CN114162358B - 一种体感微低重力模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空航天技术领域，具体地说，涉及一种体感微低重力模拟装置，包括依次连接的支撑框架、重力平衡组件和人机系统；缓冲组件，与支撑框架连接，独立于重力平衡组件设置；传动组件，将缓冲组件的势能通过重力平衡组件传递至人机系统；所述缓冲组件部分或者全部补偿重力平衡组件和人机系统的重力。本发明的有益效果为本发明进行微低重力模拟训练或体验，可模拟的时间不限，可模拟的重力连续可调，调节过程简单；装置占地面积小易部署，且能够在地面条件下实现了微低重力的模拟，实现简单，成本低，模拟值可调节，且能够达到较高的模拟精度。

Description

一种体感微低重力模拟装置
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，具体地说，涉及一种体感微低重力模拟装置，通过在地球表面进行低重力步行训练，模拟月球表面、火星表面其他失重环境下的步行训练，适应在月球以及火星表面的微低重力环境。
背景技术
随着探月工程的逐步达成，实施载人登月并建立月球基地已成为可能，因此为满足航天任务验证和宇航员地面训练的需求，孕育了很多科学的重大进展和技术的重大突破。在地面上，为开展航天员训练或类似的体验。
失重状态下进行的科学实验有助于更好地探索物理规律和分析自然现象，孕育了很多科学的重大进展和技术的重大突破。在地面上，为开展航天员训练或类似的体验，进行人体微重力模拟具体有以下几种方法：
1)悬吊法重力补偿系统：悬吊式重力补偿系统利用吊索将人体悬吊起来，利用重力的分力，或利用一组悬吊改变人体姿势并平衡掉人体的重力，以另一组吊索的拉力在人体纵向上代替重力，或保持吊索的拉力大小与一定比例的重力恒定相等，方向与重力反向，从而模拟失重或部分失重环境下人体的受力，这种方法可以实现0-1g的微重力模拟。所述系统结构较复杂，维护成本较高；由于垂直方向无法实现自主运动，在模拟精度方面存在不足；悬吊系统会受到不同程度的惯性力影响，再加上系统摩擦力会导致多自由度运动的实现困难。
2)抛物线飞机试验：飞机爬升到45度左右，关闭发动机作抛物线飞行，可以得到低重力环境。目前美国、俄罗斯、法国都有专门的抛物线飞机，用来进行宇航员的失重训练和一些低重力水平的科学实验。一次实验可以飞20-30次，提供20-25s,约0.01g水平的实验。所述模拟精度与受航天飞机控制精度影响，成本高，安全性较差并且实现难度较大。
3)中性浮力水池：中性浮力水池利用浮力来平衡重力，营造出模拟的低重力环境。虽然航天员受到浮力的作用，主观上感受不到重力，但是重力在客观上依旧作用在人身上。
4)精密气浮平台：气浮台能够将低重力模拟任务涉及到的大量硬件设备悬浮于气浮台上，提供了两个平移自由度和一个旋转自由度的失重模拟能力。气浮台能够准确地模拟低重力环境下物体的运动，航天员能在模拟训练中熟悉如何在低重力环境下推动和停止大质量物体的运动。所述的方法相比较其他方法制造成本和维护成本较低且模拟时间不受限制，但气浮法只能在平面上对被失重物体的重力进行补偿，无法模拟三维空间的运动，其竖直方向的运动自由度将受到限制。
上述所述的方法均为基于力学补偿的模拟方法，并非为针对人体感受的微低重力模拟方法。
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，提供一种体感微低重力模拟装置，所述为了克服各种基于力学补偿的模拟方法在实现微重力模拟技术上的缺陷，本发明采用弹簧和平行四边形机构分离设置的方法进行微重力模拟，且微低重力模拟装置进行微低重力模拟训练或体验，可模拟的时间不限，可模拟的重力连续可调，调节过程简单。
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，至少包括：依次连接的支撑框架、重力平衡组件和人机系统，缓冲组件，与支撑框架连接，独立于重力平衡组件设置；
传动组件，将缓冲组件的势能通过重力平衡组件传递至人机系统；
所述缓冲组件部分或者全部补偿重力平衡组件和人机系统的重力。
进一步地，还包括调节组件，所述调节组件与重力平衡组件的一侧相连接，用于调节其相对支撑框架沿高度方向的运动，重力平衡组件的另一侧与人机系统连接。
进一步地，所述重力平衡组件为平行四边形结构，所述缓冲组件的一端设置在支撑框架的一个框架上，另一端与传动组件的一端相连接，传动组件的另一端与重力平衡组件相连接，用于将缓冲组件提供的势能传递至平行四边形结构；
或者，所述重力平衡组件包括相互连接的第一平行四边形和第二平行四边形，所述第一平行四边形与框架或者调节组件连接，所述缓冲组件的一端设置在支撑框架的一个框架上，另一端与传动组件的一端相连接，传动组件的另一端与重力平衡组件相连接，用于将缓冲组件提供的势能传递至第一平行四边形结构和第二平行四边形结构。
进一步地，所述缓冲组件20包括第一缓冲组件和第二缓冲组件，所述传动组件包括第一传动组件和第二传动组件，所述第一缓冲组件和第二缓冲组件的一端与安装框的框架连接，另一端分别与第一传动组件和第二传动组件的一端连接，所述第一传动组件和第二传动组件的另一端分别与第一平行四边形结构和第二平行四边形结构连接。
进一步地，所述缓冲组件垂直设置，所述传动组件与缓冲组件连接后在框架内垂直沿框架的高度方向延伸，经过换向组件延伸出框架后与重力平衡组件连接；
或者，所述第一缓冲组件和第二缓冲组件垂直设置，所述第一传动组件和第二传动组件分别与第一缓冲组件和第二缓冲组件连接后，在框架内分别垂直沿框架的高度方向延伸，经过换向组件延伸出框架后分别与第一平行四边形和第二平行四边形连接。
进一步地，所述第一平行四边形结构与第二平行四边形结构通过立杆连接，与支撑框架或者调节组件相连接的第一平行四边形的垂直边均具有突出于重力平衡组件设置的凸出部，所述第一传动组件和第二传动组件经过凸出部分别与第一平行四边形结构和第二平行四边形结构连接。
