CN108945537A - 基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，包括基础平台，在基础平台上设有一级随动平台；一级随动平台，包括平台基座、平台基座底部设置的主动跟随机构、以及平台基座顶部竖直设置的竖直向零重力卸载机构；所述竖直向零重力卸载机构顶部设有顶盘，顶盘上设有用于安装机械臂的二级气浮平台；二级气浮平台，包括气垫、以及气垫上设置的气浮组件。本发明创造解决了现有机械臂或空间机构零重力模拟仅能实现平面内二维模拟，同时附加质量较大的问题。本发明创造能够实现空间机械臂或空间机构的六自由度三维零重力模拟，同时可以极大地降低引入系统的附加质量，从而使装置能够满足地面试验需求。

Description

基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置

技术领域

本发明创造属于零重力模拟试验装置领域，尤其是涉及一种基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置。

背景技术

航天器零重力模拟仿真试验作为保证航天器性能及可靠性必不可少的试验环节，其作用非常重要。随着航天产业的快速发展，尤其是在轨服务与维护，深空探测等项目的推进，未来宇航任务中，空间机械臂及各类型机构是完成相关空间任务的关键设备，因实现其地面高精度的零重力模拟试验是航天器研制过程中的重中之重。

现有的机械臂或空间机构的零重力试验通常通过底部的平面支撑进行重力卸载，仅能实现平面内的零重力模拟，使用现有的装置实验时，装置只能在基础平台上做平面内二维运动，无法实现竖直方向以及三轴旋转的零重力模拟，因此机械臂仅能做二维平面内的零重力模拟，但太空中的零重力实际上是三维的，因此试验的真实性受到严重影响；而且现有装置在实际试验中面临着附加质量过大，地面干扰力矩偏大等诸多问题，严重影响整体试验精度；由于模拟装置整体与航天器固联，同时由于模拟装置自身质量较大，给本体引入了较大的附加质量，对航天器动力学造成了较大的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，包括：

基础平台，在基础平台上设有一级随动平台；

一级随动平台，包括平台基座、平台基座底部设置的主动跟随机构、以及平台基座顶部竖直设置的竖直向零重力卸载机构；所述竖直向零重力卸载机构顶部设有顶盘，顶盘上设有用于安装机械臂的二级气浮平台；

二级气浮平台，包括气垫、以及气垫上设置的气浮组件；所述气浮组件包括固定在气垫上的浮板，浮板上设有用于安装气浮球的气浮球窝；所述气浮球安装在气浮球窝内，气浮球顶部设有用于安装机械臂的转接工装。

进一步的，所述主动跟随机构包括平台基座底部安装的平面气垫、以及用于推动平台基座移动的驱动轮组件。

进一步的，所述平台基座上设有用于为气垫和平面气垫供气的气瓶。

进一步的，所述顶盘上设有用于设置气垫的凹槽，凹槽边缘设有用于测量气垫移动的检测控制机构。

进一步的，所述检测控制机构包括用于检测气垫移动的位移传感器、以及用于控制驱动轮组件工作的控制器。

相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：

本发明创造解决了现有机械臂或空间机构零重力模拟仅能实现平面内二维模拟，同时附加质量较大的问题。本发明创造能够实现空间机械臂或空间机构的六自由度三维零重力模拟，同时可以极大地降低引入系统的附加质量，从而使装置能够满足后续在轨服务等一系列全新宇航任务的地面试验需求。同时该装置还能够应用于地面机械设备的无应力装配，具有良好的三维适应能力。

附图说明

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

图1为本发明创造的结构示意图；

图2为本发明创造装载空间结构时的结构示意图；

图3为本发明创造装载机械臂时的结构示意图；

图4为本发明创造实施例所述的结构示意图。

附图标记说明：

1-基础平台；2-平台基座；3-竖直向零重力卸载机构；4-顶盘；5-气垫；6-浮板；7-气浮球窝；8-气浮球；9-转接工装；10-平面气垫；11-驱动轮组件；12-检测控制机构；13-气瓶；14-凹槽；15-机械臂。

具体实施方式

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

在本发明创造的描述中，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基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，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创造的限制。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。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，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创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

