CN112498754B - 一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法，包括用于悬吊的主支撑杆、设置在主支撑杆下端的滑轮平台、设置在滑轮平台一侧的电机制动器和摩擦力补偿电机、设置在滑轮平台中的滑轮、设置在滑轮平台另一侧的滑轮平台配重块、设置在滑轮上的钢丝绳，滑轮所在的轴通过联轴器与电机制动器输出轴连接，摩擦力补偿电机上设置有编码器，钢丝绳的一端设置有模拟负载配重块和把手配重块、另一端设置有模拟负载，模拟负载上设置有多维力传感器，多维力传感器连接有把手，摩擦力补偿电机用于产生抵消滑轮轴摩擦力矩的电机补偿力矩，根据模拟负载质量的不同改变电机补偿力矩的大小，消除重力对上下运动操作力的影响。

Description

一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿 方法

技术领域

本发明涉及一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法，属于地面模拟仿真领域。

背景技术

进入21世纪，美国、俄罗斯、中国等主要航天大国相继调整了载人航天的发展方向并制定了新的航天发展战略。各国的航天事业特别是载人航天事业蓬勃发展。我国的载人空间站计划到2024年前后完成在轨组装并投入运营。届时航天员的空间操作任务将会更多。这就需要有更好的地面训练技术来支撑宇航员进行地面模拟微重力训练，来使宇航员有足够的准备在微重力环境下完成各项任务。航天员虽然在太空中感受不到物体所受的重力，但是由于物体具有的质量、重心，物体在运动时仍然具有惯性力。因此在微重力环境下大物体的运动特征和力学特征相比于在地面环境下有着很大的不同。例如在太空环境下相比于地面环境，航天员可以很容易的举起大质量物件，但是不容易抓住他，因为牛顿定律和动量定理依然成立，在制动大质量物件时，大质量物件的惯性力很有可能将宇航员手套撕裂，同时也有可能导致宇航员用力过猛使宇航员肌肉损伤，因此宇航员需要在执行太空任务前在地面进行地面微重力模拟训练来养成执行太空任务的思维判断习惯。这就需要在地面上搭建一个可以充分模拟太空微重力环境的训练平台，以此培训宇航员熟练的进行在轨操作。现有的地面微重力模拟训练实现方法主要有两种方式：力平衡法模拟微重力和运动法模拟微重力。其中力平衡法模拟微重力主要是通过外加平衡力抵消地面上重力的影响，如利用气足支撑、磁悬浮、中性液体浮力、静平衡机构等方法抵消重力，模拟微重力环境。气足支撑是利用压缩空气将物体与接触面分离，极大减小摩擦力的影响，合理控制气压抵消重力，这种微重力模拟方法效果好，但是成本高。中性液体浮力方法是使训练环境浸入液体中，利用浮力的作用抵消重力，水浮法无法抵消液体产生的流体阻力，同时单次实验成本昂贵，准备时间长；运动法模拟微重力是使物体按照特定的规律运动，使物体的重力全部用来抵消离心力或惯性力，以此消除重力影响。运动法模拟微重力是将宇航员和训练物体提升到较高的高度，然后让其自由下落，下落过程可以视为微重力环境，当下落到一定高度时安全停止。运动法模拟可以十分接近真实的微重力环境，但是造价昂贵，同时模拟时间受到自由落体时间的限制不能长时间模拟。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法。

本发明的目的是这样实现的：包括用于悬吊的主支撑杆、设置在主支撑杆下端的滑轮平台、设置在滑轮平台一侧的电机制动器和摩擦力补偿电机、设置在滑轮平台中的滑轮、设置在滑轮平台另一侧的滑轮平台配重块、设置在滑轮上的钢丝绳，滑轮所在的轴通过联轴器与电机制动器输出轴连接，摩擦力补偿电机上设置有编码器，钢丝绳的一端设置有模拟负载配重块和把手配重块、另一端设置有模拟负载，模拟负载上设置有多维力传感器，多维力传感器连接有把手，摩擦力补偿电机用于产生抵消滑轮轴摩擦力矩的电机补偿力矩，根据模拟负载质量的不同改变电机补偿力矩的大小，消除重力对上下运动操作力的影响。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.模拟负载、模拟负载配重块的大小及质量相同。