进一步地，所述凸出部包括第一平行四边形结构与支撑框架或者调节组件连接的垂直边上设置的第一凸出部，第一平行四边形结构与立杆连接的垂直边上设置的第二凸出部；所述第一传动组件经过换向组件延伸出支撑框架后经第一凸出部上设置的换向结构与第一平行四边形结构和立杆连接的垂直边连接，所述第二传动组件经过换向组件延伸出支撑框架后经第二凸出部上设置的换向结构与第二平行四边形结构和人机系统连接的垂直边连接。
进一步地，所述第一传动组件上每一处的受到的作用力均与第一缓冲组件提供的作用力相等；第二传动组件上每一处的受到的作用力均与第二缓冲组件提供的作用力相等。
进一步地，所述重力平衡组件上设置主动补偿组件，用于对重力平衡组件提供附加力矩。
进一步地，所述主动补偿组件设置于第一平行四边形的两个垂直边的顶点处，所述主动补偿组件中设置传感组件用于检测重力平衡组件的平衡状态。
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。
本发明中的微低重力模拟装置进行微低重力模拟训练或体验，可模拟的时间不限，可模拟的重力连续可调，调节过程简单；装置占地面积小易部署。相比于传统的悬吊法，本发明方法具有更稳定的重力水平体验，且重力水平可以通过改变结构参数进行调整进而模拟多种失重环境；相比于中性浮力水池，本发明无粘滞阻力，且可在地面上进行仪器维修等操作，无需担心水池对仪器造成损坏。本发明已经具备开展很多物理、材料等试验的条件，适用范围广、性价比高。
该双连杆重力平衡系统将缓冲组件的安装位置与连杆机构空间分离，减小了缓冲组件的安装难度，便于实现缓冲组件安装的模块化处理。
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是本发明实施例中的结构示意图；
图2是本发明实施例中支撑框架、调节框架的结构示意图；
图3是本发明实施例中支撑框架、调节框架的侧视结构示意图；
图4是本发明实施例中的调节框架的结构示意图；
图5是本发明实施例中主动补偿组件结构示意图；
图6是本发明实施例中的另一种结构示意图；
图7是本发明实施例中的工作原理示意图。
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；211、第一弹性件；221、第二弹性件；30、调节组件；31、调节框架；311、调节框架底板；312、连接部；3111、螺纹孔；3112、安装通孔；32、调节构件；33、传动构件；35、滑轨；36、滑块；40、传动组件；41、第一传动组件；43、传动件；411、第一传动件；412、第一换向组件；4121、第一定滑轮；4222、第二导向件；4222A、第七导向件； 42、第二传动组件；421、第二传动件；422、第二换向组件；4221、第二定滑轮；4122、第一导向件；4122A、第三导向件；4122B、第四导向件；4122C、第五导向件；4122D、第六导向件； 50、重力平衡组件；51、第一平行四边形结构；511、第一凸出部；521、第二凸出部；522、第一立杆；523、第二立杆；52、第二平行四边形结构；60、人机接口组件；70、主动补偿组件；701、第一主动补偿组件；702、第二主动补偿组件；71、主控器；72、传感器；73、电机；731、输出轴；7311、卡凸。
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。
实施例一
如图1所示，一种体感微低重力模拟装置包括依次连接的支撑框架10、重力平衡组件50和人机系统，所述重力平衡组件50为平形四边形结构，所述平行四边形结构的一侧的垂直边与支撑框架10的一侧连接，所述平行四边形结构的另一侧的垂直边与人机系统连接，所述人机系统包括人机接口组件60和与人机接口组件60连接的宇航员。
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缓冲组件20，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。
进一步地，所述重力平衡组件50包括至少两个平行四边形结构，所述平行四边形结构之间相互连接设置，优选地，以两个平行四边形结构进行描述，所述重力平衡组件50包括相互连接的第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52，所述第二平行四边形结构52的一侧的垂直边与支撑框架10的一侧连接，可根据重力平衡组件50所需的高度与支撑框架10的一侧进行连接，所述第一平行四边形结构51与第二平行四边形结构52之间设置可通过第一立杆522进行连接，或者第一平行四边形结构51与第二平行四边形结构52共用一条垂直边，所述第一平行四边形结构51的另一侧的垂直边与人机系统相连接。
具体地，所述第一平行四边形结构51与第二平行四边形结构52连接的垂直边为自由端，可向重力平衡组件50提供相对于支撑框架10在竖直方向上的自由度，所述第一平行四边形结构51与人机系统连接垂直边为自由端，可向重力平衡组件50提供相对于支撑框架10在水平方向上的自由度，所述人机系统通过重力平衡组件50具备的两个自由度进行微低重力模拟。
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，所述主动补偿组件可向重力平衡组件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运动中受到的其他作用力。
进一步地，所述主动补偿组件设置于第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52的关节点处，对所处关节点的角位移进行检测，进而计算出重力平衡组件50在缓冲组件20提供了势能的情况下，还需多少作用力才能够抵消人机系统提供的作用力，以及重力平衡组件50运动中受到的其他作用力（例如摩檫力、惯性力和重力等），进而产生与之相反的力矩对重力平衡组件50的关节点处进行补偿，使得体感微低重力模拟装置的模拟量精度更加准确。