一种基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，如图1至图4所示，包括：

基础平台1，在基础平台1上设有一级随动平台；基础平台1可以是地面，也可以是花岗岩平台。

一级随动平台，包括平台基座2、平台基座2底部设置的主动跟随机构、以及平台基座顶部竖直设置的竖直向零重力卸载机构3；所述竖直向零重力卸载机构3顶部设有顶盘4，顶盘4上设有用于安装机械臂15的二级气浮平台；通过移动一级随动平台就可以实现对机械臂的移动，从而实现了空间机械臂或空间机构的一个自由度，即水平方向移动的零重力模拟。

二级气浮平台，包括气垫5、以及气垫5上设置的气浮组件；所述气浮组件包括固定在气垫5上的浮板6，浮板6上设有用于安装气浮球8的气浮球窝7；所述气浮球8安装在气浮球窝7内，气浮球8顶部设有用于安装机械臂的转接工装9，转接工装9可以采用常用的固定工装，例如夹具等，只要可以实现对机械臂或空间结构的固定即可。所述气垫5可以采用现有的气垫片、气浮垫或空气轴承，只要可以实现气垫的稳定悬浮即可。

所述竖直向零重力卸载机构3包括支架，支架底部通过平面气垫实现悬浮，从而通过采用现有气浮重力卸载的方式实现了二级气浮平台的重力卸载，由于二级气浮平台也可以通过气垫和浮板实现悬浮，同时又因为气膜悬浮对竖直方向的力传导不受影响，因此一级平台零重力卸载功能能够正常实现对二级气浮平台和机械臂的竖直方向的重力卸载，从而实现了对二级气浮平台上机械臂或空间结构的重力卸载。

所述主动跟随机构包括平台基座2底部安装的平面气垫10、以及用于推动平台基座移动的驱动轮组件11，所述驱动轮组件11包括安装在平台基座底部的驱动轮，所述驱动轮可以选用全向移动轮或麦克纳姆轮，也可采用其他推力器，例如推力风扇等，只要能实现推动平台基座移动即可。所述平台基座2上设有用于为气垫5和平面气垫10供气的气瓶13。所述平面气垫10可以采用现有的气垫片、气浮垫或空气轴承，只要可以实现平面气垫的稳定悬浮即可，通过气瓶13为平面气垫供气，就可以使平面气垫实现悬浮；

由于平面气垫与基础平台中间存在气膜，使得平面气垫与基础平台之间的摩擦力很小，当驱动轮组件11工作时，由于平台基座已经悬浮在基础平台上，所以此时驱动轮仅会与基础平台表面接触，驱动轮并不会承受平台基座的重量，不会起到承重作用，只会起到导向和推动平台基座移动的作用，这样当驱动轮工作时，由于驱动轮仅与基础平台轻微接触，所以驱动轮移动时并不会产生震动，通过驱动轮的推动作用，可以使悬浮起来的平台基座平稳的在基础平台上移动，这样通过驱动轮组件11就可实现对主动跟随机构的移动，从而使主动跟随机构随着机械臂移动，移动起来十分方便。

所述气浮球8滑动安装在气浮球窝7内，气浮球窝7上设有若干的排气孔，每一排气孔均通过导管与气瓶13连接，这样通过打开气瓶为气浮球窝供气，使排气口不断的向下排气形成气膜，就可以使气浮球实现悬浮，关闭气瓶就可以使气浮球停止悬浮；气浮球在悬浮状态时，气浮球转动时受到的摩擦力十分的小，这样气浮球窝就与气浮球组合成为完整的气浮球轴承，气浮球的实现形式有：半球式、多半球式以及整球式等，本领域技术人员可以根据实际需要的姿态适应角度选择不同的设计形式。这样当机械臂发生移动或转动时，就可以通过转接工装带动气浮球转动，通过气浮实现无摩擦的运动，从而实现三轴旋转的零重力模拟，同时气垫还可以在凹槽内水平和上下移动，所以二级气浮平台可以实现空间机械臂或空间机构的五个自由度的零重力模拟。

