CN110164229B - 一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，水平面作业训练装置利用径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承消除航天员推拉物体时的摩擦力矩并且平衡物体及训练装置的重量，实现对航天员进行水平方向针对不同重量物体的推拉训练，也可以实现双人搬运物体的协同训练；竖直面作业训练装置通过径向磁悬浮轴承使得重物及训练装置处于悬浮状态，实现单人或双人协同抬放不同重量物体的训练，感受太空微重力环境的效果。采用角度传感器，力传感器，速度传感器实时采集航天员的运动信息，便于之后对此装置模拟下的微重力环境下运动效果进行整理分析。本发明结构简单，成本低廉，操作方便，可以高效的实现对航天员微重力环境的训练。

Description

一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置

技术领域

本发明涉及一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，属于地面模拟仿真领域。

背景技术

我国的航天事业也在飞速的发展，与此同时航天员的空间操作任务将会更多，这就要求有更好的技术支持来提供航天员进行操作训练，使得航天员能够适应之后的太空环境。航天员在太空失重环境下虽然感受不到物体的重力，但是受轨道力学影响物体仍然具有质量和重心，惯性力依然存在，在太空中大物体的运动特性和力学特性与在地球重力环境中有很大不同。例如，在太空中航天员可以很轻松的将重物其举起，但是不容易抓住它，因为力等于质量乘以加速度的定律依然存在，质量大的物体产生的力大到将手套撕毁，用力过猛，更容易导致航天员用力过猛，肌肉拉伤或肌肉高度紧张，故在之前要对航天员经过严格的训练，养成一定的思维判断习惯，这就需要构建一种可充分模拟太空失重环境下中不同质量、形状物体的运动状态及与航天员之间的作用力训练平台，用于培训航天员在空间中的在轨操作及在轨服务。已有的仿真系统只是地面微重力环境模拟，包括悬吊法、中性浮力水池、气悬浮、落塔、失重飞机等。然而并没有针对在太空中搬运不同形状不同质量的物体的模拟，且也均无法实现高水平、长时间的运动模拟。悬吊法可以在单个自由度方向上保持微重力，但是微重力模拟精度不高，占用空间大，绳索运动时所受摩擦力大，严重影响试验精度；中性浮力模拟在水槽中，航天员还是受到重力作用的，这与太空中的失重环境有差别，比如在水槽中，由于水对航天员的阻力，使得航天员在微小的扰动下仍能保持稳定，但在太空中，却并非这样，小的扰动有可能引起很大的问题，如航天员的漂移以及身体的不稳定；气悬浮法只能实现平面微重力实验，对于物体三维空间复杂运动测试显得无能为力；落塔和失重飞机可以模拟空间微重力效应，但是无法保持长时间的微重力水平。另外，航天员在轨操作需要空间任务环境的模拟，已有方法包括在中性浮力水池中布置类似于国际空间站的缩比模型，采用这种方法的成本比较高。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置。

本发明的目的是这样实现的：包括支座、设置在支座上的水平面作业训练部分和竖直面作业训练部分，水平面作业训练部分包括设置在支座上的回转轴、与回转轴垂直设置的推拉横轴、设置在回转轴与推拉横轴连接处的连接块、设置在回转轴上端部的角度传感器一、设置在连接块上下两端的上下轴承座、设置在回转轴下段上的推力盘、设置在推拉横轴两端的滑块、安装在每个滑块上的水平负载托盘、设置在水平负载托盘上的水平模拟负载、设置在每个滑块下端的力传感器一、设置在力传感器一下端的操纵把手一，在轴承座与回转轴之间设置有一对径向磁悬浮轴承和一对轴向磁悬浮轴承；

竖直面作业训练部分包括设置在支座上的安装架、设置在安装架上的固定轴、设置在固定轴上的磁悬浮轴承、设置在磁悬浮轴承外的滑轮、设置在滑轮上的钢丝绳、分别设置在钢丝绳两端的横杆、设置在两个横杆上的竖直负载托盘、设置在每个竖直负载托盘上的竖直模拟负载、分别设置在两个竖直负载托盘下端的两个力传感器二、设置在每个力传感器下端的操纵把手二，滑轮上安装有角度传感器二。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.两个径向磁悬浮轴承分别设置在上轴承座内和下轴承座内，两个轴向磁悬浮轴承设置在推力盘的两端的下轴承座内。

