CN114044177B - 气浮支撑卸载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气浮支撑卸载试验装置及方法，装置包括气浮结构(1)，所述气浮结构(1)包括行走件(11)、底座(12)、连接组件(13)和攀爬机器人(14)，所述行走件(11)和所述连接组件(13)均设置在所述底座(12)上，所述攀爬机器人(14)设置在所述连接组件(13)上。本发明能够满足在轨微重力、低阻力、高速度的模拟攀爬试验需求。

Description

气浮支撑卸载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气浮支撑卸载试验装置及方法。

背景技术

随着空间探测技术的不断发展，航天器的种类与空间机构的应用需求也日益增加。在众多空间机构中，空间攀爬机器人因其高灵活性、多自由度、适应力强的特点而被广泛用于执行各项复杂轨迹上的在轨任务。在空间机器人的研究与应用需求日渐增多的情况下，对于模拟空间微重力环境下卸载方法与装置的需求也在不断增加。依据空间仿壁虎机器人的运动特点以及空间环境的低摩擦、自适应、高跟随特性，气浮支撑卸载微重力模拟试验方法日渐成为了航天器机构试验验证的重要技术手段。随着气浮卸载技术核心部件的多孔位、高承载、动平衡气足制造技术的不断进步与发展，也促进着气浮卸载方法在多种航空航天机构上的试验应用，使其成为研制航天器等产品的重要支撑试验技术。因此，领域中亟需一种可以满足空间在轨模拟试验要求的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气浮支撑卸载试验装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种气浮支撑卸载试验装置及方法，装置包括气浮结构，所述气浮结构包括行走件、底座、连接组件和攀爬机器人，所述行走件和所述连接组件均设置在所述底座上，所述攀爬机器人设置在所述连接组件上。

