CN114162355A - 一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件及模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，体感微低重力模拟装置包括重力平衡组件、主动补偿组件，重力平衡组件受缓冲组件提供的弹性势能实现重力平衡，重力平衡组件至少包括具有一个自由度的平行四边形结构，体感微低重力模拟装置包括主动补偿组件，主动补偿组件设置在平行四边形结构的至少一个关节点，向重力平衡组件提供与体感微低重力模拟装置产生的附加力矩方向相反的补偿力矩；其中，关节点设置为平行四边形结构相邻连接杆的连接处。本发明根据获得的重力模拟装置产生的附加力矩，输出主动补偿力矩，使得补偿力矩能够抵消或者减小附加力矩值，提高微低重力模拟装置的模拟精度，达到理想的微低重力状态。

Description

一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件及模拟装置

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体地说，涉及一种一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件及模拟装置，实用于空间站在月球表面、火星表面其他失重环境下的模拟训练。

背景技术

随着航天空技术的发展，所有的载人空间探索活动不仅需要在航天工程上进一步创新发展，还需要对宇航员进行训练，以帮助其熟悉在太空或外星球执行任务的微重力或低重力环境。目前宇航员在地模拟低重力环境的的实验系统主要有自由落体运动、抛物线飞行实验系统、中性水池实验系统、吊丝配重式实验系统、超导磁体悬浮实验系统、气悬浮实验系统、虚拟现实技术验系统等。航天任务验证和航天员在地微重力模拟训练需求增大，地面微重力模拟是伴随着航天技术发展而出现的一个新的研究领域，相比于数字仿真与理论分析，通过微重力模拟所得到的实验结果更具有真实性与可靠性。

美国专利的公开号为（US8152699B1）的专利提供一种用于重力平衡装置的装置和方法，该重力平衡装置利用机械结构之间组合运动的实现的微重力模拟，用于训练人类进行空间探测和其它应用，包括容易调节的弹簧装置，弹簧安装后，装置实施例建造成本较低，操作安全、可靠性高、持续时间长等优势，并可适用于多种应用，以供人们在较低或零重力环境中体验步行。但由于重力模拟装置的弹簧组由多根弹簧组成，总质量可达几十千克，弹簧重力对模拟的精度也会产生较大的影响，同时该装置本身的重力和宇航员的重力不可避免地会存在摩擦和惯性，在实验中发现这些支撑装置本身存在的摩擦和惯性力有时很大，严重的影响了模拟的精度，降低了模拟试验的精确度。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种主动补偿组件，根据重力模拟装置产生的附加力矩，输出主动补偿力矩，使得补偿力矩能够抵消或者减小附加力矩值，提高微低重力模拟装置的模拟精度，达到理想的微重力状态。

本发明的另一目的是提供一种体感微低重力模拟装置，包括上述的主动补偿组件。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，所述体感微低重力模拟装置包括重力平衡组件、主动补偿组件，所述重力平衡组件受缓冲组件提供的弹性势能实现重力平衡，所述重力平衡组件至少包括具有一个自由度的平行四边形结构，所述体感微低重力模拟装置包括主动补偿组件，所述主动补偿组件设置在所述平行四边形结构的至少一个关节点，向所述重力平衡组件提供与所述体感微低重力模拟装置产生的附加力矩方向相反的补偿力矩；其中，所述关节点设置为所述平行四边形结构相邻连接杆的连接处。

进一步地，所述平行四边形的连接杆与所述关节点的周向相连接，相邻连接杆以所述关节点为轴相互转动。

进一步地，所述关节点设置为转动轴承，所述关节点的中心与所述轴承轴心重合。

进一步地，所述主动补偿组件包括第一主动补偿组件和第二主动补偿组件，所述平行四边形结构还包括相互平行的第一立杆和第二立杆，所述第一主动补偿组件设置在所述第一立杆的一个关节点处；所述第二主动补偿组件设置在所述第二立杆的一个关节点处。

