绳索的伸长或缩短由电机驱动的驱动单元按照控制系统的指令动作，控制系统根据传感器给出的力和位移数据对各个绳索进行长度和力闭环或半闭环控制进而模拟出模拟负载平台在零重力或低重力环境下的运动，同时，可以选用一根或多根绳索叠加施加外部干扰力；该实验装置克服传统模拟方法工作空间受限制或动态性不足的问题，能够实现零重力或低重力环境下模拟负载平台的6自由度运动控制和受力模拟。

Description

一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置

技术领域

本发明属于零重力及低重力环境模拟设备领域，特别涉及一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置。

背景技术

零重力及低重力环境模拟试验设备可使被试物体在地球上处于失重或低重力状态，在航天领域有着广泛需求，主要应用于辅助航天飞行器设计，检测航天飞行器在试中各种性能适应性，飞行员训练等。目前采用的零重力及低重力模拟方法和装备主要有以下几种：(1)抛物线飞行失重模拟；(2)浮力平衡重力法；(3)刚性并联机构模拟；(4)索机构模拟设备。

抛物线飞行失重模拟方法是利用飞机或小型火箭做抛物线飞行来创造短时间的微重力环境，利用飞机试验重力加速度能达到10-2g到10-3g，时间在25秒左右，利用小型火箭做自由落体运动可以在6-15分钟内达到10-5g的微重力实验条件。该类方法非常简单，可以直接利用现有的装备，但仅能实现短时间的低重力环境，工作范围限制在飞机机舱内，不能模拟复杂的太空，且成本较高，应用范围有限，主要应用在航天员失重训练中。

浮力平衡的方法即利用液体浮力和气体浮力来抵消重力。利用水产生浮力，通过添加适当的配重可以保证物体在水中的悬浮，该方法可以建立长期的稳定低重力环境，但是运动会受到较大水阻力的影响。一般仅用于宇航员长时间操作训练。利用空气浮力即用气球悬挂空间机器人和操作物来进行失重条件下的模拟实验，但是该方法设备体积庞大，重心分布和空气阻力对实验的可操作性和准确性产生很大的限制。

刚性并联机构模拟设备是由六自由度平台、对接机构、六维力传感器和计算机测控系统组成的综合试验台，主要用于模拟空间零重力对接，具体过程为在两个对接机构发生接触时，六维力传感器测得相互作用力，并将测量结果传给计算机系统，由计算机根据航天器的对接动力学解算出两航天器的相对运动，再由液压驱动的六自由度平台来模拟对接过程中的运动情况。该种设备形式多样，承载力大，但作业空间范围都很小。

索机构拖拽模拟设备目前应用最为广泛的是单自由度的索驱动机构，其具有大作业空间的特点。美国国家航空航天局(NASA)将斜拉平行索系和斜面结合，利用重力的分力来模拟低重力环境，用于训练飞行员。另外，可以通过对索力进行主动的伺服控制或采用配重，抵消部分或全部的重力，来实现低重力和零重力环境，这种方案在已有的中国发明专利申请中有所体现(发明专利申请公布号：CN102145755A、CN102009749A)。但这种索机构拖拽模拟方法往往采用的是一根或多根竖直方向的绳索，只能模拟竖直方向的运动状态和受力，无法用于多自由度运动尤其是可能出现在各个方向的发动机推力导致的运动的模拟。

上述四种方法虽然能够实现一定程度上实现的零重力和低重力环境，但是均存在一些不足之处，尤其对于用于模拟火箭在月球发射(1/6重力的低重力环境)和模拟空间对接(零重力环境)实验而言，采用地面火箭点火实验，即方法(1)可以直接得到羽流扰动等真实数据，但实现的成本高、风险大，且低重力环境只能采用相似性进行等效评判；采用非点火实验，即方法(2)、(3)、(4)，均无法模拟火箭发射初始阶段的全过程，无法模拟飞行器在空间6自由度的运动状态和羽流扰动，因此有必要开发一种新的零重力及低重力环境模拟设备。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，克服了上述零重力及低重力模拟技术不能用于模拟飞行器在空间6自由度的运动状态和羽流扰动的不足，通过采集传感器数据分析得到模拟负载平台的位姿以及每根索的拉力，通过控制系统内的控制算法对每根索的长度和拉力进行反馈控制，提供了一种在大范围工作空间内模拟零重力或低重力环境下的物体的受力及6自由度运动，实现对物体的定矢量力某时刻大小、方向确定的力受力以及运动时所受干扰力的模拟。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索200、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台300、传感器和控制系统，绳索200共有八根，一端连接在绳索驱动单元上，另一端绕过绳索导向装置上连接在模拟负载平台300上，绳索200的伸长或缩短由电机驱动的绳索驱动单元按照控制系统的指令动作，控制系统根据传感器测得的绳索200的受力和位移数据对各个绳索200进行长度和力控制进而模拟出模拟负载平台300在零重力或低重力环境下的运动。