根据本发明的一个方面，所述连接组件包括力传感器、连接座、柔性支撑结构、定位结构和转接件；

所述力传感器的一端连接在所述底座上，所述连接座的一端连接在所述力传感器的另一端；

所述柔性支撑结构和所述定位结构的两端均分别与所述连接座的另一端和所述转接件连接；

所述攀爬机器人沿周向间隔设置在所述转接件上。

根据本发明的一个方面，所述连接座包括本体和第一、第二连接部；

所述本体为平板状，所述第一、第二连接部分别垂直的设置在所述本体的两端，分别与所述柔性支撑结构和所述力传感器连接；

第二连接部上设有长圆形的连接孔和位于所述连接孔横向两侧的连接凸起；

所述本体中部具有减重孔。

根据本发明的一个方面，所述柔性支撑结构包括滑动轴和弹簧；

所述滑动轴的两端分别与所述转接件和所述连接座连接；

所述滑动轴与所述转接件连接的一端通过螺纹连接有轴端限位件；

所述滑动轴与所述连接座通过滚动轴承连接，所述滚动轴承设置在轴承座上；

所述弹簧套设在所述滑动轴上，且位于所述转接件和所述连接座之间；

所述滑动轴的材质为金属。

根据本发明的一个方面，所述定位结构包括第一连杆、第二连杆、第一安装座和第二安装座；

所述第一安装座和所述第二安装座分别设置在所述转接件和所述连接座上；

所述第一连杆和所述第二连杆的一端铰接，所述第一连杆的另一端铰接在所述第一安装座上，所述第二连杆的另一端铰接在所述第二安装座上。

根据本发明的一个方面，还包括试验结构，所述试验结构包括平台、框架、支撑组件、模拟墙和限位组件；

所述支撑组件支撑在所述平台上，用于支撑所述框架，包括高度可调的主支撑座和辅支撑座；

所述主支撑座位于所述框架的四角，所述辅支撑座相间排列在所述框架的两边；

所述模拟墙设置在所述框架上，且两侧间隔设有把手；

所述限位组件包括直角限位件和侧边限位件；

所述直角限位件位于所述框架的四角，所述侧边限位件相间排列在所述框架的侧边上。

根据本发明的一个方面，所述模拟墙由透明的矩形平板结构对接而成，所述平板结构之间的对接缝隙≤1mm；

所述模拟墙的外形尺寸大于所述攀爬机器人的运动轨迹200mm以上；

所述直角限位件与所述模拟墙的间距为1-5mm；

所述柔性支撑结构的刚度k1与所述攀爬机器人的刚度k2满足以下关系：k1≤k2；

所述底座的刚度k3与所述攀爬机器人的刚度k2满足以下关系：k3≥3k2；

所述力传感器为无线传感器，无线传输距离≥15m，对所述攀爬机器人的重力载荷测量检测精度不低于0.1N；

所述弹簧的刚度k4与所述攀爬机器人的刚度k2的偏差在15％以内；

所述模拟墙的水平度＜0.05°；

所述平台的材质为大理石；

所述转接件与所述柔性支撑结构连接的部位为U形，且中部设有连接孔。

根据本发明的一个方面，所述行走件为气足，所述底座为工字型结构，所述攀爬机器人为仿壁虎机器人；

所述行走件均匀设置在所述底座的底部，设置数量大于等于所述攀爬机器人的腿部数量；

所述行走件的4个支撑点位形成的区域范围大于所述攀爬机器人的质心投影位置；

所述行走件与所述底座之间采用调节螺母连接。

气浮支撑卸载试验方法，包括以下步骤：

a、对攀爬机器人进行装配、调试，搭建试验装置并采用模拟负载进行调试；

b、加气后检查气浮结构的承载特性，对攀爬机器人和气浮结构进行组装、调试；

c、进行攀爬试验速度测试和攀爬姿态运动特性参数测试；

d、对攀爬过程数据进行处理与分析。

根据本发明的一个方面，采用非接触式摄影测量攀爬机器人的运动过程。

根据本发明的构思，提出一种用于空间攀爬机器人相关机构的空间微重力试验(以及相关类似的机器人机构地面试验)的方案，针对空间仿壁虎机器人模拟在轨微重力、低阻力、高速攀爬试验需求，解决地面重力负载对仿壁虎机器人攀爬运行过程中的附加载荷造成运行工况不真实、爬行速度降低等不能满足空间在轨等模拟试验条件等问题。

根据本发明的一个方案，仿壁虎机器人在微重力环境下的气浮支撑卸载试验系统采用低摩擦、自适应、高跟随特性的气浮结构进行支撑，能够较好的满足仿壁虎机器人模拟空间在轨微重力条件，为机器人模拟在轨攀爬试验提供试验基础。

根据本发明的一个方案，根据仿壁虎机器人攀爬过程中姿态发生偏移的运动特性，采用柔性、自适应连接设计，可以避免机器人与气浮卸载装置之间的硬冲击，使得仿壁虎机器人在空间运动过程姿态限制较小，从而使其发挥出更大的攀爬能力。

根据本发明的一个方案，基于机器人运动特定和试验需求，采用整体式、透明可视化、高强度、高光洁度的模拟墙结构，可以满足机器人对运动支撑面的高平面度、高刚度、易黏附的需求。同时，透明的模拟墙使得在试验过程可以对仿壁虎机器人的运动步态特性进行有效且直观的检查，并可以通过相关视觉测量设备对仿壁虎机器人的运动特性进行监测，再将机器人的相关运动参数与设计参数进行耦合对比，以进一步优化、提升仿壁虎机器人的相关设计参数。

附图说明

图1示意性表示本发明一种实施方式的气浮结构的结构图；

图2示意性表示本发明一种实施方式的柔性支撑结构和定位结构部位的放大图；

图3示意性表示本发明一种实施方式的连接座的结构图；

图4示意性表示本发明一种实施方式的气浮支撑卸载试验装置的结构图；

图5示意性表示本发明一种实施方式的攀爬机器人模拟微重力环境攀爬试验的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1，本发明的仿壁虎机器人在微重力环境下气浮支撑卸载试验装置，包括气浮结构1，气浮结构1包括行走件11、底座12、连接组件13和攀爬机器人14，行走件11和连接组件13均设置在底座12上，攀爬机器人14设置在连接组件13上。行走件11为气足，通过为其供气可为攀爬机器人14提供浮力支撑；底座12整体为工字型结构；攀爬机器人14即为仿壁虎机器人。多个行走件11均匀设置在底座12的底部，设置数量大于等于攀爬机器人14的腿部数量n。行走件11的4个支撑点位形成的区域范围大于攀爬机器人14的质心投影位置。底座12中间位置设置了支撑位置连接点与力传感器131连接，行走件11与底座12采用上下两个调节螺母连接，从而可以实现位移调节与固定限位。产品试验过程中可根据攀爬机器人14的实际质量与运动状态调节行走件11内部的充气压力。

连接组件13包括力传感器131、连接座132、柔性支撑结构133、定位结构134和转接件135。力传感器131的下端连接在底座12上，连接座132的下端连接在力传感器131的上端。柔性支撑结构133和定位结构134的两端均分别与连接座132的上端和转接件135连接。攀爬机器人14沿周向间隔设置在转接件135上。

参见图2，柔性支撑结构133包括高刚度金属材质的滑动轴1331和刚度匹配的螺旋式弹簧1332。滑动轴1331的两端分别与转接件135和连接座132连接。滑动轴1331与转接件135连接的一端通过螺纹连接有轴端限位件1333，滑动轴1331与连接座132通过滚动轴承连接，滚动轴承设置在轴承座1334上。如此，滑动轴1331可以实现对攀爬机器人14的竖直方向高刚度卸载支撑，而低摩擦深沟球滚动轴承则可对滑动轴1331进行径向限位约束，使攀爬机器人14在运动过程中只存在竖直方向上的位移变化。弹簧1332套设在滑动轴1331上，且位于转接件135和连接座132之间，用于降低攀爬机器人14攀爬过程的上下波动变形。