在本实施例中，所述重力平衡组件50上设置凸出部，所述凸出部从重力平衡组件50的一侧的垂直边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之间的第一立杆522顶部，或者设置于第一平行四边形结构51与第二平行四边形结构52共用的垂直边顶部，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。
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经由换向结构通过后，才能够与之相对应的平行四边形结构连接，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，一是通过改变传动组件40的长度，对缓冲组件20所提供的势能进行调节；二是通过改变传动组件40和与之连接的平行四边形结构之间的角度，均能够对体感微低重力模拟装置的模拟量进行调节。
进一步地，所述支撑框架10内设置有调节组件30，所述调节组件30可相对支撑框架10在竖直方向上往复运动，所述第二平形四边形结构的一侧的垂直边可以与调节组件30的一侧进行连接，通过调节组件30上下移动，从而带动重力平衡组件50及人机系统在竖直方向进行运动，使得体感微低重力模拟装置可根据实际微低重力模拟场所的高度进行调节，例如，在空间站模拟平台上进行工作时，因为空间站的空间较大，宇航员在进行不同操作训练时，需要在不同的模拟环境中进行训练，然而不同的模拟环境所对应的高度是不相同的，即时，可通过对调节组件30进行调节，进而使得调节组件30带动重力平衡组件50和人机系统到达宇航员所需要进行训练的环境下，对宇航员进行微低重力模拟的操作。
在本实施例中，在重力平衡组件50上设置所述凸出部，通过对传动组件40的长度和与之连接的平行四边形结构的角度进行调节，在重力平衡组件50的关节点处设置主动补偿组件，对缓冲组件20和传动组件40对重力平衡组件50提供的作用力，在未能够对人机系统对重力平衡组件50造成的作用力进行完全抵消时，进而提供对重力平衡组件50上剩余的作用力进行抵消的作用力，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。
实施例二
如图1-4所示，本为上述实施例一的进一步限定，所述的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，或者安装框11穿设于调节框架31上与之固定连接，所述重力平衡组件50与调节框架31或安装框11连接，调整所述重力平衡组件50的离地高度。
具体地，支撑框架10由多个条形管连接形成，支撑框架10沿高度方向延伸并与地面垂直设置，可以理解的是，多个条形管围成的支撑框架10的横截面的形状可以设置为长方形，或者，也可以为正方形，或者也可以为正六边形，等等。优选地，多个条形管围成的横截面为正方形，降低安装成本，并且能够确保支撑框架10的稳定性。
一般来说，支撑框架10的底端固定在实验室的地面上，支撑框架10的顶部优选与室内的顶部预留一定的距离，可以确保支撑框架10始终沿高度方向延伸，进一步确保支撑框架10能够稳定运行。
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311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311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311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。
需要说明的是，调节构件32分别与调节框架31和支撑框架10连接，调节构件32的底部可以设置在调节框架31的下方与调节框架31连接，或者调节构件32的底部也可以设置在支撑框架10的底部，与此同时，调节构件32的顶部与支撑框架10的顶部固定连接，也就是说，调节构件32的高度可以与支撑框架10的高度相等，或者，调节构件32的高度也可以小于支撑框架10的高度，由此，可以提高调节构件32的调节范围。
还需要说明的是，调节构件32的顶部的轴心线上设置有固定轴承（图中未示出），调节构件32与固定轴承的轴心转动连接，并且固定轴承的端部固定在支撑框架10的顶部，这样一来，调节构件32能够更容易地相对于支撑框架10进行转动，用户转动方便。
本发明一种优选地实施方式中，所述调节构件32包括相互配合的调节丝杆，所述调节框架31设置有与所述调节丝杆相匹配的螺纹孔3111，转动所述调节丝杆带动所述调节框架31上下滑动。
具体地，螺纹孔3111靠近支撑框架10的内侧设置在调节框架31的上部中线位置，进一步螺纹孔3111与调节框架31可以设置为一体成型，或者螺纹孔3111与调节框架31设置为可拆卸连接，例如，可以通过相互配合的螺纹结构将螺纹孔3111固定在调节框架31上，优选地，螺纹孔3111与调节框架31设置为可拆卸连接，并且螺纹孔3111周围设置有加强结构，提高螺纹孔3111与调节框架31的连接强度，同时降低了维修的成本。
需要说明的是，调节构件32也可以设置由液压升降结构控制调节框架31上下移动，再或者，调节构件32还可以设置为调节柱和滑槽相互配合的结构，等等，这种对调节构件32的具体结构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。
本发明的另一种优选地实施方式中，所述调节构件32由液压升降结构控制调节框架31上下移动，具体地，调节构件32设置为液压杆，所述液压杆的底端与所述支撑框架10的底部固定连接，液压杆的顶端与调节框架底板311抵接，用于将调节框架31上下移动；一般来说，液压杆可以始终与支撑框架10相抵接，或者在调节组件30调节到指定位置时，将调节组件30与支撑框架10固定，此时，液压杆也可以从调节框架底板311下取出，等等，只要能够带动调节构件上下滑动即可。