进一步地，所述附加力矩至少包括重力平衡组件和人机接口重力力矩、装置的摩擦力距、位移产生的惯性力矩中的一种或一种以上的组合。

进一步地，所述重力力矩根据所述平行四边形结构的关节点的角位移信息确定；和/或，

所述惯性力矩根据所述平行四边形结构的关节点的角速度信息和角加速度信息确定；和/或

所述摩擦力矩根据所述平行四边形结构的关节点的正压力信息确定。

进一步地，所述主动补偿组件包括：

驱动构件，所述驱动构件的驱动轴与所述轴承的轴心相配合，所述驱动轴带动所述轴承反向旋转，向所述关节点输出反向补偿力矩。

进一步地，所述驱动构件包括电机，所述电机的输出轴的一端设置有卡凸，所述轴承的轴心设置有与所述卡凸相配合的卡槽。

进一步地，所述主动补偿组件还包括：传感器，所述传感器分别与所述电机的输出轴及所述关节点相连接，所述传感器至少用于检测所述关节点的角位移信息。

本发明的第二目的是提供一种体感微低重力模拟装置，包括上述体感微低重力模拟装置的主动补偿组件。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明通过在关节点上设置有主动补偿组件，使得体感微低重力模拟装置在运行时，能够消除或降低体感微低重力模拟装置产生的额外的摩擦力矩、重力力矩和惯性力矩，提高了重力模拟装置的模拟的精度，提高客户的体验。

2、本发明中将两个主动补偿组件设置在不同的平行四边形结构的不同的关节点，能够检测不同的平行四边形结构的关节点的转角信息，提高检测的精度，从而确保主动补偿的效果。

3、本发明中通过将补偿力矩细化为重力力矩、摩擦力矩和惯性力矩，使得用户有针对性进行调整，提高补偿效率。

4、本发明将主动补偿组件设置有传感器和电机，提高模拟装置的精度，便于用户快速补偿。

5、本发明提供的体感微低重力模拟装置能够模拟以人体在空间站多种失重环境及未来月球、火星与小行星等低重力环境(即可调节的重力范围为0-1g)，并且具有灵活性高、成本低、安全性好且重力可调等优势。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：

图1是本发明体感微低重力模拟装置的结构示意图；

图2是本发明体感微低重力模拟装置的工作原理示意图；

图3是本发明主动补偿组件的结构示意图。

图中：10、支撑框架；11、安装框；20、缓冲组件；21、第一缓冲组件；22、第二缓冲组件；30、调节组件；31、调节框架；32、调节构件；40、传动组件；50、重力平衡组件；51、第一平行四边形结构；511、第一凸出部；52、第二平行四边形结构；521、第二凸出部；522、第一立杆；523、第二立杆；60、人机接口组件； 70、主动补偿组件； 72、传感器；73、电机； 731、输出轴；7311、卡凸；701、第一主动补偿组件；702、第二主动补偿组件。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明提供一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件。

具体地，所述体感微低重力模拟装置包括重力平衡组件50、主动补偿组件70，所述重力平衡组件50至少包括具有一个自由度的平行四边形结构，所述主动补偿组件70向重力平衡组件50提供与所述体感微低重力模拟装置产生的附加力矩方向相反的补偿力矩。

主动补偿组件70具体的工作原理如下：详细地，系统的总势能由机构的重力势能、宇航员的重力势能和弹簧的弹性势能组成，其表达式为：

V _TOTAL =V _MG +V _BG +V _S =Constant

式中，V _MG 为重力平衡组件重力势能，V _BG 为宇航员重力势能，V _S 为弹簧的弹性势能，C为正常数。

宇航员进行训练过程中通常采取跳跃和浮动的状态进行失重模拟，为保证系统的总势能不随宇航员的运动状态改变，需满足条件C _i =0(i=1,2)，当微重力模拟装置参数和宇航员质量确定后，可通过合理的选取弹簧刚度k ₁ 、k ₂ ，使得系统的总势能独立于构型变量θ ₁ 、θ ₂ ，即在任意构型下均能满足系统的总势能守恒。

也就是说，装置运行时，关节摩擦会使系统总势能不断地减小，导致失重模拟的性能逐渐降低，如在模拟完全失重时，理论上宇航员将处于自由漂浮状态，但装置自身的重力和摩擦力会让这种状态难以维持。宇航员的运动状态发生改变时，由于其与机构固连在一起，宇航员需要提供额外的力带动重力平衡组件50运动，使得重力平衡组件50的关节点会产生一定的角速度和角加速度，也即，产生一定的附加力矩，进而导致重力平衡组件50会让宇航员产生“拉拽感”。