2.推拉横轴上设置有固定滑块位置的锁紧螺母。

3.推拉横轴上设置有固定滑块位置的锁紧螺母。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用磁悬浮轴承提供一种新型航天员微重力环境模拟装置，此装置训练成本低，操作简单稳定，并且可以有效的针对搬运不同形状，不同大小的物体进行微重力环境的模拟。本发明公开了一种航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，包括水平面作业训练装置和竖直面作业训练装置。水平面作业训练装置利用径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承消除航天员推拉物体时的摩擦力矩并且平衡物体及训练装置的重量，实现对航天员进行水平方向针对不同重量物体的推拉训练，也可以实现双人搬运物体的协同训练；竖直面作业训练装置通过径向磁悬浮轴承使得重物及训练装置处于悬浮状态，实现单人或双人协同抬放不同重量物体的训练，感受太空微重力环境的效果。采用角度传感器，力传感器，速度传感器实时采集航天员的运动信息，便于之后对此装置模拟下的微重力环境下运动效果进行整理分析。本发明结构简单，成本低廉，操作方便，可以高效的实现对航天员微重力环境的训练。

本发明的水平面作业训练装置和竖直面作业训练装置分别左右对称，都可以进行航天员的训练使用，当航天员用一侧进行训练时，另一侧作为配重机构。水平面作业训练装置和竖直面作业训练装置可以单人训练，也可以双人做协同训练。也可以最多四人分别在两端进行协同推拉，托放物体的训练。

附图说明

图1是水平面作业训练装置原理图正视图；

图2是水平面作业训练装置原理图仰视图；

图3是竖直面作业训练装置原理图正视图；

图4是水平面作业训练装置整体结构示意图；

图5是水平面作业训练装置下方磁悬浮轴承结构示意图；

图6是竖直面作业训练装置整体结构示意图；

图中件号说明：

1.水平负载托盘、2.水平模拟负载、3.径向磁悬浮轴承、4.角度传感器一、5.推拉横轴、6.连接块、7.径向磁悬浮轴承、8.轴向磁悬浮轴承、9.回转轴、10.推力盘、11.操纵把手一、12.力传感器一、13.滑块、14.轴承座、15.轴承端盖、17.锁紧螺母、18.钢丝绳、19.竖直负载托盘、20.操纵把手二、21.支座、22.力传感器二、23.竖直模拟负载、24、加速度计、25.横杆、26.角度传感器二、27.滑轮、28.固定轴、29.径向磁悬浮轴承。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提到的一种新型航天员微重力环境模拟装置分为水平方向训练和竖直方向训练两个部分。水平面作业训练装置所所采用的技术方案是：如图1(水平面作业训练装置原理图-主视图)和图2(水平面作业训练装置原理图-仰视图)所示，其特征结构上左右对称，都可以进行航天员的训练使用，当航天员用一侧进行训练时，另一侧作为配重机构，水平面作业训练装置可以单人训练，也可以双人协同训练，包括水平负载托盘1、水平模拟负载2、推拉横轴5、操纵把手一11、力传感器一12、角度传感器一4、回转机构，回转机构包括回转轴9，回转轴9与推拉横轴5刚性连接，一起在航天员作用力的操纵下绕回转中心转动，上下两端安装径向磁悬浮轴承3、7，使得其可以作近似无阻力的旋转，底部安装有轴向磁悬浮轴承8，磁悬浮轴承装在轴承座14上，轴承座14上的轴承端盖安装在支座上，连接块6连接上下轴承座，从而使轴承座与支座相连。回转轴9下方与推力盘10刚性连接，轴向磁悬浮轴承8的浮力推动推力盘10，从而使回转轴及所连训练装置处于悬浮状态；上部轴端安装有角度传感器一4，测量旋转角度，进而得角速度及角度；推拉横轴5两端安装有滑块13；水平模拟负载2安装在滑块13上；滑块13底端安装力传感器一12，用来测量航天员的操纵力；操纵把手一11安装在力传感器底端。