需要说明的是，液压杆可以设置为两个，或者也可以设置为三个，再或者液压杆还可以设置为四个，优选地，液压杆的数量设置为四个，与调节框架底板311的截面形状相适应，调节框架31的能够均匀升降，使得用户容易操作。
优选地，所述调节框架31设置为镂空结构，有效降低了调节框架31的自身重力，便于调节框架底板311上下调节，降低了安装难度。
优选地，所述调节框架底板311设置有沿高度方向延伸的安装通孔3112，所述安装通孔3112设置在所述调节框架的中心线上。
需要说明的是，安装通孔3112用于与安装缓冲组件20的外框固定连接，也就是说，缓冲组件20向上拉伸时能够穿过安装通孔，即，在安装通孔3112的上方和下方区域的一定距离内不设置有其他组件，能够防止其他组件对缓冲组件20的拉伸形成干涉作用，可以理解的而是，安装通孔3112可以设置为方形，或者，安装通孔3112也可以设置为圆形，只要安装通孔3112的形状与缓冲组件20的外框的形状相适应即可。
还需要说明的是，螺纹孔3111和安装通孔3112均设置在调节框架底板311的中心线上，并且中心线两侧的调节框架31的重量保持一致，即，调节框架31的重心分布为中心线上，确保调节框架31的滑动时不发生偏心现象，进而确保调节框架31上下均匀滑动，提高调节构件32的稳定性。
优选地，所述调节框架31还至少包括两个滑块36，且两个所述滑块36相对设置在所述调节框架31的两侧，所述滑块36与所述支撑框架10的立柱滑动连接带动所述调节框架31上下滑动。
可以理解的是，滑块设置在调节框架31的两侧，具体地，滑块36可以通过螺钉固定在调节框架31上，一般来说，滑块36可以设置有两个，即，两个滑块36设置在相对的边上或对角上，或者，滑块36也可以设置为四个，或者，四个滑块36也可以分别设置在四条边上，或者四个拐角处；优选地，设置在四个拐角处，安装方便，提高安装效率。
与之对应地，支撑框架10的立柱可以设置为两个，或者支撑框架10的立柱也可以设置为四个，进一步地，立柱上优选设置有滑轨35，滑轨35可以通过相互配合的螺纹结构固定在支撑框架10的内侧上，并且在滑轨35上设置有多个安装孔，便于将滑轨35固定在支撑框架10上，滑轨35的数量与滑块36的数量相适应；这样一来，能够确保滑块36与滑轨35稳定配合，进一步确保调节框架31滑动的稳定性，提高用户的使用体验。
优选地，所述调节组件30还包括传动构件33，所述传动构件33受力驱动以带动所述调节构件32转动。
进一步优选地，所述传动构件包括蜗杆(图中未示出)和传动齿轮 (图中未示出)，所处传动齿轮与所述调节丝杆的轴向方向转动连接，所述蜗杆与所述传动齿轮传动连接，转动所述蜗杆能够带动所述调节丝杆轴向转动。
示例性地，如图2所示，传动构件33可以设置为相互配合传动齿轮和蜗杆，具体地，传动齿轮的顶面安装在调节框架底板311的底面，调节丝杆的底端穿过调节框架底板311与传动齿轮的轴心转动连接，并且传动齿轮的周侧能够与蜗杆的一端相互齿合配合，蜗杆的另一端穿过调节框架底板311向外延伸，也就是说，传动构件33安装完毕后，转动蜗杆的另一端伸出调节框架31的外部，转动蜗杆能够通过传动齿轮带动调节丝杆沿轴向方向转动，即，调节丝杆能够在螺纹孔3111内转动，带动调节框架底板311相对于支撑框架10上下移动。当然，传动构件32并不限于上述的结构，只要能够将外力传动至调节丝杆上，并带动调节丝杆转动，则对传动构件具体结构不做具体限定。
需要说明的是，调节框架31在滑动至设置位置时，传动齿轮之间相互配合结构还能够对调节丝杆产生阻力，可以初步阻止调节框架31由于重力继续向下滑动，提高了调节框架31滑动时的稳定性，并且，调节丝杆能够根据相邻螺纹之间的距离进行调节，能够保证调节丝杆最小的调节需求，提高调节构件32的调节的精度，用户使用更加便捷。
与此同时，上述传动构件33还具有结构简单，操作方便，降低了安装难度。
需要说明的是，传动构件33还设置有摇柄，摇柄沿水平方向延伸，摇柄的一端与蜗杆的底端转动连接，摇柄的另一端伸出至支撑框架10外部，操作时用户能够在调节框架外进行控制，操作方便。
优选地，所述调节框架31的一侧设置有向上弯折延伸的连接部312，所述连接部312的顶部区域与所述重力平衡组件50相连接。
需要说明的是，重力平衡组件50与连接部312设置为可拆卸固定连接，例如，可以设置为相互配合螺接结构固定，或者重力平衡组件50与连接部312也可以通过焊接方式固定，等等，只要重力平衡组件50能够稳定的固定在连接部312，则对重力平衡组件50与连接部312的具体连接方式不做具体限定。优选地，重力平衡组件50与连接部312是通过相互配合的螺接结构固定，结构简单，便于生产，同时也加快了安装速度，提高安装于拆卸效率。
详细地，连接部312沿调节框架31的高度方向延伸，并且连接部312向外凸出到支撑框架10外，也就是说，连接部312与调节框架31一体成型，提高连接部312的稳定性。与此同时，重力平衡组件50的右端与靠近连接部312的顶部固定连接，也即，重力平衡组件50与支撑调节框架31的底部设置有一定距离，确保重力平衡组件50在最低位置时能够安装于拆卸，也避免重力平衡组件50运行时与其他组件发生碰撞而损坏，保证重力平衡组件50正常的运行，降低维修频率。
进一步地，所述调节组件30还可以包括控制构件，所述控制构件分别与所述调节框架底板311和调节组件30相连接，便于控制所述调节组件30相对于所述调节框架31上下滑动。
需要说明的是，控制构件可以设置为电动控制器，例如，将调节构件设置为液压杆，电动控制器与液压杆电连接，启动电动控制器时，液压杆可以进行升降操作；或者，控制构件也可以设置为手动控制器，等等，这种对控制构件的具体结构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。
实施例三
