CN110450992A - 一种基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统 - Google Patents

Abstract

本发明设计了基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统，尤其适用于航天器多关节机械臂的重力卸载。所述重力卸载系统主要包括磁吸小车、导磁壁板、拉紧机构、安全绳、吊绳。所述磁吸小车，由吸附单元、移动机构、恒张力机构、吊线倾角检测机构组成。吸附单元保证了小车贴合于导磁壁板下方，移动机构保证了磁吸小车机动性好，能够灵活地随动至关节质心正上方，再通过吊线倾角检测系统的反馈校正，保证了吊线的铅垂，通过恒张力机构实现了对卸载对象的重力卸载。所述重力卸载系统克服了随动系统的惯性、摩擦等不利因素，能有效减小了吊线的水平漂移，可提高重力卸载精度。

Description

一种基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统

技术领域

本发明设计了一种基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统，尤其适用于航天器多关节机械臂的重力卸载。

背景技术

为了保证卫星、空间站等航天器在太空中执行任务时的安全性和可靠性，需要在航天器发射前在地面上模拟零重力环境对航天器及其组件进行实验验证。

在地面模拟零重力，需要设法产生一个恒定的力，一直跟随卸载对象，抵消卸载对象的重力。目前主要的重力卸载方法有抛物飞行法、落塔法、液体悬浮法、悬吊法和气悬浮支撑法。

悬吊法通过控制悬挂点的拉力来平衡重力。悬吊法进行三维微重力模拟，结构相对简单，易于实现，模拟时间不受限制，应用广泛。缺点是微重力模拟精度不高，支撑吊索的桁架机构复杂，占用空间大，吊索运动时所受摩擦力大，严重影响试验精度，此外，吊索的柔性、抖动以及配重块的惯性效应等因素都会对微重力模拟带来不利影响。

对于多关节机械臂的重力卸载而言，通常有多个关节数和自由度，因此需要精确计算各个吊点位置、合理选择悬挂方式，同时需要避免机械臂在工作过程中由于吊点不合理而发生干涉，故传统的导轨式卸载系统难以满足需求。

发明内容

本发明提出了一种基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统，主要包括磁吸小车、导磁壁板、拉紧机构、安全绳、吊绳，所述磁吸小车吸附于导磁壁板下方，能实现二自由度灵活运动，以满足机械臂卸载时对悬吊点机动性的要求。

为实现上述目的，所述磁吸小车包括：吸附单元、移动机构、恒张力机构、吊线倾角检测机构。

所述吸附单元采用间隙式永磁吸附方案，永磁铁与壁面不接触，仅支撑轮与导磁壁板线接触，可大幅减少与壁面之间的摩擦，使磁吸小车的机动性得到保障。所述永磁式吸附方案所用磁性材料包括永磁体和轭铁，永磁铁采用钕铁硼(NdFeB)，轭铁采用低碳结构钢Q235，并通过磁路耦合方式组合。

所述移动机构采用全向轮式移动方式，所述移动机构由3个直流无刷电机及其驱动器组成和3个全向轮。

所述恒张力机构由吊线收放电机、张力传感器、滑轮组、抱闸组成。滑轮组共有5个滑轮，空间布置，实现吊线走线转向，解决空间狭小问题。

所述吊线倾角检测机构由二自由度的虎克铰结构和角度编码器组成。用于实时检测吊线，以保证磁吸小车运动至悬吊点的正上方。

本发明具有以下优点：

所述磁吸小车能在导磁壁板上二自由度灵活运动，满足了机械臂卸载时对悬吊点机动性的要求

所述磁吸小车机动性好，能够灵活地随动至关节质心正上方，使吊线铅垂，避免吊线在水平方向上产生分力，破坏机械臂的受力环境。

所述磁吸小车能够让吊线随车灵活缩放，并根据张力传感器测量的结果张紧或放松至相应程度。

所述磁吸系统实现了运动和悬吊力的主动控制，克服了随动系统的惯性、摩擦等不利因素，能有效减小吊索的水平漂移，可提高重力卸载精度。

附图说明

图1为基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统整体结果图；

图2为本发明所示的磁吸小车整体结构图；

图3为本发明所述的吊线倾角检测机构示意图；

具体实施方式

以下将参照附图对本发明作进一步的描述。

本发明所述的基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统整体结构如图1所示，主要包括磁吸小车1、导磁壁板2、拉紧机构3、安全绳4、吊绳5。

