CN114141097A - 一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，它包括固定平台、柔索驱动单元、末端执行器支架、末端执行器、柔索，伺服电机到柔索间传动机构为滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母，至末端执行器的力觉传感器支架可调配重，实现末端执行器在X、Y、Z轴上的静平衡和动平衡，控制柔索的运动方式为直线往复运动，在保证柔索可变长度够用的情况下，结构简单，易于提高柔索控制精度，驱动单元上有两个不同位置的测力传感器，相互补偿，提高测力精度，实现模拟微重力环境下，虚拟任务物体通过末端执行器与航天员进行的力交互控制。

Description

一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置
技术领域
本发明涉及微重力环境模拟训练领域，特别涉及一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置。
背景技术
用于航天员微重力环境模拟协同作业的训练装置精度高、使用简单、拆装方便、灵活性好，但其固定平台没有较好的震动稳定性，柔索驱动单元的主流柔索控制方式为卷筒缠绕式。这种柔索控制方式控制精度相对较低，柔索可变长度取决于卷筒的直径与长度，末端执行器的工作空间一般可以做到很大，但其机械结构较为复杂，难以控制其尺寸，需要单独考虑其震动稳定性。柔索驱动并联机器人的主流力控制系统中，反馈部分是柔索驱动单元上或末端执行器上的柔索的张力，通过柔索张力变化来计算末端执行器受到的力不易满足精度要求而且算法复杂，对上位机综合算力要求高。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，创造性构思了一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，控制柔索的运动方式为直线往复运动，在保证柔索可变长度够用的情况下，结构简单，易于提高柔索控制精度，且伺服电机到柔索间传动机构为滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母，至末端执行器的力觉传感器支架可调配重，以实现末端执行器在X、Y、Z轴上的静平衡和动平衡，使柔索处于松弛状态，以提高柔索的使用寿命。
实现本发明所采用的技术方案是：一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其特征是，它包括：固定平台11000、柔索驱动单元12000、末端执行器支架13000、末端执行器14000、柔索，根据任务需要，在所述的固定平台11000的任意位置设置柔索驱动单元12000，所述的柔索驱动单元12000通过柔索与末端执行器14000连接，利用所述的柔索牵引末端执行器14000，在所述的末端执行器14000下设置末端执行器支架13000。
进一步，所述的柔索驱动单元12000包括：伺服电机12001、电机座12002、左轴承座12003、联轴器12004、主支撑体12005、滚珠丝杠12006、直线滑轨12007、驱动滑块12008、力传感器12009、辅助滑块12010、右轴承座12011、滚珠丝杠螺母12012、柔索测力单元12100、柔索导向单元12200，在所述的主支撑体12005上从左至右依次设置电机座12002、直线滑轨12007、右轴承座12011、柔索测力单元12100、柔索导向单元12200，所述的伺服电机12001与电机座12002固连，在所述的电机座12002内设置左轴承座12003，在所述的左轴承座12003与右轴承座12011间设置滚珠丝杠12006，所述的滚珠丝杠12006与伺服电机12001通过联轴器12004连接，所述的直线滑轨12007与辅助滑块12010滑动连接，在所述的辅助滑块12010上固连驱动滑块12008，所述的驱动滑块12008与滚珠丝杠12006通过滚珠丝杠螺母12012连接，所述的滚珠丝杠螺母12012与驱动滑块12008固连，在所述的驱动滑块12008上设置力传感器12009。
进一步，所述的柔索测力单元12100包括：测力滑轮12101、测力滑轮轴12102、测力滑轮支架12103、直线轴承12104、测力单元主体12105、柔索孔子滑轮组12106、压力传感器12107，在所述的测力单元主体12105上的连接筒两侧分别设置柔索孔子滑轮组12106，在所述的测力单元主体12105的连接筒内设置压力传感器12107，在所述的压力传感器12107上设置直线轴承12104，所述的直线轴承12104与测力单元主体12105的连接筒固连，在所述的直线轴承12104设置测力滑轮支架12103，所述的测力滑轮支架12103与直线轴承12104滑动连接，在所述的测力滑轮支架12103上端设置测力滑轮12101，所述的测力滑轮12101与测力滑轮支架12103通过测力滑轮轴12102连接。