2.一种依据所述的模拟微重力环境物件搬运训练的装置的摩擦力矩补偿方法，控制摩擦力补偿电机输出正弦颤动力矩使滑轮产生微小的摆动而始终处于动态，消除静摩擦力；在运动过程中，控制摩擦力补偿电机的电流量，间接控制补偿电机输出补偿力矩，补偿力矩抵消了滑轮轴承的动摩擦力矩，消除了动摩擦力矩对滑轮转动的影响，消除系统摩擦力对训练操作力的影响，只保留物体的惯性力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用摩擦力补偿电机极大的减小摩擦力在航天员模拟微重力训练时的影响，此训练装置训练成本低、操作简单，并且可以根据模拟负载的不同改变所模拟的负载质量，实现航天员针对不同重量的物体进行竖直方向的推拉训练。通过模拟负载配重块平衡模拟负载的重力，同时通过摩擦力补偿电机来抵消机构运动产生的摩擦力矩，模拟在微重力环境搬运物体的效果。同时配备电机制动器，在电机失电或模拟负载离开安全工作空间时立即制动，保护操作人员安全。本发明结构简单，成本低廉，操作方便，可以高效实现对航天员微重力环境的训练。

附图说明

图1是训练装置总体结构；

图2是模拟微重力环境物件搬运训练装置原理图-主视图；

图3是模拟微重力环境物件搬运训练装置原理图-滑轮及负载主视图；

图4是安装于支撑架上的训练装置；

图5是摩擦力补偿方法控制方框图。

图中：1-主支撑杆，2-滑轮平台，3-滑轮平台配重块，4-滑轮，5-钢丝绳，6-模拟负载，7-多维力传感器，8-把手，9-模拟负载配重块，10-把手配重块，11-编码器，2-摩擦力补偿电机，13-电机制动器。

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。

结合图1至图5，本发明的一种模拟微重力环境搬运训练装置(以下简称“训练装置”)，包括用于悬吊训练装置的主支撑杆1、用于安装摩擦力补偿电机和滑轮的滑轮平台2、滑轮平台配重块3、滑轮4、钢丝绳5、模拟负载6、多维力传感器7、把手8、模拟负载配重块9、把手配重块10、编码器11、摩擦力补偿电机12、电机制动器13。滑轮平台上的主支撑杆承受训练装置全部重力(所有质量)，通电后摩擦力补偿电机处于工作状态，抵消滑轮轴和配套轴承产生的摩擦力矩，消除滑轮轴上摩擦力矩对于训练的影响，模拟了微重力环境下物体的运动情况。滑轮平台上安装有摩擦力补偿电机、滑轮、配重块。滑轮平台上的摩擦力补偿电机用于抵消滑轮产生的摩擦力，电机编码器用于测量滑轮轴的角速度和角位移的同时检测滑轮轴是否处于运动状态，配重块用来平衡滑轮平台重心，使滑轮平台重心位于滑轮位置。滑轮平台下方的模拟负载由钢丝绳连接，通过滑轮与另一端的模拟负载配重块形成力平衡。模拟负载配重块上安装有把手用于人机交互，把手上安装有多维力传感器。竖直作业空间由绕过滑轮的钢丝绳、由钢丝绳悬吊的模拟负载、安装在模拟负载与把手之间的多维力传感器、人机交互用把手、悬吊在钢丝绳另一端的模拟负载配重块、安装在模拟负载配重块上的把手配重块组成。

滑轮平台的配重块、把手配重块可以根据机构实际情况增减质量，以保证滑轮两侧重力平衡。其中模拟负载6、模拟负载配重块9的大小及质量相同，用来调节模拟训练物体质量的大小。采用本发明结构，可以消除重力对上下运动操作力的影响，只保留物体的惯性力，获得与在微重力环境搬运物体的等同效果，且训练物体的质量可以根据训练所需进行调节。

摩擦力补偿电机用于产生抵消滑轮轴摩擦力矩的电机补偿力矩，根据模拟负载质量的不同改变电机补偿力矩的大小，可以消除重力对上下运动操作力的影响。

本发明提出的摩擦力矩补偿方法(如图5所示)，在物体运动之初通过控制补偿电机输出正弦颤动力矩使滑轮产生微小的摆动而处于动态，可以有效的消除静摩擦力；在物体运动过程中，通过控制补偿电机输出补偿力矩对滑轮轴承的动摩擦力产生补偿，消除其对滑轮转动的影响，从而消除系统摩擦力对训练操作力的影响，只保留物体的惯性力。具体说是：通过控制补偿电机输出正弦颤动力矩使滑轮产生微小的摆动而始终处于动态，可以有效的消除静摩擦力；在物体运动过程中，通过控制直流补偿电机的电流量，间接控制补偿电机输出补偿力矩，补偿力矩抵消了滑轮轴承的动摩擦力矩，消除了动摩擦力矩对滑轮转动的影响，从而消除系统摩擦力对训练操作力的影响，只保留物体的惯性力。