基于上述的装置和宇航员产生的附加力矩，主动补偿组件70可以设置在重力平衡组件50的连接杆的任意位置上，一般来说，装置和宇航员产生的附加力矩一重力力矩为主，即方向向下，因此可以通过向上的拉力对装置和宇航员形成一定的补偿。在装置运行时，模拟装置和宇航员的质量是固定的，由此，可以初步计算宇航员模拟运动时，计算相应的重力力矩，根据上述重力力矩值向连接杆上施加方向向上的拉力，即，拉力能够部分或全部抵消重力势能，宇航员也会产生一定的失重效果，但是，误差范围较大，模拟精度不高。

或者，在另一实施方式中，主动补偿组件70也可以设置在相邻两个连接杆的关节点；并且，在关节点上可以设置为简单的电机，在装置运行时，通过在计算装置的质量和宇航员的质量之后带入相应的公式中并计算相应的重力力矩，此时，关节点在重力力矩的影响下旋转一个角度，然后将电机按预设角度反向旋转关节点，一般来说，预设的角度是根据电机轴确定的，模拟精度不高；再或者，主动补偿组件70也可以设置为其他结构，只要能够对重力平衡组件50进行补偿即可，则对主动补偿组件70的设置位置和具体结构不做具体的限定。

优选地，所述平行四边形的连接杆与所述关节点的周向方向转动连接。

需要说明的是，关节点设置在相邻两个连接杆的中心位置，任一侧的连接杆受力移动时，关节点会随着连接杆的移动发生转动，装置运行时，宇航员的运动，平行四边形结构会向内收缩或向外伸展移动，即，平行四边形结构的连接杆产生向外的拉力，带动关节点围绕轴心方向旋转，优选地，关节点会沿逆时针方向转动。

优选地，所述关节点设置为转动轴承，所述关节点的中心与所述轴承轴心重合。

需要说明的是，关节点处优选设置一个轴承，并且轴承侧壁分别与相邻的连接杆相连接，会带动轴承沿轴向方向一同转动，一般来说，轴承设置在两个连接杆的中心处，即，相邻连接杆围绕关节点转动连接，降低了相邻连接杆围绕关节点转动时之间的摩擦力，使得更容易转动。

也就是说，主动补偿组件70可以仅设置一个，且设置在平行四边形结构的任意关节点位置，即，此时检测的关节点的转角信息为一个平行四边形结构的附加力矩值；或者，主动补偿组件70也可以设置为多个。

需要说明的是，平行四边形结构的关节点是通过相互作用的轴承连接的，也就是说，主动补偿组件70设置在关节点的轴承的轴心线，这样一来，能够提高了检测附加力矩的精度值，减小检测误差。

优选地，所述主动补偿组件70包括第一主动补偿组件701和第二主动补偿组件702，所述平行四边形结构还包括相互平行的第一立杆522和第二立杆523，所述第一主动补偿组件701设置在所述第一立杆522的一个关节点处；所述第二主动补偿组件702设置在所述第二立杆523的一个关节点处。

可以理解的是，第一主动补偿组件701和第二主动补偿组件702可以分别设置在双平行四边形结构的第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52的下部两个关节点，或者，第一主动补偿组件701和第二主动补偿组件702也可以设置在平行四边形结构的第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52上部的两个关节点，再或者，第一主动补偿组件701和第二主动补偿组件702分别设置在第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52上下两端的关节点上，并且这两个关节点的连线方向与竖直方向存在夹角，等等，优选地，第一主动补偿组件701和第二主动补偿组件702分别设置在平行四边形结构的第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52下端的两个关节点上，并且这两个关节点位于平行四边形结构的长边上。

也就是说，这两个关节点转角的信息能够代表第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52的关节点的变化情况，能够保证关节点的转角信息的精确度，确保主动补偿的效果，提高用户的体验。

优选地，附加力矩至少包括重力平衡组件和人机接口重力力矩、装置的摩擦力矩、位移产生的惯性力矩中的一种或一种以上的组合。

需要说明的是，附加力矩可以仅包括重力平衡组件50和人机接口60的重力力矩，也可以仅包括装置的摩擦力矩产生，或者还可以为重力平衡组件50和人机接口的重力力矩和位移产生的惯性力矩的矢量之和，再或者，附加力矩也可以为重力力矩、惯性力矩和摩擦力力矩的矢量之和，等等，只要能够对平行四边形结构的关节点进行补偿即可。优选地，附加力矩包括重力平衡组件50和人机接口60重力力矩、装置的摩擦力矩和位移产生的惯性力矩，也就是说，附加力矩为重力平衡组件50和人机接口60的重力力矩、装置的摩擦力矩和位移产生的惯性力矩的矢量和，提高了模拟装置的补偿精度，提高用户的体验。