上部轴端安装有角度传感器一4，测量旋转角度θ₁、角速度ω₁和角加速度ε₁，相当于测量整个训练装置的旋转角度θ₁、角速度ω₁和角加速度ε₁。水平负载托盘1安装在推拉横轴5两端，上面放水平模拟负载2，可以根据实际训练内容调整水平模拟负载2的质量m₁，其左右两端负载质量相等，以便保证整个训练装置的平衡，左右两端滑块距离回转中心O的距离均为R(回转半径)，滑块13可以左右滑动，通过锁紧螺母进行固定，所以R的长度也可以根据实际训练内容进行调节。当R足够长的时候，可以认为一定角度的旋转为直线位移，极限角度为正负80度，即有160度的行程角度。水平模拟负载2安装在滑块13上；滑块13底端安装力传感器一12，用来测量航天员的操纵力；操纵把手一11安装在力传感器底端。

竖直面作业训练装置所采用的技术方案是：如图3(竖直面作业训练装置原理图)所示，其特征上也采用左右对称的结构，左右两端都可以进行航天员的训练使用，当航天员用一侧进行训练时，另一侧作为配重机构，可以单人或双人协同训练，也可以最多四人分别在两端进行协同托放物体的训练。竖直面作业训练装置其特征包括滑轮27、径向磁悬浮轴承29、钢丝绳18、竖直模拟负载23、竖直负载托盘19、操纵把手二20、力传感器二22、角度传感器二26、加速度计24。滑轮27内安装有径向磁悬浮轴承29，滑轮27与径向磁悬浮轴承29安装在一起，一起转动，由于径向磁悬浮轴承29无机械摩擦，故滑轮27及钢丝绳18与所连负载处于悬浮状态，无摩擦力矩作用；磁悬浮轴承29悬浮在固定轴28上，固定轴28与支架相连，固定不动；滑轮27侧面上安装角度传感器二26用来测量旋转角度和钢丝绳18位移；钢丝绳挂在滑轮27上，钢丝绳18左右两端通过横杆25吊着竖直负载托盘19，初始时左右两端留有的钢丝绳余量相等；竖直负载托盘19上装置竖直模拟负载23；竖直负载托盘侧壁安装有加速度计24，精确测量航天员竖直方向操纵负载上升、下降时的速度和位移；负载托盘底端安装有力传感器二22用来测量航天员的操纵力；而力传感器底端安装操纵把手二20其上部安装操纵把手二20及力传感器二22测量航天员的操纵力。

水平面作业训练装置的作用原理，如附图2所示，当航天员推拉负载时，作用力为F_t1，使水平面作业训练装置装置绕回转轴9旋转角度θ₁，模拟负载即会产生沿圆周切线方向的速度ν₁和加速度a₁，力传感器一12可以测得航天员对把手施加的力F_t1，角度传感器一4测量出旋转角度θ₁，从而得出角速度ω₁和角加速度ε₁，根据航天员推拉训练装置的力平衡条件，列方程如下：

M＝F_t1R＝2m₁Rε₁+Jε₁+M₁+M₂+Bω₁＝m_xa₁

式中，M是微重力模拟训练装置总阻力矩，F_t1是航天员对把手的推力，R是回转半径，m₁是负载质量，ε₁是角加速度，J是除负载之外其余部分的转动惯量，M₁是上下轴承与回转轴9的摩擦力矩，M₂是竖直方向压力产生的摩擦力矩，B是空气阻力系数，ω₁是训练装置旋转角速度，m_x是模拟的等效的做直线运动的负载质量，a₁为等效负载做直线运动的加速度。由于磁悬浮轴承不存在机械接触，故通过径向磁悬浮轴承3(7)可以有效消除训练装置转动时的摩擦力矩，故M₁＝0，由于底部的轴向磁悬浮轴承8平衡负载及训练装置的重量，进而使整个训练装置在水平面圆周上的运动近似于微重力环境下的悬浮状态，航天员通过操纵把手推拉训练装置改变其运动状态，实现在地面上模拟微重力环境下水平面搬运物体的训练，故其竖直方向压力为0，即M₂＝0，当回转半径达到一定值，回转角度不超过一定值的情况下，角加速度ε₁和切向加速度a₁可以认为是相等的，如果忽略空气阻力，可以得出水平面训练所给的模拟负载质量与等效负载质量的关系式为：