摩擦力补偿电机轴安装有编码器；滑轮平台的配重块、模拟负载配重块、把手配重块可以根据机构实际情况增减质量。摩擦力补偿电机使用直流电机，其产生的用于抵消滑轮轴摩擦力矩的电机补偿力矩可以通过算法，根据负载质量不同改变电机补偿力矩大小。电机制动器在电机失电或模拟负载超出工作空间时立即对滑轮轴制动，有效避免因失电或模拟负载超出工作空间导致的安全问题。

本训练装置通过滑轮一端的模拟负载配重块及把手配重块产生的重力，平衡滑轮另一端模拟负载和把手的重力。同时通过摩擦力补偿电机消除滑轮上影响训练的摩擦力。使操作者仅能感受到滑轮两端物块质量在运动中产生的惯性力，符合微重力环境下物体的运动特征和力学特征，达到模拟微重力环境的效果。

本发明所采用的技术方案是：如图2(模拟微重力环境物件搬运训练装置原理图-主视图)和图3(模拟微重力环境物件搬运训练装置原理图-滑轮及负载主视图)所示，模拟负载6和模拟负载配重块9分别固定在钢丝绳11两端，钢丝绳绕过滑轮4，可以根据实际训练内容调整模拟负载质量m₂和负载配重块质量m₁，同时保证m₁＝m₂，以此保证滑轮两侧受力平衡，模拟负载及其配重块由钢丝绳连接，钢丝绳绕过滑轮。滑轮与钢丝绳两端切点到滑轮的圆心距离相等，记为r，r即为滑轮的半径。根据实际训练内容滑轮半径可以通过更换滑轮来改变。摩擦力补偿电机12、编码器11、滑轮4、滑轮平台配重块3、滑轮平台2共同组成滑轮平台模块，其中摩擦力补偿电机用以补偿滑轮工作时产生的摩擦力，平台配重块用以位置平台的平衡。主支撑杆1上端同上表面固定，训练装置所有质量由主支撑杆悬吊在上表面支撑。

训练开始时，保证滑轮一端各配重块的质量等于另一端模拟负载和把手的质量，使两端质量产生的重力处于平衡状态，模拟微重力环境。航天员手握把手8给把手施加垂向作用力F_z，使负载在竖直方向产生运动，由于把手作用力，模拟负载产生竖直方向加速度a_z和速度v_z，v_z使滑轮平台上的滑轮转动。滑轮转动产生的摩擦力需要摩擦力补偿电机产生的转矩抵消，滑轮所受摩擦力主要有库仑摩擦M_f、滑轮由静止到启动时产生的动/静摩擦力及粘滞摩擦力。在运动过程中摩擦力补偿电机产生的抵消摩擦力转矩。

根据公式计算可得：

其中：μ——轴承摩擦系数；P——轴承负荷；d——轴承公称内径，B——粘滞摩擦力矩系数；ω——滑轮角速度；sig——符号函数，

M_静——转动轴由静止到运动的动/静摩擦力转矩。

由于公式(1)中的粘滞摩擦系数B，其数量级一般在10^-5～10^-6左右，同时在滑轮半径足够大，模拟训练时模拟负载运动速度必须维持在安全速度的情况下，由公式

可知，滑轮角速度不会超过2rad/s，因此公式(1)中的Bω项，即粘滞摩擦产生的摩擦力矩相比于库伦摩擦项M_f数量级相差巨大，可以近似忽略。

由于训练装置通电后在未施加外力处于静止状态时，通过对补偿点电机输入正弦中颤动输入使滑轮产生微小的摆动，使滑轮时刻处于动态，加入的令滑轮产生微小摆动的信号为输入到电流控制器中的幅值很小的正弦电流信号，为A·sin(ωt)，其中幅值A和摆动频率ω的具体取值通过实验决定，在使得滑轮产生微小运动的同时，对操作者训练的影响降到最低。