优选地，所述重力力矩根据所述平行四边形结构的关节点的角位移信息确定；和/或，所述惯性力矩根据所述平行四边形结构的关节点的角速度信息和角加速度信息确定；和/或，所述摩擦力矩根据所述平行四边形结构的关节点的正压力信息确定。

根据大量的试验表明，补偿的重力力矩与平行四边形结构的关节点的角位移值相关。

另外，弹簧具有一定的重力，将弹簧重力考虑在内，根据Lagrange方程法导出的动力学模型的公式改写为：

式中，

，

；

为正定、对称的惯量矩阵，

为科氏力和离心力列向量，

为重力项，

为弹簧 位移矩阵，

，τ _i (i=1,2)为第i个电机的补偿力矩，

为宇航员质心的运 动Jacobian矩阵，

为宇航员所受外力，m _ki 为第i根弹簧的质量，

。

具体地，所述重力力矩的公式为

，其中，χ ₁ 、χ ₂ 为两弹簧 的弹性系数，Z ₁₁ 、Z ₁₂ 为两平行四边形关节点的转角，m _k1 、m _k2 为两弹簧的质量，l ₁ 、l ₂ 为两平行 四边形结构的杆长度，d ₁ 、d ₂ 为两弹簧上端连接点距两平行四边形结构关节点的距离，如图2 所示，在主动补偿组件运行过程中，重力补偿力矩随着平行四边形结构关节点的转角的变 化而变化，其他的参数均为固定值，在平行四边形结构和弹簧保持不变时，其他参数测量一 次并保存相应的数据，在试验过程中仅测量两平行四边形关节点的转角信息即可。

需要说明的是，平行四边形结构的关节点的位移变化信息和角速度、角加速度信息实时进行检测，可以在数据异常时及时对补偿组件进行调整，从而确保主动补偿的效果，提高工作效率，提高试验数据的精度值。

优选地，惯性力力矩的公式为

其中Z ₁₁ 、Z ₁₂ 为Z ₁ 的元素，

为

的元素，M ₁₁ 、M ₁₂ 、M ₂₁ 、M ₂₂ 为M(z ₁ )的元素，H ₁₁ 、 H ₁₂ 、H ₂₁ 、H ₂₂ 为H（z ₁，z ₂）中的元素。

需要说明的是，受空间限制该系统只安装有位置测量单元，且考虑到惯性力的二阶非线性将使其在实际中无法测量，因此通过观测模拟装置的角加速度和角加速度，从而得出模拟装置在运动过程产生的惯性力；或者也可以通过检测关节点的角位移信息，然后根据数学公式计算关节点的角速度、角加速度值；从而得出模拟装置在运动过程产生的惯性力，等等，只要能够计算出相应的惯性力力矩即可。

优选地，摩擦力矩的公式为

，其中，μ为摩擦系数，F _N 为关节点所受正压 力， d ₀ 为轴承的公称内径。

本实施例中，摩擦力矩也可以通过经验公式利用角速度和角加速度值算出，或者，可以通过测量轴承受到的正压力值，计算摩擦力矩，优选地，通过经验公式计算摩擦力矩，能够保证摩擦力矩的精确度的同时，安装结构简化，同时有效降低了传感器的安装数量。

将模拟装置的动力学模型的状态空间方程：

式中，

。

因此，设计如下形式的观测器：

式中，

分别为Z ₁ 、Z ₂ 的观测值，

。

电机的补偿力矩为：

τ _m =τ _G +τ _f +τ _I

式中，τ _G 为补偿的重力力矩，τ _f 为补偿的摩擦力力矩，τ _I 为补偿的惯性力力矩。

本发明根据大量的试验表明，补偿的重力力矩与平行四边形结构的关节点的角位移值相关。需要说明的是，关节点的位移变化信息和角速度、角加速度信息实时进行检测，提高了检测数据的准确性，可以在数据异常时及时对补偿组件进行调整，从而确保主动补偿的效果，提高工作效率，提高试验数据的精度值。

还需要说明的是，受空间限制该系统只安装有位置测量单元，且考虑到惯性力的二阶非线性将使其在实际中无法测量，因此通过检测模拟装置的角加速度和角加速度，从而得出模拟装置在运动过程产生的惯性力；或者也可以通过检测关节点的角位移信息，然后根据数学公式计算关节点的角速度、角加速度值；从而得出模拟装置在运动过程产生的惯性力，等等，只要能够计算出相应的惯性力力矩即可。