进一步，所述的柔索导向单元12200包括：柔索导向滑轮12201、柔索导向支架12202、柔索导向单元底座12203、第一副导向滑轮12204、第二副导向滑轮12206，在所述的柔索导向单元底座12203内设置第一轴承，在所述的柔索导向滑轮12201设置第二轴承，所述的柔索导向支架12202上下分别设置轴头，所述的柔索导向支架12202上轴头与第一轴承内环固连，所述的柔索导向支架12202下轴头与第二轴承内环固连，所述的柔索导向支架12202可自由转动，在所述的柔索导向支架12202的连接臂内分别设置第一副导向滑轮12204和第二副导向滑轮12206。
进一步，所述的末端执行器14000包括：末端执行器框架14001、握把14003、力觉传感器支架14004、第二握把支架14005、第一握把支架14006、六轴力觉传感器14007、下力觉传感器支架14008，在所述的末端执行器框架14001设置下力觉传感器支架14008，所述的下力觉传感器支架14008上固连六轴力觉传感器14007，所述的六轴力觉传感器14007上端固连第一握把支架14006，所述的第一握把支架14006与握把14003通过第二握把支架14005固连，在所述的第一握把支架14006上设置力觉传感器支架14004，所述的力觉传感器支架14004在末端执行器框架14001内，所述的握把14003设置在末端执行器框架14001外部。
进一步，在所述的握把14003的把手上设置把套14002，所述的把套14002材质为尼龙。
本发明一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置的有益效果体现在：
1、一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其采用柔索驱动单元上有柔索导向单元，可以有效降低柔索在绕出柔索驱动单元处的摩擦；测力单元与压力传感器相连的测力滑轮支架通过直线轴承被测力单元主体上的套筒支撑，可以抵消由于柔索偏离测力滑轮中心而带来的附加弯矩，提高测力精度；
2、一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，柔索驱动单元上的所述驱动单元上有两个不同位置的测力传感器，一个是拉力传感器，一个是压力传感器，相互补偿，提高测力精度，相比于卷筒缠绕式柔索驱动单元采用滑块直接拉动柔索，在机械结构上更加简单，在且提高了该单元对柔索的位置控制精度；
3、一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其末端执行器上有六轴力觉传感器直接检测航天员与末端执行器之间的交互力，便于优化算法，有利于提高本训练装置对此交互力的控制精度，更好的实现模拟微重力环境下，虚拟任务物体通过末端执行器与航天员进行的力交互控制。
附图说明
图1是一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置三维示意图；
图2是图1中件11000三维示意图；
图3是图2中局部A三维示意图；
图4是图2中局部B三维示意图；
图5是图1中件12000三维示意图；
图6是图5中件12100三维示意图；
图7是图5中件12200三维示意图；
图8是图1中件14000三维示意图；
图中：11000.固定平台，11001.接地角铁，12000.柔索驱动单元，12001.伺服电机，12002.电机座，12003.左轴承座，12004.联轴器，12005.主支撑体，12006.滚珠丝杠，12007.直线滑轨，12008.驱动滑块，12009.力传感器，12010.辅助滑块，12011.右轴承座，12012.滚珠丝杠螺母，12100.柔索测力单元，12101.测力滑轮，12102.测力滑轮轴，12103.测力滑轮支架，12104.直线轴承，12105.测力单元主体，12106.柔索孔子滑轮组，12107.压力传感器，12200.柔索导向单元，12201.柔索导向滑轮，12202.柔索导向支架，12203柔索导向单元底座，12204.第一副导向滑轮，12205.第一副导向滑轮轴，12206.第二副导向滑轮，12207.第二副导向滑轮轴，13000.末端执行器支架，14000.末端执行器，14001.末端执行器框架，14002.把套，14003.握把，14004.力觉传感器支架，14005.第二握把支架，14006第一握把支架，14007.六轴力觉传感器，14008.下力觉传感器支架，14009.柔索固定块。
具体实施方式