定位结构134包括第一连杆1341、第二连杆1342、第一安装座1343和第二安装座1344。第一安装座1343和第二安装座1344分别设置在转接件135和连接座132。第一连杆1341和第二连杆1342的一端铰接，第一连杆1341的另一端铰接在第一安装座1343上，第二连杆1342的另一端铰接在第二安装座1344上。转接件135与柔性支撑结构133连接的部位可设计为U形，且中部设置连接孔，从而形成镂空的轻量化结构，以实现攀爬机器人14与滑动轴1331的连接。

参见图3，连接座132包括本体1321和第一、第二连接部1322,1323。本体1321为平板状，第一、第二连接部1322,1323分别垂直的设置在本体1321的两端，从而使连接座132形成U形，而两个连接部则分别用于与柔性支撑结构133和力传感器131连接。第二连接部1323上设有长圆形的连接孔1323a，从而可以根据攀爬机器人14的质心变化而调节位置。第二连接部1323下端位于连接孔1323a横向两侧具有连接凸起1323b，用于与力传感器131连接。而由于连接凸起1323b面积较小，因此可与力传感器131形成较高的贴合程度。本体1321中部具有减重孔1321a，从而使其中部形成镂空的轻量化结构。

由此，连接座132、柔性支撑结构133、定位结构134、转接件135四者形成连杆滑块结构，柔性支撑结构133采用低阻力滚动轴承使滑动轴1331可上下自由滑移，定位结构134则利用两个安装座和两个连杆形成四连杆机构，中间两个连杆之间可以发生角位移变化，且上下位移变化数值范围适应攀爬机器人14在攀爬过程中的上下波动幅值。

参见图4，本发明的气浮支撑卸载试验装置还包括试验结构2，试验结构2包括平台21、框架22、支撑组件23、模拟墙24和限位组件25。支撑组件23支撑在平台21上，模拟墙24设置在框架22上，框架22用于对模拟墙24的四周进行限位固定。模拟墙24的两侧边间隔设有U形的把手241，从而便于模拟墙24的搬运和装配。支撑组件23用于支撑框架22，其包括高度可调的主支撑座231和辅支撑座232。主支撑座231位于框架22的四角，辅支撑座232相间排列在框架22两边，从而形成可调式试验支架。限位组件25包括直角限位件251和侧边限位件252，用于对模拟墙24进行端部限位。直角限位件251结构为L形，位于框架22的四角，用于对模拟墙24的四角进行限位约束；侧边限位件252相间排列在框架22的侧边上，从而形成多点可调式结构，对模拟墙24四周进行限位，使模拟墙24的水平状态可调。

其中，模拟墙24为由多个高透明、高刚度、高光洁度的矩形平板结构横向对接而成的整体结构，平板结构之间的对接缝隙≤1mm。模拟墙24的整体外形尺寸大于攀爬机器人14的运动轨迹200mm以上。直角限位件251与模拟墙24之间的间距为1-5mm。柔性支撑结构133的刚度k1与攀爬机器人14的刚度k2相匹配，且满足以下关系：k1≤k2。底座12的刚度k3大于攀爬机器人14的刚度k2，且满足以下关系：k3≥3k2。力传感器131为无线传感器，无线传输距离≥15m，对攀爬机器人14的重力载荷测量检测精度不低于0.1N。弹簧1332的刚度k4与攀爬机器人14的刚度k2基本等同，二者的偏差在15％以内。模拟墙24的水平度＜0.05°。平台21的材质为高精度大理石。

参见图5，本发明的气浮支撑卸载试验方法，首先对攀爬机器人14进行装配、调试，再搭建空间低摩擦、自适应、高跟随特性的可调式的气浮微重力卸载模拟试验装置，并采用模拟负载进行调试。然后，进行加气后检查气浮结构1的承载特性，对攀爬机器人14和气浮结构1进行组装、调试。随后，即可进行攀爬试验速度测试和攀爬姿态运动特性参数测试。最后，对攀爬过程数据进行处理与分析。本发明中，还采用非接触式摄影测量攀爬机器人14的运动过程。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种气浮支撑卸载试验装置，其特征在于，包括气浮结构（1），所述气浮结构（1）包括行走件（11）、底座（12）、连接组件（13）和攀爬机器人（14），所述行走件（11）和所述连接组件（13）均设置在所述底座（12）上，所述攀爬机器人（14）设置在所述连接组件（13）上；