在加入摆动信号后，在训练过程中滑轮轴不会出现动/静转换的情况，因此不会出现动/静摩擦力矩，动/静摩擦力矩项可以消去。

由上所述，摩擦力补偿电机在机构工作时需要补偿的总转矩M_总为：

公式中(2)中vz可由v_z＝ω·r计算，ω为滑轮轴转动的角速度。ω由安装在电机上的编码器提供。

公式(2)中，轴承负荷P由虚拟物体质量和操作力决定：

P＝mg+F (3)

其中：m——模拟负载、模拟负载配重块、把手、把手配重块质量和；g——重力加速度；F——操作人员对把手的竖直方向操作力，方向向下为正。

通过对摩擦力补偿所需的力矩进行建模，将模拟负载及其配重块、把手及其配重块质量之和、通过编码器测量的滑轮角速度、角加速度带入公式(2)，可以得到摩擦力补偿电机需要产生的补偿力矩，将其转换为控制电流信号输入给电流控制器并对电流信号进行闭环控制。由于所用摩擦力补偿电机为直流电机，电流与输出力矩成正比，控制直流电机得到的电流大小意味着控制电机的输出力矩的大小，控制框图如图5所示。

竖直方向上，由于摩擦力补偿电机对摩擦力矩及滑轮轴上各机构惯性力矩的补偿，竖直方向上的作用力F与模拟负载及模拟负载配重块共同产生的惯性力相等，符合微重力环境下物体的运动特点。

操作人员感知虚拟物体的质量来源

由于运用摩擦力补偿电机，因此宇航员在操作训练装置时，能够感受到训练装置模拟的虚拟物体质量为：模拟负载质量、把手质量、模拟负载配重块质量、把手配重块质量、滑轮轴上各机构转动惯量带来的等效质量。竖直方向上，由于模拟负载配重块和把手配重块绕过滑轮与另一侧的模拟负载和滑轮通过钢丝绳相连接，因此竖直方向上操作者不仅能感受到模拟负载和把手的质量，同时模拟负载配重块和把手配重块所带来的质量也会被感知，因此竖直方向上操作者感受到虚拟物体的质量为：

其中：m——模拟负载、把手、模拟负载配重块、把手配重块质量和；m₁,m₂,m₃,m₄--分别模拟负载配重块质量、模拟负载质量、把手质量、把手配重块质量；J_e——滑轮、滑轮轴、联轴器等效转动惯量之和。

需要调整的质量为：

m_t＝m-m₀ (5)

其中：m_t——需要调节的负载质量，

m₀——基本负载质量为固定值，由m3、m4、

决定。

通过对模拟负载质量m₂和模拟负载配重块质量m₁进行调整，可以达到改变训练装置模拟的虚拟物体质量的效果。

训练装置的操作步骤为：

首先为安全制动器通电，使制动器离开制动状态，然后为多维力传感器和摩擦力补偿电机和编码器通电，并等待其稳定，训练平台启动。训练开始前微调模拟负载和训练平台初始位置，使之满足训练环境，同时为电机控制器输入模拟负载质量，使摩擦力补偿电机产生的补偿力矩满足本次训练要求；然后宇航员进入工作空间，根据训练内容操作训练平台。训练完成后，宇航员首先将模拟负载和滑轮平台置于训练开始时的初始位置，然后离开作业空间；宇航员离开后令安全制动器处于制动状态并断电；最后关闭多维力传感器、摩擦力补偿电机、编码器并断电；

本发明的关键点如下：

1、摩擦力补偿电机极大减小了滑轮摩擦力矩对训练的影响

摩擦力补偿电机通过闭环控制(如图5)，动态抵消滑轮摩擦力矩，使滑轮摩擦力矩对训练的影响大大减小，通过加入正弦补偿电流信号，使滑轮轴在训练装置工作时时刻处于运动状态，消除了滑轮轴由静止转换为运动时产生的复杂的动/静摩擦力矩。模拟负载在竖直方向仅有惯性力的作用，符合太空微重力环境物体运动规律。

2、模拟负载质量可调节

机构可以根据不同的训练情况调整模拟负载质量。其中宇航员在训练中感受到的负载总质量为

即滑轮轴、联轴器、滑轮等效转动惯量与滑轮半径的比值、模拟负载、模拟负载配重块、把手、把手配重块质量之和。其中把手质量、把手配重块质量、等效转动惯量与滑轮半径的比值为定值，不可调节。通过改变可调节的模拟负载质量m₂和模拟负载配重块质量m₁，使机构在维持平衡的同时改变宇航员在训练中感受到的负载质量。