本实施例中，摩擦力矩也可以通过经验公式利用角速度和角加速度值算出，或者，可以通过测量轴承受到的正压力值，计算摩擦力矩，优选地，通过经验公式计算摩擦力矩，安装结构简化，降低了安装成本。

优选地，所述驱动构件包括电机73，所述电机73的输出轴731的一端设置有卡凸7311，所述轴承的轴心设置有与所述卡凸7311相配合的卡槽。

需要说明的是，电机73的输出轴731与轴承相配合能够带动轴承轴向转动，详细的，电机73的输出轴731上设置有卡凸7311，轴承的轴心的内侧设置有卡槽，并且卡凸7311可以设置有一个，也可以设置为两个，还可以设置为多个，并且，多个卡凸7311均匀分布在电机的输出轴73的周向，对应地，多个卡槽均匀地设置在轴承的内径，卡凸7311与卡槽相适配；或者，电机73的输出轴731与轴承也可以设置为相互配合的花键轴和花键套，等等，只要电机73输出反向补偿力矩时，电机73的输出轴731能够带动关节点的轴承反向旋转，实现对关节点的进行补偿，则对输出轴731与轴承的相互配合结构不做具体限定。优选地，输出轴731端部的一侧设置有卡凸7311，轴承的对应位置设置有卡槽，安装结构简单，能够提高安装效率。

另一实施例中，主动补偿组件70还包括减速机，减速机的减速机轴与电机73的输出轴731并行设置，并且，减速机的一端与电机73连接，减速机的另一端与关节点的轴承相互配合转动连接，驱动轴承转动，并带动平行四边形的连接杆转动；在主动补偿启动时，启动电机反向转动，通过减速机降低轴承的转动速度，更佳有利于关节点的轴承转动至补偿力矩需要的角度，这样一来，降低了对输出电机的要求。

优选地，所述主动补偿组件70还包括：传感器72，所述传感器72分别与所述电机73的输出轴731及所述关节点相连接，所述传感器72至少用于检测所述关节点的角位移信息。

示例性地，传感器72可以设置为观测器，观测器可以实时观测模拟装置的各关节点的转角信息，并通过主控器反馈至弹簧重力补偿模型、摩擦力补偿模型、惯性力补偿模型来计算出对应的补偿力矩，然后将得到的力矩信息实时的发送给模拟装置的电机73，使电机73输出反向驱动力矩来抵消模拟装置因动力学特性而产生的附加力矩，从而实现模拟精度的提升。

需要说明的是，传感器72可以设置为一个，或者传感器72也可以设置为多个，并且，传感器72可以设置为一种，或者传感器72也可以设置为多种的组合，等等，优选地，传感器72可以设置为扭矩传感器和位移传感器的组合，能够同时检测关节点的角位移、角速度和角加速度信息，提高检测数据的准确性。

本实施例中，主动补偿组件70还可以设置有解码器，且与主控器和观测器通讯连接，观测器的信息可以以脉冲的形式发送给解码器，解码器将关节点的转角信息分别传输至主控器。一般来说，解码器可以与观测器同轴设置在关节点上，或者，解码器也可以集成在主控器上；当然，解码器优选和观测器同轴设置在关节点的轴心线上，有利于提高解码器的效率，能够准确获取观测器的转角信息，并将获取的关节点的角度和角加速度的信信息反馈至主控器，缩短了主动补偿的时间，提高主动补偿效率。

优选地，主控器（图中未示出）包括多个子控器，多个子控器分别控制不同的模块，便于对主控器进行拆装。

需要说明的是，主控器设置为模块化，也就是说，主控器由多个子控器，详细地，多个子控器可以和主控器集成在一块，或者多个子控器也可以分别设置不同的位置，并且，每个子控器可以分别控制不同的模块，提高了子控器的控制精度，在不同模块损坏需要更换时，可以准确快速的更换，提高安装和维修的效率，节约了维修成本，用户使用方便。