所述基础框架包括基础平台100和位于基础平台100上的四个立柱101，四个立柱101在水平面上的投影分别位于一个矩形一的四个顶点，在基础平台100上位于每根立柱101的底端附近均安装两套绳索驱动单元，绳索驱动单元包括电机205和连接电机205的滚筒203，在每根立柱101的顶端和底端位置均各安装一套绳索导向装置构成整体上的空间对称布局，绳索导向装置包括滑轮213，八根绳索200中，其中四根的一端分别连接在四个绳索驱动单元的滚筒203上，另一端分别绕过位于每根立柱101顶端的滑轮213后连接在模拟负载平台300的上表面，在上表面形成四个连接点且该四个连接点位于一个矩形二的四个顶点，另外四根的一端分别连接在另四个绳索驱动单元的滚筒203上，另一端分别绕过位于每根立柱101顶端的滑轮213后连接在模拟负载平台300的下表面，在下表面形成四个连接点且该四个连接点位于一个矩形三的四个顶点，从而使八根绳索200与模拟负载平台300的连接构成“上四下四”布局，其中矩形一和矩形二不相似。

所述传感器包括力测量传感器和长度测量传感器两类，其中力测量传感器由安装在每根绳索200与模拟负载平台300之间的拉力传感器221和/或安装在电机205与滚筒203之间的扭矩传感器204组成；所述长度测量传感器由安装在电机205端面或者滚筒203端面的旋转类长度测量传感器和/或安装在基础框架和模拟负载平台300之间的数量不少于6个的长度测量传感器组成。

所述滑轮213安装于转向架212上，转向架212安装于可沿立柱101上下移动的转向架托架211上。

本发明中，将干扰力叠加到一根绳索200上或分解后叠加到多根绳索200上，实现干扰力的模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用八索冗余并联机构，模拟零重力及低重力环境可具有较大的工作空间、高动态特性和较高的运动控制精度。

(2)以姿态反馈控制力输出模拟运动平台处于零重力及低重力环境，可在要求的运动空间的任意位姿处实现6自由度运动控制和实时矢量力输出。

(3)可通过索力解算和叠加，实现模拟具有随机性、规律不明显的外扰力引入。

附图说明

附图1为一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置示意图。

附图2为一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置安装有直接测量用的拉力传感器示意图。

附图3为绳索驱动单元结构示意图。

附图4为一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置控制系统设计框图。

附图图标说明：100-基础平台；101-立柱；200-绳索；201-安装基座；202-安装托架；203-滚筒；204-扭矩传感器；205-电机；211-转向架托架；212-转向架；213-滑轮；221-拉力传感器；300-模拟负载平台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明涉及一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置如图1所示，其具体实施方式如下：模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置由基础框架、绳索200、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台300、传感器和控制系统组成，其中，基础平台100上安装有四根立柱101，四根立柱101的顶部和底部各安装有一套绳索导向装置，绳索导向装置由转向架托架211、转向架212和滑轮213组成，共有八组；绳索驱动单元有八组，均是由安装基座201、安装托架202、滚筒203、电机205及相关的连接件组成；绳索200的一端连接在模拟负载平台300上，另一端绕过滑轮213后缠绕在绳索驱动单元的滚筒上，电机205接收控制系统的指定驱动滚筒203对绳索的长度进行伸长、缩短控制，且每个绳索驱动单元只驱动一根绳索；模拟装置内共有八根绳索200，其与模拟负载平台300的连接布局采用“上四下四”方案，以模拟负载平台300中心为参照点，连接在左上角位置的绳索200绕过基础框架左上角的绳索导向装置中的滑轮213后连接到相应的绳索驱动单元的滚筒203上，以此类推得到八索绳索与八索绳索导向装置的位置关系，整体布局呈空间对称特点；绳索驱动单元可以都安装在基础平台100上，也可以安装在四根立柱101或其他固定装置上，以安装方便且避免绳索之间的干涉为限定条件；传感器包括力测量传感器和长度测量传感器两类，力测量传感器的安装测量分直接测量和间接测量两种，直接测量是指拉力传感器221直接安装在绳索200与模拟负载平台300之间直接测得绳索200上拉力的大小，如图2所示，而间接测量是指传感器安装在索的运动路径中或驱动单元内(如安装在电机205和滚筒203之间的扭矩传感器204)间接测量得到绳索200上拉力的大小，如图3所示。这两种测量索上拉力的方法可以同时使用也可以单独使用，匹配控制系统的要求；长度测量传感器的最终目标是得到各个绳索200的长度和模拟负载平台300的位姿，长度测量传感器的测量方法有两种，一种是安装在每个索驱动关节内部(如电机205端面或者滚筒203端面)的旋转类长度测量传感器直接得到索的长度进而计算得到模拟负载平台的位姿，另一种是直接安装在基础框架和模拟负载平台之间的长度测量传感器测量长度且传感器的数量不少于6个，通过运动学正解算法得到模拟负载平台的位姿和每根索的长度，这两种长度测量传感器可以同时使用也可以单独使用，根据控制系统的控制算法选用；控制系统根据模拟装置的安装结构参数、力测量和长度测量结果，计算得到模拟负载平台300的位姿、各个绳索200的长度以及各个绳索200上的拉力，同时根据零重力或低重力环境的模拟要求，结合模拟负载平台300的运动状态(速度、加速度)，计算出模拟零重力或低重力环境下模拟负载平台300运动所需要每个绳索200施加到模拟负载平台300上的拉力和长度变化，并利用力和长度测量传感器结合绳索驱动单元内的电机205和滚筒203调整每根绳索200的拉力和长度，实现零重力或低重力环境的模拟。