所以航天员推拉模拟负载等效于在太空失重环境下推拉二倍m₁重量的模拟负载和训练装置惯量与回转半径之比的和。根据关系式，训练时可根据需要，进行模拟负载的装载。

对于竖直面作业训练装置的作用原理，如附图3所示，航天员的操纵力为F_t2，

在力F_t2的作用下，钢丝绳与负载的速度为v₂，加速度为a₂，可列力平衡方程如下：

式中，F_t2是航天员作用力，m₂是负载质量，B为空气阻力系数，v₂是绳索及负载速度，F_f为导向轮与轴承摩擦力，m_y是等效负载的质量，a₂为竖直方向的加速度，J₂是导向轮的转动惯量，r是导线轮半径，m_z是其余不加负载时训练装置的质量。由于磁悬浮轴承不存在机械接触，故通过径向磁悬浮轴承29可以有效消除竖直面作业训练装置转动时的摩擦力，忽略空气阻力影响，可以得到竖直面训练所给的模拟负载质量与等效负载质量的关系式如下：

m_y＝2m₂+J₂/R+m_z

所以航天员托放模拟负载等效于在太空失重环境下抬起和放下上式三项之和，根训练时可根据需要，进行模拟负载的装载。

本发明的水平面作业训练装置，在结构特征上包括水平负载托盘1、水平模拟负载2、推拉横轴5、操纵把手一11、力传感器一12、角度传感器一4、回转机构，回转机构包括回转轴9，回转轴9与推拉横轴5刚性连接，上下两端安装了径向磁悬浮轴承、7，底部安装有轴向磁悬浮轴承8，装在轴承座14上，轴承座固定在支座上，连接块6连接上下轴承座，从而使轴承座与支座相连。上部轴端安装角度传感器一4，滑块13安装在推拉横轴5两端，上端安装水平负载托盘1，水平负载托盘1上放水平模拟负载2，其底部安装操纵把手一11。

航天员在进行水平训练时，首先根据航天员训练需求调整滑块，从而调整回转半径距离，保证两端回转半径相等，再根据训练需要在负载托盘上安放左右两端相等重量的模拟负载。

接着给力传感器，角度传感器及磁悬浮轴承通电。

航天员手握操纵把手，推拉负载，做水平微重力环境训练，产生转角θ₁，随后航天员施加拉力，使训练装置减速后反向转动，在角度极限范围内可反复训练。

力传感器及角度传感器测量力数据及角度数据并记录，以便之后的分析处理。

航天员水平面训练结束后，卸下负载，并断电。

本发明的竖直面作业训练装置，其结构特征包括滑轮27、径向磁悬浮轴承29、钢丝绳18、竖直模拟负载23、竖直负载托盘19、操纵把手二20、力传感器二22、角度传感器二26、加速度计24。滑轮27内安装有径向磁悬浮轴承29，滑轮27侧面安装有角度传感器二26，用来测滑轮转角；磁悬浮轴承29悬浮在固定轴28上，固定轴28与支架相连，固定不动；钢丝绳挂在滑轮27上；钢丝绳18左右两端通过横杆25吊着竖直负载托盘19；竖直负载托盘19上装置竖直模拟负载23；负载托盘侧壁安装有加速度计24，精确测量航天员竖直方向操纵负载上升、下降时的速度和位移；负载托盘底端安装有力传感器二22用来测量航天员的操纵力；而力传感器底端安装操纵把手二20。

航天员在进行竖直方向训练时，首先根据保证钢丝绳长度相等，再根据训练需要在负载托盘上安放左右两端相等重量的模拟负载。

给力传感器、角度传感器、速度传感器及磁悬浮轴承通电。

航天员手握操纵把手，托放负载，做竖直方向微重力环境训练，产生位移，在极限范围内反复托放，达到训练的目的。

力传感器及角度传感器测量力数据，速度传感器精确测量航天员竖直方向操纵负载上升、下降时的速度和位移，以便之后的分析处理。

航天员竖直面训练结束后，卸下负载，并断电。

本发明的回转机构包括回转轴9，径向磁悬浮轴承3、7，轴向磁悬浮轴承8等，由于磁悬浮轴承不存在机械接触，故通过径向磁悬浮轴承3、7可以有效消除训练装置转动时的摩擦力矩，通过底部的轴向磁悬浮轴承8平衡负载及训练装置的重量，使得水平训练装置的机械摩擦力接近于零，只保留了惯性负载，进而使整个训练装置在水平面圆周上的运动近似于微重力环境下的悬浮状态，航天员通过操纵把手推拉训练装置改变其运动状态，实现在地面上模拟微重力环境下水平面搬运物体的训练。