可以理解的是，主动补偿组件70还可以设置有充电电池，一般来说，充电电池可以设置在平行四边形结构的关节点上，或者，充电电池也可以设置在平行四边形结构的连接杆上，再或者，充电电池还可以设置在平行四边形结构的其他位置，等等，并且，充电电池可以设置为一个，或者，充电电池也可以设置为两个，再或者，充电电池还可以设置为多个，与之对应地，电源转换器可以设置为一个，且电源转换器的输出端分别与电机和主控器电连接，或者，电源转换器也可以设置为两个，再或者，电源转换器还可以设置为多个，且每个电源转换器分别与电机73和主控器电连接，优选地，充电电池和电源转换器均设置为两个，可以分别控制电机73和主控器，使得电机73和主控器在运行时，彼此电源之间不形成干涉作用，提高电机73和主控器的使用效率，确保电机73和主控器正常运行。

实施例二

如图1所示，本实施例提供一种体感微低重力模拟装置，它包括支撑框架10，调节组件30，缓冲组件20、重力平衡组件50及人机接口组件60。支撑框架10固定在地板上，调节组件30和缓冲组件20设置在支撑框架10内，缓冲组件20的底部和调节组件30的底部分别与支撑框架10的底部固定连接，重力平衡组件50的一端与调节组件30的外侧壁固定连接，并且与缓冲组件20的顶部相连接，重力平衡组件50的另一端的端部与人机接口组件60固定连接。

本发明提供的体感微低重力模拟装置能够模拟以人体在空间站多种失重环境及未来月球、火星与小行星等低重力环境(即可调节的重力范围为0-1g)，并且具有灵活性高、成本低、安全性好且重力可调等优势。

优选地，重力平衡组件50受缓冲组件20的提供的弹性势能从而实现重力平衡，缓冲组件20设置在平行四边形结构内，即，缓冲组件20的两端均分别与平行四边形结构的立杆相连接；或者，缓冲组件20也可以设置在平形四边形结构之外。

需要说明的是，缓冲组件20设置在支撑框架内，并且缓冲组件20拉伸时调节框架31对其不形成干涉作用，进一步地，缓冲组件20设置在调节框架31下方，优选地，缓冲组件20的设置位置与安装通孔的位置相适应，详细地，缓冲组件20围成的截面形状与安装通孔的形状相适应，并且所述支撑框架10内设置有一端与支撑框架10连接向平行四边形结构的自由端提供势能的，用于对平行四边形结构的自由度进行调节，以及将缓冲组件20势能通过重力平衡组件50传递至的人机系统的传动组件40，所述缓冲组件20可对重力平衡组件50的平衡和人机系统的重力进行部分或者全部的补偿。

在本实施例中，所述缓冲组件20向重力平衡组件50补偿的作用力不完全能够抵消重力平衡组件50受到人机系统向其造成作用力，所述重力平衡组件50上还设置主动补偿组件70，所述主动补偿组件70可向重力平衡组件50提供缓冲组件20未能完全抵消的部分作用力以及重力平衡组件50运行中受到的其他作用力。

本实施例中，所述体感微低重力模拟装置包括沿高度方向延伸的支撑框架10和独立于所述支撑框架10的重力平衡组件50，所述调节组件30包括：调节框架31，所述调节框架31沿高度方向上下滑动地设置在所述支撑框架10内，所述调节框架31与所述重力平衡组件50的一端相连接，调整所述重力平衡组件50的离地高度。

需要说明的是，调节框架31优选设置在所述支撑框架10内且与所述支撑框架10的内侧相连接。具体地，调节框架31可以设置为上下平行的矩形架，或者调节框架31也可以设置为锥台形架，再或者，调节框架31也可以仅设置为单层的调节板。优选地，调节框架底板的形状与该处支撑框架10的横截面的形状相适应，一般来说，调节框架底板的每个边的长度和宽度均略小于支撑框架10的对应的横截面的长度，有利于调节框架底板上下滑动，滑动的距离与空间站的工作平台高度相适应，提高了调节组件30的调节范围。

优选地，所述调节组件30还包括：调节构件32，所述调节构件32带动所述调节框架31相对支撑框架10滑动。

需要说明的是，调节构件32可以设置在调节框架31的上部的中心线上，或者调节构件也可以设置在调节框架31的四周的位置，并且调节构件32可以设置为一个，或者调节构件32也可以设置为两个，再或者，调节构件32还可以设置为四个，等等，这种对调节构件32的位置和具体数量的形式的调整和改变并不偏离本发明的原理和范围，均应限定在本发明的保护范围之内。

优选地，所述调节构件32的一端与所述支撑框架10相连接，所述调节构件32的另一端沿高度方向向上延伸并与所述支撑框架10的转动连接，驱动所述调节构件32转动以带动所述调节框架31滑动。