如图4所示，控制系统控制算法的设计思想为，由所述长度测量传感器的数据直接测得每个绳索200的长度或者根据间接测量得到的至少6个长度数据通过正解解算得到模拟负载平台300的位姿参数和每个绳索200的长度，分析在零重力或低重力环境下模拟负载平台300处在该计算得到的位姿参数下所处的受力状态和运动状态(速度、加速度)，然后通过索张紧力优化分配算法计算为实现模拟负载平台300在零重力或低重力环境下的受力和下一步运动每根绳索200上应施加的拉力，得到拉力和绳索的长度变化指令，结合电机上的角度编码器等位置传感器以及装置安装的直接或间接力测量传感器实现伺服电机的驱动绳索的拉力和长度变化的闭环或半闭环控制，进而实现模拟负载平台300在零重力或低重力环境下运动。

本发明绳索驱动单元中，所用电机205为伺服电机，可以采用力矩模式控制或者位置模式下的力位混合控制，电机功率的大小根据传动系统设计进行选型，传动系统中可以引入行星齿轮等减速器的环节，降低对电机功率的要求；电机205的输出端或者滚筒的一侧端面可安装旋转式编码器等转角测量传感器，以测量出滚筒203的转动角度，进而得到绳索长度变化的参数；绳索驱动单元内部可设计安装扭矩传感器204，以间接得到绳索拉力，以及用于电机的控制。

本发明可以实现模拟负载平台300在零重力或低重力环境所受的干扰力，干扰力的施加方式有两种，第一种是在八根绳索中选定一根，直接通过绳索驱动单元对在该绳索上叠加干扰力，第二种施加方法是选用八根绳索中的多根或全部，将干扰力分解后叠加到各个选定的绳索上。

Claims (5)

1.一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，其特征在于，包括基础框架、绳索(200)、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台(300)、传感器和控制系统，绳索(200)共有八根，一端连接在绳索驱动单元上，另一端绕过绳索导向装置上连接在模拟负载平台(300)上，绳索(200)的伸长或缩短由电机驱动的绳索驱动单元按照控制系统的指令动作，控制系统根据传感器测得的绳索(200)的受力和位移数据对各个绳索(200)进行长度和力控制进而模拟出模拟负载平台(300)在零重力或低重力环境下的运动。

2.根据权利要求1所述模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，其特征在于，所述基础框架包括基础平台(100)和位于基础平台(100)上的四个立柱(101)，四个立柱(101)在水平面上的投影分别位于一个矩形一的四个顶点，在基础平台(100)上位于每根立柱(101)的底端附近均安装两套绳索驱动单元，绳索驱动单元包括电机(205)和连接电机(205)的滚筒(203)，在每根立柱(101)的顶端和底端位置均各安装一套绳索导向装置构成整体上的空间对称布局，绳索导向装置包括滑轮(213)，八根绳索(200)中，其中四根的一端分别连接在四个绳索驱动单元的滚筒(203)上，另一端分别绕过位于每根立柱(101)顶端的滑轮(213)后连接在模拟负载平台(300)的上表面，在上表面形成四个连接点且该四个连接点位于一个矩形二的四个顶点，另外四根的一端分别连接在另四个绳索驱动单元的滚筒(203)上，另一端分别绕过位于每根立柱(101)顶端的滑轮(213)后连接在模拟负载平台(300)的下表面，在下表面形成四个连接点且该四个连接点位于一个矩形三的四个顶点，从而使八根绳索(200)与模拟负载平台(300)的连接构成“上四下四”布局，其中矩形一和矩形二不相似。

3.根据权利要求2所述模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，其特征在于，所述传感器包括力测量传感器和长度测量传感器两类，其中力测量传感器由安装在每根绳索(200)与模拟负载平台(300)之间的拉力传感器(221)和/或安装在电机(205)与滚筒(203)之间的扭矩传感器(204)组成；所述长度测量传感器由安装在电机(205)端面或者滚筒(203)端面的旋转类长度测量传感器和/或安装在基础框架和模拟负载平台(300)之间的数量不少于6个的长度测量传感器组成。

4.根据权利要求2或3所述模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，其特征在于，所述滑轮(213)安装于转向架(212)上，转向架(212)安装于可沿立柱(101)上下移动的转向架托架(211)上。

5.根据权利要求1所述模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，其特征在于，将干扰力叠加到一根绳索(200)上或分解后叠加到多根绳索(200)上，实现干扰力的模拟。