滑轮27内部安装有径向磁悬浮轴承29，使滑轮27及挂在滑轮27上悬挂负载和其他装置的钢丝绳18悬浮在支撑轴上，且消除了摩擦力矩的影响。钢丝绳两端的结构和重量相同，绳索受到的重力合力为零，只保留了物体上下运动的惯性力，实现航天员在地面上模拟微重力环境下竖直方向搬运物体的训练。

滑块13可以在推拉横轴上左右滑动，通过锁紧螺母17进行定位固定，从而改变负载的旋转半径，航天员对操纵把手一11的推力或拉力方向平行于训练装置做旋转运动的切向方向，当半径大于或等于一定值，旋转角度小于或等于一定值时，可以认为其做直线平移运动，即可以认为航天员对物体在太空中做直线平移的推拉运动。

所述的水平面作业训练装置，根据其力平衡条件，忽略空气阻力和磁悬浮轴承所消除的摩擦力，航天员推动m₁质量的模拟负载，相当于微重力环境下推动真实负载的质量关系可表示为m_x＝2m₁+J₁/R，式中，m_x是航天员进行水平面作业训练等效模拟的负载质量，m₁是所放模拟负载质量，J是不加负载时训练装置的转动惯量。

所述的竖直面作业训练装置，根据其力平衡条件，忽略空气阻力、训练装置惯性力及磁悬浮轴承所消除的摩擦力，航天员在进行竖直面训练抬起m₂的负载与实际在微重力环境下抬起的等效负载质量关系可表示为m_y＝2m₂+J₂/r+m_z，式中，m_y是航天员进行竖直面作业训练等效模拟的负载质量，m₂是所放的模拟负载质量，J₂是导向轮的转动惯量，r是导线轮半径，m_z是其余不加负载时训练装置的质量。

Claims (5)

1.一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，其特征在于：包括支座、设置在支座上的水平面作业训练部分和竖直面作业训练部分，水平面作业训练部分包括设置在支座上的回转轴、与回转轴垂直设置的推拉横轴、设置在回转轴与推拉横轴连接处的连接块、设置在回转轴上端部的角度传感器一、设置在连接块上下两端的上下轴承座、设置在回转轴下段上的推力盘、设置在推拉横轴两端的滑块、安装在每个滑块上的水平负载托盘、设置在水平负载托盘上的水平模拟负载、设置在每个滑块下端的力传感器一、设置在力传感器一下端的操纵把手一，在轴承座与回转轴之间设置有一对径向磁悬浮轴承和一对轴向磁悬浮轴承；

竖直面作业训练部分包括设置在支座上的安装架、设置在安装架上的固定轴、设置在固定轴上的磁悬浮轴承、设置在磁悬浮轴承外的滑轮、设置在滑轮上的钢丝绳、分别设置在钢丝绳两端的横杆、设置在两个横杆上的竖直负载托盘、设置在每个竖直负载托盘上的竖直模拟负载、分别设置在两个竖直负载托盘下端的两个力传感器二、设置在每个力传感器下端的操纵把手二，滑轮上安装有角度传感器二。

2.根据权利要求1所述的一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，其特征在于：两个径向磁悬浮轴承分别设置在上轴承座内和下轴承座内，两个轴向磁悬浮轴承设置在推力盘的两端的下轴承座内。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，其特征在于：在每个竖直负载托盘侧壁上设置有加速度计。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，其特征在于：推拉横轴上设置有固定滑块位置的锁紧螺母。

5.根据权利要求3所述的一种用于航天员地面模拟微重力环境搬运物体的训练装置，其特征在于：推拉横轴上设置有固定滑块位置的锁紧螺母。

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