CN108033039A - 一种可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，该装置是一种通过柔索连接待装配部件和驱动感知单元的可调姿态的索驱动机构，可用于模拟太空零重力或低重力等工况环境下的产品装配。其特征是由支撑框架、随动单元、柔索、驱动感知单元、恒拉力单元、线尺等组成。驱动单元由伺服电机、减速器和联轴器串联而成。随动单元是由恒拉力单元、驱动单元等组成，恒拉力单元提供恒定的拉力，用于完全或部分抵消装配部件的重力，模拟太空零重力或低重力环境；驱动单元用于驱动和控制随动单元的运动。驱动感知单元是由驱动单元和拉压力传感器等组成，用于装配部件对外力的感知和姿态调整。

Description

一种可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置

技术领域

本发明属于太空装配环境地面模拟技术领域，特别涉及一种可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，可用于模拟太空悬浮状态等工况。

背景技术

随着航天技术的不断发展，人们对太空探索的也越来越多，开发太空资源或未知物质对一个国家而言，有着重要的战略意义和经济利益，因此，前苏联、美国和中国等国家相继在太空建立空间站，用于太空探索或进行空间实验。然而，随着探索太空的不断深入，需要的探索工具也越来越复杂，某些设备的体积或规模也越来越大。如果在地面完成装配再运到空间站或太空，这样不但容易损害产品，也会大大增加火箭的运输难度和成本，甚至不能发射运输。为此，将产品的部件分批运输到空间站或太空，然后再装配成产品是未来空间产品发展的趋势，这样不但可以大大降低火箭的运输难度和成本，同时，也提高了运输的安全性。因此，在地面模拟太空装配的环境，从而研究悬浮状态下空间装配技术是一项亟待解决的关键技术。

在地面进行太空环境下的装配验证，一般需要提供零重力或低重力空间环境。因此，针对太空低重力或零重力装配环境的需求，迫切需要提出一种用于模拟悬浮状态下太空装配的实验装置，且在该悬浮状态下，装配部件姿态可以任意调整。

研究太空装配装置，还可以促进太空维修技术的发展，该技术可以大大提高太空产品的使用寿命，降低产品的生产成本。

现有的零重力或低重力模拟装置，存在如下不足：

(1)不能实现对装配部件所受外力进行实时感知；

(2)不能对装配部件的姿态进行任意调整。

发明内容

为满足太空装配技术发展的需求和克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，在地面上，可以模拟空间产品在零重力或低重力条件下的装配，研究其太空装配技术。利用该机构模拟产品在悬浮状态下装配时，该机构可以实时感知装配部件所受的外力，并可以根据需求实时调整装配部件的姿态，是一种用于模拟空间产品装配的索驱动装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，包括：

支撑框架4，提供结构支撑；

线尺2，连接装配部件3，实时测量并反馈其位姿，以便于装配部件3的姿态调整；

恒拉力单元6，从上部连接装配部件3，提供恒定的拉力，主要用于完全或部分抵消装配部件3的重力使其达到平衡，以模拟零重力或低重力环境；

随动单元5，位于支撑框架4顶部，恒拉力单元6安装在随动单元5上，并在随动单元5上做x或y向平移，以保证恒拉力单元6的吊索始终穿过装配部件3的质心；

驱动感知单元9，有多个，通过滑轮与柔索8连接装配部件3，根据线尺2反馈的信息以及装配部件3所受外力，实时驱动装配部件3姿态的调整。

所述支撑框架4为立方体框架，下方有用于其调平和高度调整的底座1。

所述线尺2布置在支撑框架4底部，沿装配部件3中轴线对称设置。

所述恒拉力单元6包括支撑底座19，支撑底座19上有滑动导轨17，滑动导轨17上有滑动底座23和螺杆16，弹簧装置22的一端通过与滑动导轨17垂直的转轴连接在滑动底座23上，另一端通过绳索经过定滑轮21(c)与支撑摇杆20上的固定销钉相连，摇柄24和螺杆16配合实现滑动底座23在滑动导轨17上的滑动，驱动单元18是恒拉力单元6的驱动部分，通过柔索为装配部件3提供恒定的拉力，并可以大行程驱动装配部件3运动，支撑摇杆20可以通过摆动改变自身与支撑底座19的水平夹角，进而改变定滑轮21a的高度，以保证装配部件3和弹簧装置22的系统势能保持不变。定滑轮21a和21b是相同的定滑轮，是为了保证绳索与支撑摇杆20平行。