如图1至图5所示，本实施例为上述实施例一的进一步限定，所述的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 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，使得系统的总势能独立于构型变量，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5151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：
Figure 495709DEST_PATH_IMAGE001
Figure 288215DEST_PATH_IMAGE002
式中，θ=[θ 1 ，θ 2 ] T ， k=[k 1 ，k 2 ] T ； M(θ)∈R 2×2 为正定、对称的惯量矩阵，
Figure 130269DEST_PATH_IMAGE003
为科氏力和离心力列向量，G(θ)∈R 2×1 为重力项， K(θ) ∈R 2×2 为弹簧位移矩 阵，τ=[τ 1 ,τ 2 ] T ，τ i =(i=1,2)为第i个电机的补偿力矩， J∈R2×2为宇航员质心的运动 Jacobian矩阵，F e∈R2×1为宇航员所受外力，m ki为第i根弹簧的质量，
Figure 872616DEST_PATH_IMAGE004
。
具体地，所述重力力矩的公式为
Figure 14884DEST_PATH_IMAGE005
，其中，x 1、x 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，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
Figure 119238DEST_PATH_IMAGE006
式中：z11、z12为z1的元素，
Figure 448588DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 991696DEST_PATH_IMAGE008
的元素；M11、M12、M21、M22为M(z1)中的元素，H11、H12、H21、H22为H(z1、z2)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
Figure 270362DEST_PATH_IMAGE009
，其中，μ为摩擦系数，FN为关节点所受正压力，d0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：
Figure 326042DEST_PATH_IMAGE010
式中，
Figure 687229DEST_PATH_IMAGE011
。
因此，设计如下形式的观测器：
Figure 237290DEST_PATH_IMAGE012
Figure 26255DEST_PATH_IMAGE013
Figure 783995DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 900987DEST_PATH_IMAGE015
分别为z1、z2的观测值，
Figure 254739DEST_PATH_IMAGE016
Figure 257066DEST_PATH_IMAGE017
。
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。
实施例四
如图1和图6所示，本实施例为上述实施例一的进一步限定，所述体感微低重力模拟装置包括缓冲组件20，所述缓冲组件20主要为重力平衡组件50提供势能，使得体感微低重力模拟装置实现重力平衡。
在本实施例中，所述缓冲组件20包括弹性件，所述弹性件设置于支撑框架10上，其一端与支撑框架10相连接，缓冲组件20与重力平衡组件50之间设置传动组件40，用以将弹性件提供的势能传递至重力平衡组件50，所述弹性件可以为弹簧和皮筋等具有弹性势能的物体，由于弹簧的变形程度的较大，所产生的弹性势能也相应较大，所以本实施例中采用的为弹簧，所述弹簧提供的作用于重力平衡组件50的势能为弹性势能，通过弹簧发生弹性形变，对重力平衡组件50提供弹性势能。
进一步地，所述支撑框架10的上半部分设置与弹簧连接的横梁，所述横梁与支撑框架10相邻或相对的两侧连接，一是能够加强支撑框架10结构的承重性能，二是能够与重力平衡组件进行连接，所述安装框11穿设于支撑框架10的顶部与横梁相连接，安装框11的底部设置开口与支撑框架10连通，所述安装框11的顶部与支撑框架10的顶部平行设置，所述弹簧设置于安装框11上，或者可以直接与支撑框架10的顶部设置的横梁进行连接，均不足以使得弹簧与支撑框架10之间的角度发生偏移，影响势能在传递过程中发生损耗，所述弹簧的一端与安装框11的顶部相连接，所述弹簧的另一端与传动组件40连接，将重力平衡组件50发生的位移传递向弹簧，使得弹簧发生形变，弹簧对自身发生的形变量产生与之相对的弹性势能，再通过传动组件40反向作用于重力平衡组件50，优选地，所述弹簧在安装框11内发生形变向重力平衡组件50提供弹性势能，节省支撑框架10内的可利用及操作空间。
在本实施例中，所述重力平衡组件50为平行四边形结构，所述平行四边形结构的一个垂直边与支撑框架10的一侧连接，所述弹簧与平行四边形结构的在同一水平面内，且与垂直边平行设置，在经过传动组件40进行传递弹性势能的过程中，减少传动组件需要换向结构使传递的弹性势能最大程度的传递至平行四边形结构；所述平行四边形结构的另一个垂直边为平行四边形的自由端，所以弹簧与平行四边形结构的自由端也是平行设置，在平行四边形结构的自由端发生位移时，带动弹簧在竖直方向产生位移，进而弹簧将通过位移产生的弹性势能传递至平行四边形结构的自由端。