以下结合附图1-附图8和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照附图1和附图5所示，一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其包括固定平台11000、柔索驱动单元12000、末端执行器14000和末端执行器支架13000，固定平台11000上平面和下平面的四个边上各设置一个柔索驱动单元12000，柔索驱动单元12000包括滚珠丝杠12006和滚珠丝杠螺母12012、通过滚珠轴承设置在滚珠丝杠12006左端的左轴承座12003、通过滚珠轴承设置在滚珠丝杠右端的右轴承座12011、通过螺钉连接设置在左轴承座12003下方的电机座12002、通过螺钉连接和联轴器12004设置在左轴承座12003左边并与滚珠丝杠12006连接的伺服电机12001、通过螺钉连接设置在滚珠丝杠螺母12012上的驱动滑块12008、通过螺钉连接设置于驱动滑块12008上的力传感器12009、通过螺钉连接设置于驱动滑块12008下的辅助滑块12010、通过螺钉连接设置于左轴承座12003和右轴承座12011下的主支撑体12005、通过螺钉连接设置于主支撑体上12005并在左轴承座12003与右轴承座12011之间的直线滑轨12007、通过螺钉连接设置于主支撑体12005上的柔索测力单元12100、通过螺钉连接设置于主支撑体上的柔索导向单元12200，末端执行器14001包括末端执行器框架14001、通过螺钉连接设置于框架内部的下力觉传感器支架14008、通过螺钉连接设置于下力觉传感器14008上的六轴力觉传感器14007、通过螺钉连接设置于六轴力觉传感14007上的第一握把支架14006、通过螺钉连接设置于第一握把支架14006上的第二握把支架14005、被第一握把支架14006和第二握把支架14005卡紧的握把14003、通过螺钉连接设置于框架内部的上力觉传感器支架14004。
参照附图2、附图3和附图4所示，所述固定平台起支撑作用的零件均采用铝型材，铝型材之间由不同角度的角铁通过螺钉连接固定，角铁的连接方式均如附图3中局部放大图A所示，所述固定平台的四个接地顶点均有四对地脚螺栓固定于地面，每一对地脚螺栓连接均如附图4中的局部放大图B所示。所述柔索驱动单元的主支撑体12005由铝型材加工而成，其底面有给接地角铁11001让出空间的凹槽。
参照附图6所示，所述柔索测力单元12100包括：带有套筒的测力单元主体12105、通过螺钉连接设置于测力单元主体12105套筒内的压力传感器12107、通过螺钉连接设置于压力传感器12107上，同时通过直线轴承12104固定于测力单元主体12105套筒内的测力滑轮支架12103、通过弹簧挡圈设置于测力滑轮支架12103轴孔中的测力滑轮轴12102、通过滚珠轴承连接设置于测力滑轮轴中心的测力滑轮12101、对称布置的柔索孔子控制滑轮组12106。
参照附图7所示，所述柔索导向单元12200包括：柔索导向单元底座12203、通过轴承连接设置于柔索导向单元底座12203轴心的柔索导向支架12202、通过轴承连接设置于柔索导向支架12202上的柔索导向滑轮12201、通过弹簧挡圈设置于柔索导向支架12202轴孔内的第一副导向滑轮轴12205、通过轴承设置于第一副导向滑轮轴12205中心的第一副导向滑轮12204、第二副导向滑轮12206与第二副导向滑轮轴12207同第一副导向滑轮12204与第一副导向滑轮12205。
参照附图8所示，所述的末端执行器14000包括：末端执行器框架14001、握把14003、力觉传感器支架14004、第二握把支架14005、第一握把支架14006、六轴力觉传感器14007、下力觉传感器支架14008，在所述的末端执行器框架14001设置下力觉传感器支架14008，所述的下力觉传感器支架14008上固连六轴力觉传感器14007，所述的六轴力觉传感器14007上端固连第一握把支架14006，所述的第一握把支架14006与握把14003通过第二握把支架14005固连，在所述的第一握把支架14006上设置力觉传感器支架14004，所述的力觉传感器支架14004在末端执行器框架14001内，所述的握把14003设置在末端执行器框架14001外部。在所述的握把14003的把手上设置把套14002，所述的把套14002材质为尼龙。
所述末端执行器框架14001主要由铝型材与90°角铁连接而成，末端执行器框架14001上有8个用于连接柔索的柔索固定块14009，柔索固定块14009设置在末端执行器框架14001的上顶面的四个顶点和下底面的四个顶点。
一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置操作步骤如下：
步骤一：技术人员根据训练任务要求，在所述训练装置的控制系统中设置好虚拟任务环境；步骤二：技术人员通知所述训练装置周围人员撤离并启动训练装置；
步骤三：技术人员在确认设备正常工作后将末端执行器支架移出所述训练装置；
步骤四：航天员佩戴VR设备进入所述训练装置并开始训练；
步骤五：结束训练后，技术人员带领航天员安全离开，并将末端执行器支架移回所述训练装置中央；
步骤六：技术人员将所述训练装置复位，并将末端执行器卡入末端执行器相应的沟槽后将所述训练装置断电。
本发明所采用的计算机及电气控制系统均属于现有技术。