由于所述二级平台靠气垫5悬浮于一级平台顶盘上，气垫5与顶盘之间能够实现近乎无摩擦的相对运动，因此仅有质量较小的二级平台与机械臂或者空间机构直接连接，即引入系统的附加质量很小，对机械臂动力学影响也很小。同时气膜悬浮对竖直方向的力传导不受影响，因此一级平台竖直方向零重力卸载功能能够正常实现，因此整个系统能够实现六自由度三维的零重力模拟。

顶盘4上设有用于设置气垫的凹槽14，凹槽14边缘设有用于测量气垫移动的检测控制机构12，预先设置时可以先将气垫5设置在顶盘4的中心，这样在使用过程中不仅方便检测气垫的移动，能而且够使气垫始终保持在顶盘中心，有利于机械臂或空间结构稳定设置在二级气浮平台上。所述检测控制机构12包括用于检测气垫移动的位移传感器、以及用于控制驱动轮工作的控制器，所述位移传感器可以采用现有的位移传感器，如激光测距仪、超声波传感器等，只要可以实现对气垫位移的检测即可，控制器可以采用现有的单片机，当位移传感器检测到气垫位移后，就将信号传输给单片机，单片机就会控制驱动轮工作，从而使主动跟随机构跟随气垫移动，通过检测位移使单片控制驱动轮工作的程序为现有技术，在这里不在赘述。

在进行航天机械臂或空间机构地面零重力模拟仿真试验中，根据航天器实际需要配置相应的零重力模拟装置，试验形式主要有固定基座机械臂三维零重力模拟试验、空间机构三维零重力模拟试验、浮动基卫星与机械臂三维零重力模拟试验等。其主要区别在于卫星模拟器的形式不同，主要有模拟墙、三自由度卫星模拟器、五自由度卫星模拟器以及六自由度卫星模拟器等。整体具体使用步骤如下，第一步根据实际任务需要，在相应机构整体质心下方安装三维零重力模拟装置，并精调机构质心，保证质心位于模拟装置中心。第二部开启一级随动平台检测与随动机构，保证其随动功能正常。第三步为二级气浮平台上的气垫供气，检查确保其悬浮状态。第四步开展机械臂或空间机构零重力模拟仿真试验。由于可以通过重力卸载装置卸载竖直方向的重力，同时通过二级气浮平台的气浮球轴承旋转可以自适应空间结构的装配，因此在空间结构的装配过程中，不会引入其他的干扰力，从而实现了对空间结构的无应力装配。

本发明创造解决了现有机械臂或空间机构零重力模拟仅能实现平面内二维模拟，同时附加质量较大的问题。本发明创造能够实现空间机械臂或空间机构的六自由度三维零重力模拟，同时可以极大地降低引入系统的附加质量，从而使装置能够满足后续在轨服务等一系列全新宇航任务的地面试验需求。同时该装置还能够应用于地面机械设备的无应力装配，具有良好的三维适应能力。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，其特征在于，包括：

基础平台，在基础平台上设有一级随动平台；

一级随动平台，包括平台基座、平台基座底部设置的主动跟随机构、以及平台基座顶部竖直设置的竖直向零重力卸载机构；所述竖直向零重力卸载机构顶部设有顶盘，顶盘上设有用于安装机械臂的二级气浮平台；

二级气浮平台，包括气垫、以及气垫上设置的气浮组件；所述气浮组件包括固定在气垫上的浮板，浮板上设有用于安装气浮球的气浮球窝；所述气浮球安装在气浮球窝内，气浮球顶部设有用于安装机械臂的转接工装。

2.根据权利要求1所述的基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，其特征在于：所述主动跟随机构包括平台基座底部安装的平面气垫、以及用于推动平台基座移动的驱动轮组件。

3.根据权利要求2所述的基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，其特征在于：所述平台基座上设有用于为气垫和平面气垫供气的气瓶。

4.根据权利要求2所述的基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，其特征在于：所述顶盘上设有用于设置气垫的凹槽，凹槽边缘设有用于测量气垫移动的检测控制机构。

5.根据权利要求4所述的基于双级气浮的航天器三维零重力模拟装置，其特征在于：所述检测控制机构包括用于检测气垫移动的位移传感器、以及用于控制驱动轮组件工作的控制器。