在本实施例中，体感微低重力模拟装置还设置有传动组件40，一般来说，传动组件40的一端与缓冲组件20的一端固定连接，向上延伸穿过调节组件30的安装通孔，并绕过换向结构沿重力平衡组件50的延伸方向向前延伸与平行四边形结构的前端的立杆的任意位置固定，这样一来，传动组件40在传动过程中仅与换向结构滑动连接，降低了传动组件40的传动过程中损耗的摩擦力。需要说明的是，在重力平衡组件50上设置凸出部，所述凸出部从重力平衡组件50的一侧的立杆的顶部沿竖直方向向上延伸，进一步地，所述第一平行四边形结构51上设置第一凸出部511，所述第一凸出部511可以设置于第一平行四边形结构51与第二平行四边形结构52共用的第一立杆522顶部，第二凸出部521设置于第二平行四边形结构52与支撑框架10连接的一侧的顶部，也即，第二凸出部521也可以设置于第二立杆523顶部。

所述第一凸出部511和第二凸出部521上设置换向结构，所述传动组件40绕过换向结构后，才能够与之相对应的平行四边形结构固定连接，所述换向结构相对于凸出部可相对移动，通过换向结构沿凸出部的上下移动。

在本实施例中，在重力平衡组件50的关节点处还设置主动补偿组件70，其中主动补偿组件70与关节点的连接处设置有相互配合的结构，例如，可以为卡凸和卡槽配合，或者，也可以设置为花键轴与花键套配合，只要能够向重力平衡组件50的关节点提供的反向作用力，能够对人机系统对重力平衡组件50产生的作用力进行完全抵消或部分抵消时，使得微低重力模拟装置在对模拟量进行调节时，提升调节模拟量的精确度，减小与理想的微低重力状态之间的差距。

需要说明的是，平行四边形结构的关节点是通过相互作用的轴承连接的，也就是说，主动补偿组件70设置在关节点的轴承的轴心线，这样一来，能够提高了检测附加力矩的精度值，减小检测误差。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，所述体感微低重力模拟装置包括重力平衡组件、主动补偿组件，所述重力平衡组件受缓冲组件提供的弹性势能实现重力平衡，所述重力平衡组件至少包括具有一个自由度的平行四边形结构，其特征在于，所述体感微低重力模拟装置包括主动补偿组件，所述主动补偿组件设置在所述平行四边形结构的至少一个关节点，向所述重力平衡组件提供与所述体感微低重力模拟装置产生的附加力矩方向相反的补偿力矩；

其中，所述关节点设置为所述平行四边形结构相邻连接杆的连接处。

2.根据权利要求1所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述平行四边形的连接杆与所述关节点的周向相连接，相邻连接杆以所述关节点为轴相互转动。

3.根据权利要求2所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述关节点设置为转动轴承，所述关节点的中心与所述轴承轴心重合。

4.根据权利要求3所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述主动补偿组件包括第一主动补偿组件和第二主动补偿组件，所述平行四边形结构还包括相互平行的第一立杆和第二立杆，所述第一主动补偿组件设置在所述第一立杆的一个关节点处；所述第二主动补偿组件设置在所述第二立杆的一个关节点处。

5.根据权利要求4所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述附加力矩至少包括重力平衡组件和人机接口的重力力矩、装置的摩擦力矩、位移产生的惯性力矩中的一种或一种以上的组合。

6.根据权利要求5所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述重力力矩根据所述平行四边形结构的关节点的角位移信息确定；和/或，

所述惯性力矩根据所述平行四边形结构的关节点的角速度信息和角加速度信息确定；和/或

所述摩擦力矩根据所述平行四边形结构的关节点的正压力信息确定。

7.根据权利要求6所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述主动补偿组件包括：

驱动构件，所述驱动构件的驱动轴与所述轴承的轴心相配合，所述驱动轴带动所述轴承反向旋转，向所述关节点输出反向补偿力矩。

8.根据权利要求7所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述驱动构件包括电机，所述电机的输出轴的一端设置有卡凸，所述轴承的轴心设置有与所述卡凸相配合的卡槽。

9.根据权利要求8所述的一种体感微低重力模拟装置的主动补偿组件，其特征在于，所述主动补偿组件还包括：传感器，所述传感器分别与所述电机的输出轴及所述关节点相连接，所述传感器至少用于检测所述关节点的角位移信息。

10.一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的主动补偿组件。

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