所述能够对重力平衡组件50提供弹性势能的弹簧，其自身重力也是较大的，在进行失重模拟时，因为弹簧对体感微低重力模拟装置的影响不易计算，从而选择忽略弹簧的自身重量，但是，本实施例中弹簧为竖直设置，弹簧自身的重力均作用于弹簧本身，而弹簧通过自身重力会产生与自身重力相反的弹性势能抵消自身产生的重力，由于弹簧本身所产生的形变量是有限的，所述弹簧对重力平衡组件50提供的弹性势能是随着宇航员的体重和所需要失重的模拟量的变化而变化的，需要本领域技术人员根据宇航员的体重的不同和失重的模拟量的不同对弹簧进行调节或更换为不同刚度的弹簧，由于弹簧竖直放置可以将自身重力进行抵消，在技术人员对宇航员的体重和所需要失重的模拟量进行计算，进而对弹簧的弹性势能进行调整或更换不同刚度的弹簧；当体感微低重力模拟装置需要增大模拟量时，可对缓冲组件20内添加上述所述串接、并接或者串接后再并接的弹性件数量；当体感微低重力模拟装置需要减小模拟量时，对缓冲组件20内所述串接、并接或者串接后再并接的弹性件进行减少弹性件数量的处理。
在本实施例中，所述缓冲组件20的高度不能够超过支撑框架10与平行四边形连接的高点，所述缓冲组件20提供的弹性势能还需要传动组件40进行传递至重力平衡组件50，而传动组件40最大程度不造成损耗的传递弹性势能是需要与重力平衡组件50的顶点进行连接的，而所述传动组件40还需要在支撑框架10内通过换向结构进行改变传动的方向才能够将弹性势能传递至重力平衡组件50，所述需要在支撑框架10内对传动组件40和换向结构的的安装及调整留出充足的空间。
进一步地，所述缓冲组件20还可以由多个弹簧相互配合向重力平衡组件50提供弹性势能，进一步地，所述缓冲组件20可通过多个弹簧之间进行首尾相连的串接方式组成，使得缓冲组件20的形变程度增加，所产生的弹性势能也随之增加；或者通过多个弹簧设置在安装框11的顶部上，均与平行四边形结构的垂直边平行设置，通过增加了缓冲组件20产生弹性势能的弹簧基数的方式，对缓冲组件20并接组成；或者将上述串接与并接的方式一同对缓冲组件20进行组成，进而在支撑框架10内尽可能的留出可进行调节的空间。
优选地，当缓冲组件20通过两个或两个以上弹性件串接的方式组成时，所述位于顶部的弹性件与安装框11的顶部连接，位于底部的弹性件与传动组件40连接；当缓冲组件20通过两个或两个以上弹性件并接或串接和并接同时进行的方式组成时，因为传动组件40的连接处不足以同时与多组弹性件连接，所以缓冲组件20和传动组件40之间设置固定部，所述固定部与弹性件垂直设置，用于汇集弹性件产生的弹性势能，避免弹性件产生的弹性势能出现损耗，影响技术人员在进行失重的模拟量产生误差；所述缓冲组件20可根据技术人员计算出的模拟量对其进行模块化处理。
在本实施例中，为了增加体感微低重力模拟装置的自由度，所述重力平衡组件50包括两个垂直边相连的第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52，其中，第二平行四边形结构52的另一个垂直边与支撑框架10的一侧进行连接，优选地，所述缓冲组件20包括第一缓冲组件21和第二缓冲组件22，所述第一缓冲组件21和第二缓冲组件22分别通过第一传动组件41、第二传动组件42向两个平行四边形结构提供弹性势能。
进一步地，所述第一缓冲组件21包括至少一个向第一平行四边形结构51提供势能的第一弹性件211，第一弹性件211的一端与支撑框架10的底座连接，所述第一弹性件211的另一端沿竖直方向向下延伸与第一传动组件41的连接，与第一平形四边形结构的垂直边平行设置；
所述第二缓冲组件22包括至少一个向第二平行四边形结构52提供势能的第二弹性件221，第二弹性件221的一端与支撑框架10的底座连接，另一端沿竖直方向向下延伸与第二传动组件42的连接，与第二平形四边形结构的垂直边平行设置。
在本实施例中，所述缓冲组件20与平行四边形结构的垂直边平行设置，在微低重力模拟过程中，对宇航员进行失重模拟的模拟量进行计算（所述失重模拟的模拟量可根据宇航员需要模拟的重力系数（例如，月球、火星和太空中的重力系数））以及进行调节的过程将会更加的精确；通过对弹性件进行串接、并接或者串接后再并接为缓冲组件20，对支撑框架10的内部留出空间，便于对传动组件40、换向结构和缓冲组件20的模块化处理节省出更便于操作的空间。
实施例五
如图1、图6和图7所示，本实施例为上述实施例一和实施例四的进一步限定，所述的体感低重力模拟装置传动组件40的一端设置于支撑框架10中，用于接收与之连接的组件或零部件所提供的势能，例如引力势能、电势能和弹性势能等，本实施例中与传动组件40的一端相连接的为缓冲组件20，所述缓冲组件20用于向传动组件40提供弹性势能，所述传动组件40将缓冲组件20的弹性势能传递至重力平衡组件50。
所述传动组件40设置在缓冲组件20和重力平衡组件50之间，所述体感微低重力模拟装置可通过改变传动组件40连接缓冲组件20和重力平衡组件50的连接结构，进而改变传动组件40的长度对缓冲组件20提供的作用力进行改变，进而对体感微低重力模拟装置的模拟量进行调节；可以在地面条件下实现对体感微低重力模拟装置的模拟量进行调节，实现简单，成本低，且能够达到较高的模拟精度。
在本实施例中，所述的重力平衡组件50为平行四边形结构，所述平行四边形结构的一侧与支撑框架10进行连接，所述平行四边形结构的自由端与上述传递弹性势能的传递组件连接，所述传递组件将接收到的弹性势能用于对平行四边形结构的自由端提供与重力方向相反的作用力，使得平行四边形的自由端具备与支撑框架10相对移动功能。
进一步地，所述传动组件40包括一端与缓冲组件20的一端连接，另一端与平行四边形结构的自由端连接的传递件，以及设置于支撑框架10和/或重力平衡组件50上的换向组件，所述换向组件用于改变传动件43将缓冲组件20提供的弹性势能传递至平行四边形结构的自由端的过程中的运动方向，所述换向组件可以为定滑轮或导向轮等。
所述传动件43与平行四边形的连接点高于平行四边形结构的重心，可以与平行四边形位于的上方的边靠近自由端的部分连接，以及与平行四边形结构的自由端的垂直边高于平行四边形的部分连接，所述传动件43的另一端在与平行四边形结构的连接是为了向其提供与重力相反的作用力，在提供的作用力的过程中，平行四边形结构所接收到传动件43传递的作用力会出现损耗的问题，所以本实施例中，将传动件43的另一端与平行四边形结构的自由端的顶部连接，能够最大程度的减少传动件43所传递的弹性势能的损耗。