以上所述仅是本发明的优选方式，而非限制性的，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，甚至等效，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其特征是，它包括：固定平台(11000)、柔索驱动单元(12000)、末端执行器支架(13000)、末端执行器(14000)、柔索，在所述的固定平台(11000)的任意位置设置柔索驱动单元(12000)，所述的柔索驱动单元(12000)通过柔索与末端执行器(14000)连接，利用所述的柔索牵引末端执行器(14000)，在所述的末端执行器(14000)下设置末端执行器支架(13000)。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其特征是，所述的柔索驱动单元(12000)包括：伺服电机(12001)、电机座(12002)、左轴承座(12003)、联轴器(12004)、主支撑体(12005)、滚珠丝杠(12006)、直线滑轨(12007)、驱动滑块(12008)、力传感器(12009)、辅助滑块(12010)、右轴承座(12011)、滚珠丝杠螺母(12012)、柔索测力单元(12100)、柔索导向单元(12200)，在所述的主支撑体(12005)上从左至右依次设置电机座(12002)、直线滑轨(12007)、右轴承座(12011)、柔索测力单元(12100)、柔索导向单元(12200)，所述的伺服电机(12001)与电机座(12002)固连，在所述的电机座(12002)内设置左轴承座(12003)，在所述的左轴承座(12003)与右轴承座(12011)间设置滚珠丝杠(12006)，所述的滚珠丝杠(12006)与伺服电机(12001)通过联轴器(12004)连接，所述的直线滑轨(12007)与辅助滑块(12010)滑动连接，在所述的辅助滑块(12010)上固连驱动滑块(12008)，所述的驱动滑块(12008)与滚珠丝杠(12006)通过滚珠丝杠螺母(12012)连接，所述的滚珠丝杠螺母(12012)与驱动滑块(12008)固连，在所述的驱动滑块(12008)上设置力传感器(12009)。
3.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其特征是，所述的柔索测力单元(12100)包括：测力滑轮(12101)、测力滑轮轴(12102)、测力滑轮支架(12103)、直线轴承(12104)、测力单元主体(12105)、柔索孔子滑轮组(12106)、压力传感器(12107)，在所述的测力单元主体(12105)上的连接筒两侧分别设置柔索孔子滑轮组(12106)，在所述的测力单元主体(12105)的连接筒内设置压力传感器(12107)，在所述的压力传感器(12107)上设置直线轴承(12104)，所述的直线轴承(12104)与测力单元主体(12105)的连接筒固连，在所述的直线轴承(12104)设置测力滑轮支架(12103)，所述的测力滑轮支架(12103)与直线轴承(12104)滑动连接，在所述的测力滑轮支架(12103)上端设置测力滑轮(12101)，所述的测力滑轮(12101)与测力滑轮支架(12103)通过测力滑轮轴(12102)连接。
4.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其特征是，所述的柔索导向单元(12200)包括：柔索导向滑轮(12201)、柔索导向支架(12202)、柔索导向单元底座(12203)、第一副导向滑轮(12204)、第二副导向滑轮(12206)，在所述的柔索导向单元底座(12203)内设置第一轴承，在所述的柔索导向滑轮(12201)设置第二轴承，所述的柔索导向支架(12202)上下分别设置轴头，所述的柔索导向支架(12202)上轴头与第一轴承内环固连，所述的柔索导向支架(12202)下轴头与第二轴承内环固连，所述的柔索导向支架(12202)可自由转动，在所述的柔索导向支架(12202)的连接臂内分别设置第一副导向滑轮(12204)和第二副导向滑轮(12206)。
5.根据权利要求1、2、3或权利要求4所述的一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其特征是，所述的末端执行器(14000)包括：末端执行器框架(14001)、握把(14003)、力觉传感器支架(14004)、第二握把支架(14005)、第一握把支架(14006)、六轴力觉传感器(14007)、下力觉传感器支架(14008)，在所述的末端执行器框架(14001)设置下力觉传感器支架(14008)，所述的下力觉传感器支架(14008)上固连六轴力觉传感器(14007)，所述的六轴力觉传感器(14007)上端固连第一握把支架(14006)，所述的第一握把支架(14006)与握把(14003)通过第二握把支架(14005)固连，在所述的第一握把支架(14006)上设置力觉传感器支架(14004)，所述的力觉传感器支架(14004)在末端执行器框架(14001)内，所述的握把(14003)设置在末端执行器框架(14001)外部。
6.根据权利要求5所述的一种刚柔耦合式微重力环境模拟训练装置，其特征是，在所述的握把(14003)的把手上设置把套(14002)，所述的把套(14002)材质为尼龙。
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