所述随动单元5包括x向的滑动导轨a10和y向的滑动导轨b13，与滑动导轨b13并行设置有y向的齿条14，滑动导轨a10在滑动导轨b13上滑动，恒拉力单元6安装在滑动导轨a10上，驱动单元a11带动恒拉力单元6沿滑动导轨a10滑动，驱动单元b12带动滑动导轨a10和恒拉力单元6沿滑动导轨b13滑动，最终使得恒拉力单元6的出索竖直穿过装配部件3的质心方向，为其提供恒定的拉力，抵消重力使其处于悬浮状态，模拟零重力状态。

多个驱动感知单元9分别通过柔索8从装配部件3的上部和下部与其连接。

所述驱动感知单元9包括底座k25，在底座k25上设置驱动单元k26，驱动单元k26的输出端与滚筒29连接，柔索8绕在滚筒29上，出索通过力感知单元28后再经过出索定滑轮27与装配部件3连接。

所述力感知单元28为拉压力传感器，所述滚筒29的出索经导向轮32始终以相同的方向穿过压力传感器下的定滑轮，再绕至位于压力传感器上方的所述出索定滑轮27。

所述驱动单元18、驱动单元a11、驱动单元b12以及驱动单元k26的结构相同，均由伺服电机35、减速箱33和联轴器34串联而成。

所述装配部件3与线尺2相连，并通过建立装配部件的运动学方程，来实时解算部件的空间位姿；通过驱动感知单元9对其装配姿态进行调整。

本发明的效果是：在地面模拟太空产品在悬浮状态(零重力或低重力环境)下的装配，其装配的部件姿态可以任意调整。本发明的优点在于：

(1)通过利用恒拉力装置提供的恒定拉力来抵消装配部件的部分或全部重力，可以在地面研究产品的太空装配技术和维修技术，这对促进空间产品的发展和延长产品生命周期有着重要的意义。

(2)利用拉压力传感器，并结合索力优化方法，可实现对装配部件所受外力的实时感知，进而可以配合人或机器人对产品进行装配，因此，该装置属于一种人机协作的装置。

(3)利用索驱动装置，实现对装配部件姿态的任意调整，使装配部件在最佳的位姿处进行装配。

附图说明

图1为本发明可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置整体结构示意图。

图2为本发明随动单元示意图。

图3为本发明恒拉力单元示意图。

图4为本发明驱动感知单元示意图。

图5为本发明滚筒及力感知单元放大图。

图6为本发明驱动单元示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见，本发明所描述的实施例附图仅是本发明中的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明实施例，本领域内的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明进行进一步的详细说明，如图1所示，为本发明可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置的整体结构图，该机构主要包括底座1，线尺2，装配部件3，支撑框架4，随动单元5，恒拉力单元6，拉力传感器7，柔索8，驱动感知单元9等。其中：