进一步地，所述换向组件用于在传动件43进行传动过程中，改变传动件43的运行方向，节省传动件43的安装空间，避免与支撑框架10或重力平衡组件50进行接触，从而造成损伤，所述换向组件所设置的位置高于平行四边形结构的重力，避免将传动件43传递的弹性势能作用于平行四边形结构，使其对平行四边形结构造成与重力方向相同的作用力，即时，并不能使体感微低模拟装置实现失重模拟的作用。
在本实施例中，所述传动组件40包括第一传动组件41和第二传动组件42，所述重力平衡组件50包括第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52；所述第一传动组件41用于将第一缓冲组件21提供的弹性势能传递至第一平行四边形结构51的自由端，主要用于向第一平行四边形结构51提供相对于第二平行四边形结构52移动的作用力。
第二传动组件42用于将第二缓冲组件22提供的弹性势能传递至第二平行四边形结构52的自由端的顶部，主要用于向第二平行四边形结构52提供相对于支撑框架10移动的作用力。
在本实施例中，所述重力平衡组件50具备至少两个自由度，一个是第二平行四边形结构52的自由端相对于支撑框架10移动的自由度，以及第一平行四边形结构51的自由端相对于第二平行四边形结构52可移动的自由度，所述第一平行四边形结构51为重力平衡组件50提供相对于支撑框架10在水平方向的自由度，第二平行四边形结构52为重力平衡组件50提供相对于支撑框架10在竖直方向的自由度。
进一步地，所述第二平行四边形结构52的一侧与支撑框架10的连接，另一侧与第一平行四边形结构51连接，第一和第二平行四边形之间通过一个立杆522枢轴连接，或者两个平行四边形相邻边枢轴连接，所述的第一传动组件41和第二传动组件42的另一端分别与两个平行四边形结构的自由端连接。
在本实施例中，所述第一传动组件41包括：
第一传动件411和设置于支撑框架10和/或重力平衡组件50上的第一换向组件412，所述第一传动件411的一端与第一缓冲组件21的一端连接，经过第一换向组件412换向后另一端与第一平行四边形的自由端的垂直边连接；所述第一换向组件412包括第一定滑轮4121和第一导向件4122。
和/或，所述第二传动组件42包括：
第二传动件421和设置于支撑框架10和/或重力平衡组件50上的第二换向组件422，所述第二传动件421的一端与第二缓冲组件22的一端连接，经第二换向组件422换向后另一端与立杆522或自由端的垂直边连接；所述第二换向组件422包括第二定滑轮4221和第二导向件4222。
所述第一传动组件41和第二传动组件42中的传动件43在传动路径上至少有一个位置高于其连接的平行四边形的顶点，优选地，所述第一换向组件412和第二换向组件422中至少有一点高于平行四边形的顶点。
进一步地，所述第一传动组件41和第二传动组件42为软性传动结构，所述的第一传动件411和第二传动件421为钢索或者绳索等，所述第一换向组件412和第二换向组件422为滑轮或者滑轮和导向件，所述的第一传动组件41和第二传动组件42中，至少一个所述滑轮或者滑轮和导向件设置于高于其连接的平行四边形的顶点。
所述第一换向组件412包括第一定滑轮4121和至少两个第一导向件4122，第一定滑轮4121设置于支撑框架10内，第一导向件4122设置于第一平行四边形结构51和/或第二平行四边形结构52上；所述第二换向组件422包括第二定滑轮4221和第二导向件4222，第二定滑轮4221设置于支撑框架10内，第二导向件4222设置于支撑框架10和/或第二平行四边形结构52上。
具体地，所述第一定滑轮4121可直接设置于支撑框架10内，且设置位置高于第一平行四边形结构51的顶点，第一传动件411经过第一定滑轮4121可直接与第一平行四边形结构51的自由端垂直边的顶部连接，但是为避免第一传动件411与支撑框架10、第一平行四边形结构51产生接触，发生磨损以及传递势能损耗的情况，还设置至少两个第一导向件4122，所述第一传动件411还需通过第一导向件4122才能够与第一平行四边形自由端的垂直边的顶部连接，或者所述第一定滑轮4121设置于支撑框架10的底部，所述第一导向件4122高于第一平行四边形结构51的顶点设置，第一传动件411通过第一定滑轮4121和第一导向件4122与第一平行四边形自由端的垂直边的顶部连接。
优选地，所述第一定滑轮4121设置于第一缓冲组件21的一端的延伸方向上，所述第二平行四边形结构52的一侧设置第三导向件4122A，第二平行四边形结构52的一侧的底部设置第四导向件4122B，第二平行四边形结构52的自由端的底部或者第一立杆522上设置第五导向件4122C；所述第一平行四边形结构51的一侧的顶部或者第一立杆522上设置沿竖直方向向上延伸的第一凸出部511，所述第一凸出部511上设置第六导向件4122D，所述第一传动组件41经第三导向件4122A、第四导向件4122B、第五导向件4122C和第六导向件4122D与第一平行四边形结构51的端部垂直边连接。
所述第一定滑轮4121高于第一平行四边形结构51的顶点或者在支撑框架10的底部设置，所述第一凸出部511上设置的第六导向件4122D，且第六导向件4122D可相对于第一凸出部511沿竖直方向滑动调节，所述第一传动件411主要为第一平行四边形结构51的自由端提供水平方向的作用力，所以第六导向件4122D的调节位置与第一平行四边形的自由端垂直边的顶部平行设置。
在本实施例中，第二定滑轮4221设置于第二缓冲组件22的一端的延伸方向上，所述第二平行四边形结构52的一侧的顶部设置沿竖直方向向上延伸的第二凸出部521，所述第二凸出部521上设置第七导向件4222A。
所述第二定滑轮4221高于第二平行四边形结构52的顶点设置或者设置于支撑框架10的底部，所述第二凸出部521上设置的第七导向件4222A，且第七导向件4222A可相对于第二凸出部521沿竖直方向滑动调节，所述第二传动件421主要为第二平行四边形结构52的自由端传递竖直方向的作用力，所以第六导向件4122D的调节位置可以尽量高于第二平行四边形的自由端的垂直边的顶部设置。