所述连接组件（13）包括力传感器（131）、连接座（132）、柔性支撑结构（133）、定位结构（134）和转接件（135）；

所述力传感器（131）的一端连接在所述底座（12）上，所述连接座（132）的一端连接在所述力传感器（131）的另一端；

所述柔性支撑结构（133）和所述定位结构（134）的两端均分别与所述连接座（132）的另一端和所述转接件（135）连接；

所述攀爬机器人（14）沿周向间隔设置在所述转接件（135）上；

还包括试验结构（2），所述试验结构（2）包括平台（21）、框架（22）、支撑组件（23）、模拟墙（24）和限位组件（25）；

所述支撑组件（23）支撑在所述平台（21）上，用于支撑所述框架（22），包括高度可调的主支撑座（231）和辅支撑座（232）；

所述主支撑座（231）位于所述框架（22）的四角，所述辅支撑座（232）相间排列在所述框架（22）的两边；

所述模拟墙（24）设置在所述框架（22）上，且两侧间隔设有把手（241）；

所述限位组件（25）包括直角限位件（251）和侧边限位件（252）；

所述直角限位件（251）位于所述框架（22）的四角，所述侧边限位件（252）相间排列在所述框架（22）的侧边上；

所述行走件（11）为气足，所述底座（12）为工字型结构，所述攀爬机器人（14）为仿壁虎机器人；

所述行走件（11）均匀设置在所述底座（12）的底部，设置数量大于等于所述攀爬机器人（14）的腿部数量；

所述行走件（11）的4个支撑点位形成的区域范围大于所述攀爬机器人（14）的质心投影位置；

所述行走件（11）与所述底座（12）之间采用调节螺母连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接座（132）包括本体（1321）和第一、第二连接部（1322,1323）；

所述本体（1321）为平板状，所述第一、第二连接部（1322,1323）分别垂直的设置在所述本体（1321）的两端，分别与所述柔性支撑结构（133）和所述力传感器（131）连接；

第二连接部（1323）上设有长圆形的连接孔（1323a）和位于所述连接孔（1323a）横向两侧的连接凸起（1323b）；

所述本体（1321）中部具有减重孔（1321a）。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性支撑结构（133）包括滑动轴（1331）和弹簧（1332）；

所述滑动轴（1331）的两端分别与所述转接件（135）和所述连接座（132）连接；

所述滑动轴（1331）与所述转接件（135）连接的一端通过螺纹连接有轴端限位件（1333）；

所述滑动轴（1331）与所述连接座（132）通过滚动轴承连接，所述滚动轴承设置在轴承座（1334）上；

所述弹簧（1332）套设在所述滑动轴（1331）上，且位于所述转接件（135）和所述连接座（132）之间；

所述滑动轴（1331）的材质为金属。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位结构（134）包括第一连杆（1341）、第二连杆（1342）、第一安装座（1343）和第二安装座（1344）；

所述第一安装座（1343）和所述第二安装座（1344）分别设置在所述转接件（135）和所述连接座（132）上；

所述第一连杆（1341）和所述第二连杆（1342）的一端铰接，所述第一连杆（1341）的另一端铰接在所述第一安装座（1343）上，所述第二连杆（1342）的另一端铰接在所述第二安装座（1344）上。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述模拟墙（24）由透明的矩形平板结构对接而成，所述平板结构之间的对接缝隙≤1mm；

所述模拟墙（24）的外形尺寸大于所述攀爬机器人（14）的运动轨迹200mm以上；

所述直角限位件（251）与所述模拟墙（24）的间距为1-5mm；

所述柔性支撑结构（133）的刚度k1与所述攀爬机器人（14）的刚度k2满足以下关系：k1≤k2；

所述底座（12）的刚度k3与所述攀爬机器人（14）的刚度k2满足以下关系：k3≥3k2；

所述力传感器（131）为无线传感器，无线传输距离≥15m，对所述攀爬机器人（14）的重力载荷测量检测精度不低于0.1N；

所述弹簧（1332）的刚度k4与所述攀爬机器人（14）的刚度k2的偏差在15%以内；

所述模拟墙（24）的水平度＜0.05°；

所述平台（21）的材质为大理石；

所述转接件（135）与所述柔性支撑结构（133）连接的部位为U形，且中部设有连接孔。

6.一种利用权利要求1-5中任一项所述的气浮支撑卸载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

a、对攀爬机器人（14）进行装配、调试，搭建试验装置并采用模拟负载进行调试；

b、加气后检查气浮结构（1）的承载特性，对攀爬机器人（14）和气浮结构（1）进行组装、调试；

c、进行攀爬试验速度测试和攀爬姿态运动特性参数测试；

d、对攀爬过程数据进行处理与分析。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用非接触式摄影测量攀爬机器人（14）的运动过程。