底座1，主要用于支撑框架4的调平和高度调整；

支撑框架4，为立方体框架，提供结构支撑；

线尺2，布置在支撑框架4底部，沿装配部件3中轴线对称设置，连接装配部件3，主要用于装配部件3位姿的实时测量与反馈，以便于对装配部件3姿态的调整；

恒拉力单元6，从上部连接装配部件3，提供恒定的拉力，主要用于完全或部分抵消装配部件3的重力，使其重力平衡，模拟太空的零重力或低重力环境；

随动单元5，位于支撑框架4顶部，恒拉力单元6安装在随动单元5上，并在随动单元5上做x或y向平移，保证恒拉力单6的吊索始终穿过装配部件3的质心；

驱动感知单元9，通过滑轮与柔索8从装配部件3的上部和下部与其连接，根据线尺2反馈的信息以及装配部件3所受外力，驱动装配部件3姿态的调整，共有6组。

如图2所示，随动单元5包括x向的滑动导轨a10和y向的滑动导轨b13，与滑动导轨b13并行还设置有y向的齿条14，滑动导轨a10在滑动导轨b13上滑动，恒拉力单元6安装在滑动导轨a10上，在驱动单元a11的控制下，可带动恒拉力单元6沿滑动导轨a10滑动，在驱动单元b12以及齿条14的控制下，可带动滑动导轨a10和恒拉力单元6沿滑动导轨b13滑动，最终使得恒拉力单元6的吊索竖直穿过装配部件3的质心方向，为其提供恒定的拉力，抵消重力使其处于悬浮状态，模拟零重力状态。

如图3所示，恒拉力单元6包括支撑底座19，支撑底座19上有滑动导轨17，滑动导轨17上有滑动底座23和螺杆16，弹簧装置22的一端通过与滑动导轨17垂直的转轴连接在滑动底座23上，另一端通过绳索经过定滑轮21c与支撑摇杆20上的固定销钉相连，摇柄24和螺杆16配合，通过摇动摇柄24，可以使滑动底座23在滑动导轨17上滑动，以改变弹簧装置22与支撑底座19的水平夹角，进而可以改变恒拉力单元6提供恒拉力的大小；驱动单元18是恒拉力单元6的驱动部分，通过柔索为装配部件3提供恒定的拉力，并可以大行程驱动装配部件3运动；支撑摇杆20可以通过摆动改变自身与支撑底座19的水平夹角，进而改变定滑轮21a的高度，以保证装配部件3和弹簧装置22的系统势能保持不变；定滑轮21a和21b是相同的定滑轮，是为了保证绳索与支撑摇杆20平行。定滑轮机构21主要用于引导吊索。

如图4所示，驱动感知单元9包括底座k25，在底座k25上设置驱动单元k26，驱动单元k26的输出端与滚筒29连接，柔索8绕在滚筒29上，出索通过力感知单元28后再经过出索定滑轮27与装配部件3连接。驱动单元k26主要根据线尺2反馈的位置信息和力感知单元28反馈的索力，对装配部件3姿态进行实时调整与控制；出索定滑轮27主要用于保证驱动感知单元9拥有一个固定出索点，以保证装配部件3姿态调整的精度；力感知单元28主要用于对索力的实时感知，并通过解算对装配部件3所受外力进行感知；滚筒29主要用于辅助驱动单元k26对装配部件3位姿控制的解算。

如图5所示，滚筒29及力感知单元28的放大视图，力感知单元28为拉压力传感器，出索定滑轮27在其上部，其下部有另一定滑轮，滚筒29的出索经导向轮32始终以相同的方向穿过该下部的定滑轮，再绕至上方的出索定滑轮27，由此，拉压力传感器可实现测量索力。

如图6所示，本发明的各个驱动单元结构相同，均包括减速箱33、联轴器34以及驱动电机35。驱动单元主要用于为各单元提供动力，进而实现模拟悬浮状态下装配部件可调姿的空间装配环境。

本发明通过柔索8驱动，并使其具有力感知和姿态自适应调整功能。装配部件3通过柔索8，经拉压力传感器与驱动感知单元9的滚筒29相连，驱动感知单元9可以实时感知柔索的驱动力，并能够以此为基础对装配部件3所受外界力进行感知，配合人或机器人对产品进行装配。

装配部件3与线尺相连，并通过建立装配部件的运动学方程，来实时解算部件的空间位姿；通过驱动感知单元9对其装配姿态进行调整。该功能可以根据装配需求对装配部件3的姿态进行实时调整，以满足装配需要或提高装配效率和质量。

综上，本发明可用于模拟产品在太空悬浮状态下的装配。

Claims (10)