3、摩擦力补偿电机使用直流电机便于对其产生的力矩进行控制

由于直流电机中电机得到的电流与电机产生的力矩成正比，因此相比于交流等其他电机，使用直流电机可以方便的控制摩擦力补偿电机产生的力矩。

4、滑轮轴安装有电机制动器保证训练过程安全

滑轮轴上安装的安全制动器有效保证操作人员训练过程的安全，当发生突然断电或模拟负载超出工作空间时，制动器立即处于制动状态，使滑轮机构立即制动，模拟负载停止运动，防止出现模拟负载失控的情况；在断电后制动器处于制动状态，保证机构在断电后模拟负载处于停止状态。

综上，太空环境与地面环境的最大区别是失重，或者称为微重力。由于环境的改变，航天员在太空进行物件搬运相比于在地面进行物件搬运在体验上有着很大的不同。太空微重力环境中，宇航员虽然感受不到物体的重力，但是搬运物体本身的惯性力依旧存在。在微重力环境下大物件的运动和力学特性与在地面环境上有着很大的不同。在航天员进入太空完成维修、搬运任务等任务前，如何在地面环境开展模拟微重力环境训练，使得航天员能够熟悉了解微重力环境下物件搬运的方法，从而避免在进入太空后发生操纵物体、航天员手套的损坏，以及其他更糟糕的情况，将成为载人航天后续任务顺利完成的重中之重。现有的飞机抛物线飞行模拟法、大型水池水下模拟训练法等模拟微重力训练的方法有着成本高、单次训练时间短等缺点。为了克服现有方法的缺点，本发明提供了一种模拟微重力环境物件搬运训练装置，通过绳索的拉力来平衡搬运物体的重力，同时采用安装在滑轮轴上的摩擦力补偿电机抵消了滑轮工作时产生的摩擦力矩对微重力模拟训练产生的影响。

Claims (3)

1.一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置，其特征在于：包括用于悬吊的主支撑杆、设置在主支撑杆下端的滑轮平台、设置在滑轮平台一侧的电机制动器和摩擦力补偿电机、设置在滑轮平台中的滑轮、设置在滑轮平台另一侧的滑轮平台配重块、设置在滑轮上的钢丝绳，滑轮所在的轴通过联轴器与电机制动器输出轴连接，摩擦力补偿电机上设置有编码器，钢丝绳的一端设置有模拟负载配重块和把手配重块、另一端设置有模拟负载，模拟负载上设置有多维力传感器，多维力传感器连接有把手，摩擦力补偿电机用于产生抵消滑轮轴摩擦力矩的电机补偿力矩，根据模拟负载质量的不同改变电机补偿力矩的大小，消除重力对上下运动操作力的影响；首先为电机制动器通电，使电机制动器离开制动状态，然后为多维力传感器和摩擦力补偿电机和编码器通电，并等待其稳定，训练平台启动；训练开始前微调模拟负载和训练平台初始位置，使之满足训练环境，同时为电机控制器输入模拟负载质量，使摩擦力补偿电机产生的补偿力矩满足本次训练要求；然后宇航员进入工作空间，根据训练内容操作训练平台；训练完成后，宇航员首先将模拟负载和滑轮平台置于训练开始时的初始位置，然后离开作业空间；宇航员离开后令电机制动器处于制动状态并断电；最后关闭多维力传感器、摩擦力补偿电机、编码器并断电。

2.根据权利要求1所述的一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置，其特征在于：模拟负载、模拟负载配重块的大小及质量相同。

3.一种依据权利要求1或2所述的模拟微重力环境物件搬运训练的装置的摩擦力矩补偿方法，其特征在于：控制摩擦力补偿电机输出正弦颤动力矩使滑轮产生微小的摆动而始终处于动态，消除静摩擦力；在运动过程中，控制摩擦力补偿电机的电流量，间接控制摩擦力补偿电机输出补偿力矩，补偿力矩抵消了滑轮轴承的动摩擦力矩，消除了动摩擦力矩对滑轮转动的影响，消除系统摩擦力对训练操作力的影响，只保留物体的惯性力。

Images