本发明所述的卸载系统通过磁吸小车在导磁壁板上的位置移动和收放吊绳来实现重力卸载。

本发明所述的磁吸小车在卸载系统中如图1所示吸附于架设在空中的导磁壁板下方，每一个悬吊点对应一个小车，多个小车通过安全绳串联起来，并在导磁壁板两端设有拉紧机构作为本安设计，防止小车因电量不足导致坠落。

本发明所述的磁吸小车整体结构如图2所示，主要包括吸附单元1，移动机构2，恒张力机构3，吊线倾角检测装置4，恒张力机构3由吊线缩放电机5、抱闸6、张力传感器7、滑轮组8组成。

滑轮组8中的一个滑轮与电机同轴连接，通过电机的正反转控制吊线的缩放，吊线的张力大小通过张力传感器测量的值反馈给电机，由电机微转进行调节。

抱闸6为安全设计考虑，当小车电池电量不足时，抱闸锁死吊线，对应吊点处的重力依然被平衡，可避免吊线收放电机因电量不足、伺服失效而导致的吊线“飞车”事故。

所述的吊线倾角检测机构4如图3所示，吊线9穿出直线轴承后与机械臂上的悬吊点连接，在机械臂惯性力作用下，吊线偏离铅垂方向，带动直线轴承12偏离铅垂方向，记偏角为Δθ，可分解为直线轴承分别绕x轴y轴转动了θ_x和θ_y的角度，x轴y轴分别安装有角度编码器10、11，可分别检测出θ_x和θ_y的数值，通过两值即能合成吊线偏角Δθ。磁吸小车将根据吊线倾角的检测结果对小车的最终位置进行微调。

Claims (8)

1.一种基于磁吸小车的悬吊式重力卸载系统，其特征在于，包括磁吸小车、导磁壁板、拉紧机构、安全绳、吊绳。

2.根据权利要求1所述的磁吸小车，其特征在于，包括吸附单元、移动机构、恒张力机构、吊线倾角检测机构。

3.根据权利要求1所述的磁吸小车，其特征在于，其用于悬吊式重力卸载系统时吸附于导磁壁板下方，位于导磁壁板和卸载对象之间，可以实现在导磁壁板表面的全向运动。

4.根据权利要求2所述的吸附单元，其特征在于，由一块轭铁和两块永磁体构成，两块永磁体互相平行与轭铁的同一表面贴合，其中两块永磁体的磁极方向相反行程磁路耦合，能够在不与导磁壁板贴合的情况下提供足够吸附力，用于平衡磁吸小车的重力和卸载产生的拉力。

5.根据权利要求2所述的移动机构，其特征在于，由3个直流无刷电机及其驱动器和3个全向轮组成，用于实现磁吸小车在平面内的移动和转动。

6.根据权利要求2所述的恒张力机构，其特征在于，由吊线收放电机、张力传感器、滑轮组、抱闸组成，其中一个滑轮与电机同轴连接，通过电机的正反转控制吊线的缩放，吊线的张力大小通过张力传感器测量的值反馈给电机，由电机微转进行调节，以保证模拟重力卸载的稳定性。

7.根据权利要求2、6所述的恒张力机构，其特征在于，设有为安全设计考虑的抱闸，抱闸位于吊线起始处与吊线收放电机同轴，当小车电池电量不足时，抱闸将锁死吊线，对应吊点处的重力依然被平衡，避免因模拟零重力失效而导致卸载对象掉落。

8.根据权利要求2所述的吊线倾角检测机构，其特征在于，由二自由度的虎克铰结构、直线轴承和两个角度编码器组成；当卸载对象运动时磁吸小车也会移动至理论的位置，但会存在一定的误差，吊线倾角检测机构利用测得的倾角对磁吸小车的位置进行反馈微调，用以保证吊线位于铅垂方向。