在本实施例中，通过上述的传动组件40以及传动路径，在最大程度减少向重力平衡组件50传递势能的同时，还可以通过改变传动组件40的长度对体感微低重力模拟装置的模拟量进行调节，进而对体感微低重力模拟装置的模拟精度进一步进行提升，使得宇航员的模拟效果更佳，更加趋近于与真实低重力之间的相似度。
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，任何熟悉本专利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 (9)

1.一种体感微低重力模拟装置，包括依次连接的支撑框架、重力平衡组件和人机系统，所述重力平衡组件为平行四边形结构，所述人机系统包括人机接口组件和与人机接口组件连接的用户，其特征在于，所述体感微低重力模拟装置包括：
缓冲组件，独立于重力平衡组件设置在支撑框架内并与支撑框架连接；
传动组件，将缓冲组件的势能通过重力平衡组件传递至人机系统；
所述缓冲组件部分或者全部补偿重力平衡组件和人机系统的重力；
调节组件，所述调节组件包括调节框架，所述调节框架沿高度方向上下滑动地设置在所述支撑框架内，所述调节框架与所述重力平衡组件的一端相连接，调整所述重力平衡组件的离地高度；
在所述调节框架内设置有沿高度方向延伸的安装通孔，且所述安装通孔设置在所述调节框架的中心线上，安装通孔用于与安装缓冲组件的外框固定连接，所述缓冲组件向上拉伸时能够穿过所述安装通孔；
所述重力平衡组件上设置主动补偿组件，用于对重力平衡组件提供附加力矩，所述的附加力矩包括重力力矩、惯性力矩和摩擦力矩；
所述重力力矩的公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中，χ 1 、χ2为弹簧的弹性系数，g为重力加速度，Z 11 、Z 12 为两平行四边形关节点的转角信息，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。
2.根据权利要求1所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述重力平衡组件的另一侧与人机系统连接，所述调节框架至少包括两个滑块36，且两个所述滑块相对设置在所述调节框架的两侧，所述滑块与所述支撑框架的立柱滑动连接带动所述调节框架上下滑动。
3.根据权利要求1或2所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述缓冲组件的一端设置在支撑框架的一个框架上，另一端与传动组件的一端相连接，传动组件的另一端与重力平衡组件相连接，用于将缓冲组件提供的势能传递至平行四边形结构；
或者，所述重力平衡组件包括相互连接的第一平行四边形和第二平行四边形，所述第一平行四边形与框架或者调节组件连接，所述缓冲组件的一端设置在支撑框架的一个框架上，另一端与传动组件的一端相连接，传动组件的另一端与重力平衡组件相连接，用于将缓冲组件提供的势能传递至第一平行四边形结构和第二平行四边形结构。
4.根据权利要求3所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述缓冲组件（20）包括第一缓冲组件和第二缓冲组件，所述传动组件包括第一传动组件和第二传动组件，所述第一缓冲组件和第二缓冲组件的一端与安装框的框架连接，另一端分别与第一传动组件和第二传动组件的一端连接，所述第一传动组件和第二传动组件的另一端分别与第一平行四边形结构和第二平行四边形结构连接。
5.根据权利要求4所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述缓冲组件垂直设置，所述传动组件与缓冲组件连接后在框架内垂直沿框架的高度方向延伸，经过换向组件延伸出框架后与重力平衡组件连接；
或者，所述第一缓冲组件和第二缓冲组件垂直设置，所述第一传动组件和第二传动组件分别与第一缓冲组件和第二缓冲组件连接后，在框架内分别垂直沿框架的高度方向延伸，经过换向组件延伸出框架后分别与第一平行四边形和第二平行四边形连接。
6.根据权利要求4所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述第一平行四边形结构与第二平行四边形结构通过立杆连接，与支撑框架或者调节组件相连接的第一平行四边形的垂直边均具有突出于重力平衡组件设置的凸出部，所述第一传动组件和第二传动组件经过凸出部分别与第一平行四边形结构和第二平行四边形结构连接。
7.根据权利要求6所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述凸出部包括第一平行四边形结构与支撑框架或者调节组件连接的垂直边上设置的第一凸出部，第一平行四边形结构与立杆连接的垂直边上设置的第二凸出部；所述第一传动组件经过换向组件延伸出支撑框架后经第一凸出部上设置的换向结构与第一平行四边形结构和立杆连接的垂直边连接，所述第二传动组件经过换向组件延伸出支撑框架后经第二凸出部上设置的换向结构与第二平行四边形结构和人机系统连接的垂直边连接。
8.根据权利要求6所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述第一传动组件上每一处的受到的作用力均与第一缓冲组件提供的作用力相等；第二传动组件上每一处的受到的作用力均与第二缓冲组件提供的作用力相等。
9.根据权利要求1所述的一种体感微低重力模拟装置，其特征在于，
所述主动补偿组件设置于第一平行四边形的两个垂直边的关节点处，所述主动补偿组件中设置传感组件用于检测关节点的位移变化信息、角速度和角加速度信息，以确定所述重力力矩、惯性力矩和摩擦力矩。
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