1.一种可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，包括：

支撑框架(4)，提供结构支撑；

线尺(2)，连接装配部件(3)，实时测量并反馈其位姿，以便于装配部件(3)的姿态调整；

恒拉力单元(6)，从上部连接装配部件(3)，提供恒定的拉力，主要用于完全或部分抵消装配部件(3)的重力使其达到平衡，以模拟零重力或低重力环境；

随动单元(5)，位于支撑框架(4)顶部，恒拉力单元(6)安装在随动单元(5)上，并在随动单元(5)上做x或y向平移，以保证恒拉力单元(6)的吊索始终穿过装配部件(3)的质心；

驱动感知单元(9)，有多个，通过滑轮与柔索(8)连接装配部件(3)，根据线尺(2)反馈的位置信息以及装配部件(3)所受外力，实时驱动装配部件(3)姿态的调整。

2.根据权利要求1所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述支撑框架(4)为立方体框架，下方有用于其调平和高度调整的底座(1)。

3.根据权利要求1所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述线尺(2)布置在支撑框架(4)底部，沿装配部件(3)中轴线对称设置。

4.根据权利要求1所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述恒拉力单元(6)包括支撑底座(19)，支撑底座(19)上有滑动导轨(17)，滑动导轨(17)上有滑动底座(23)和螺杆(16)，弹簧装置(22)的一端通过与滑动导轨(17)垂直的转轴连接在滑动底座(23)上，另一端通过绳索经过定滑轮c(21)与支撑摇杆(20)上的固定销钉相连，，摇柄(24)和螺杆(16)配合实现滑动底座(23)在滑动导轨(17)上的滑动，驱动单元(18)是恒拉力单元(6)的驱动部分，通过柔索为装配部件(3)提供恒定的拉力，并能够大行程驱动装配部件(3)运动，支撑摇杆(20)通过摆动改变自身与支撑底座(19)的水平夹角，进而改变定滑轮a(21)的高度，以保证装配部件(3)和弹簧装置(22)的系统势能保持不变。定滑轮a(21)和b(21)是相同的定滑轮，是为了保证绳索与支撑摇杆(20)平行。

5.根据权利要求1所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述随动单元(5)包括x向的滑动导轨a(10)和y向的滑动导轨b(13)，与滑动导轨b(13)并行设置有y向的齿条(14)，滑动导轨a(10)在滑动导轨b(13)上滑动，恒拉力单元(6)安装在滑动导轨a(10)上，驱动单元a(11)带动恒拉力单元(6)沿滑动导轨a(10)滑动，驱动单元b(12)带动滑动导轨a(10)和恒拉力单元(6)沿滑动导轨b(13)滑动，最终使得恒拉力单元(6)的出索竖直穿过装配部件(3)的质心方向，为其提供恒定的拉力，抵消重力使其处于悬浮状态，模拟零重力状态。

6.根据权利要求1所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，多个驱动感知单元(9)分别通过柔索(8)从装配部件(3)的上部和下部与其连接。

7.根据权利要求1或6所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述驱动感知单元(9)包括底座k(25)，在底座k(25)上设置驱动单元k(26)，驱动单元k(26)的输出端与滚筒(29)连接，柔索(8)绕在滚筒(29)上，出索通过力感知单元(28)后再经过出索定滑轮(27)与装配部件(3)连接。

8.根据权利要求7所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述力感知单元(28)为拉压力传感器，所述滚筒(29)的出索经导向轮(32)始终以相同的方向穿过压力传感器下的定滑轮，再绕至位于压力传感器上方的所述出索定滑轮(27)。

9.根据权利要求4或5或7所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述驱动单元(18)、驱动单元a(11)、驱动单元b(12)以及驱动单元k(26)的结构相同，均由伺服电机(35)、减速箱(33)和联轴器(34)串联而成。

10.根据权利要求1所述可调姿态的索驱动太空悬浮装配状态模拟装置，其特征在于，所述装配部件(3)与线尺(2)相连，并通过建立装配部件的运动学方程，来实时解算部件的空间位姿；通过驱动感知单元(9)对其装配姿态进行调整。