CN114162359B - 一种用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，所述体感微重力模拟装置包括重力平衡组件、向所述重力平衡组件提供缓冲势能以至少部分平衡人体重力的缓冲组件，所述主动补偿方法包括：S1：获取微低重力模拟装置产生的附加力矩；S2：根据附加力矩向所述体感微低重力装置输出相反方向的补偿力矩。本发明根据获取的附加力矩输出反向的补偿力矩，使得宇航员在训练系统中步行的效果与在月球表面及火星表面实际行走的效果一致或者接近，提高主动补偿的效率，提高装置模拟的精度。

Description

一种用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，具体地说，涉及一种用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，通过在地球表面进行低重力步行训练，模拟空间站在月球表面、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，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力矩和惯性力矩，在实验中发现存在的重力力矩、摩擦力矩和惯性力矩有时很大，因此如何有效补偿装置当中的重力、惯性力和摩擦力是微低重力模拟装置中亟待解决的重要课题。

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，提供一种用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，根据关节点的初始转角信息，控制电机输出对应的补偿力矩，使主动补偿组件产生的效果达到最佳。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，所述体感微重力模拟装置包括重力平衡组件、向所述重力平衡组件提供缓冲势能以至少部分平衡人体重力的缓冲组件，其特征在于，所述主动补偿方法包括：

S1：获取微低重力模拟装置产生的附加力矩；

S2：根据附加力矩向所述体感微低重力装置输出相反方向的补偿力矩。

进一步地，所述补偿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。

进一步地，所述重力平衡组件包括至少一个平行四边形结构，所述补偿力矩的具体步骤包括：

获取所述平行四边形结构关节点的角位移信息，计算需要补偿的重力力矩值；和/或

获取所述平行四边形结构关节点的角速度和角加速度信息，计算需要补偿的惯性力力矩值；和/或

获取所述平行四边形结构关节点的正压力值，计算需要补偿的摩擦力矩。

进一步地，所述重力力矩的公式为

，其中，χ ₁ 、χ ₂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；

所述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；

所述摩擦力矩的公式为

，其中，μ为摩擦系数，F _N 为轴承所受正压力，d ₀ 为 轴承的公称内径。

进一步地，所述主动补偿方法还包括：S3：判断附加力矩值与补偿力矩值是否相等；根据判断结果，选择性地输出补偿力矩；

如果判断结果为“是”，则主动补偿组件停止输出补偿力矩。

进一步地，所述主动补偿方法还包括：如果判断结果为“否”，则控制主动补偿组件继续输出补偿力矩直到输出的补偿力矩等于附加力矩。

进一步地，所述补偿力矩是通过电机输出的，所述电机的输出轴与所述平行四边形关节点的轴心相配合，驱动所述关节点的轴心进行反向转动，向所述关节点输出反向补偿力矩。

进一步地，所述电机至少包括两个，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，一个所述电机设置在所述第一立杆的一个关节点处；另一个设置在所述第二立杆的一个关节点处。

进一步地，所述关节点上设置有传感器，所述传感器至少用于获取所述关节点的角位移信息。

进一步地，所述主动补偿方法还包括：

S4：在微重力模拟装置试验结束后，使所述重力平衡组件固定至初始位置。

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、本发明将体感微重力模拟装置连接至用户；获取微低重力模拟装置运行时所述顶点的转角信息；根据所述顶点的转角信息，计算所述顶点产生的附加力矩总和。通过这样的补偿方法，确保补偿力矩能够与附加力矩平衡，提高主动补偿的效率，提高装置模拟的精度。

2、本发明主动补偿方法还包括：获取顶点的角位移、角速度、角加速度值分别计算补偿的重力力矩、摩擦力矩和惯性力矩。通过这样的补偿方法，进一步确保装置模拟的精度，也可以及时了解主动补偿组件的运行状态，用户体验效果更佳。

3、本发明在判断附加力矩值与补偿力矩值是否相等，如果判断结果为“是”，则主动补偿组件停止输出补偿力矩，进一步确保模拟装置的试验精度，从而确保试验数据的可靠性。

4、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是本发明的体感微低重力模拟装置的结构图；

图2是本发明的主动补偿方法的逻辑图；

图3是本发明的主动补偿组件结构示意图；

图4是本发明的调节框架结构示意图。

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；311、调节框架底板；3112、安装通孔；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； 701、第一主动补偿组件；702、第二主动补偿组件；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。

如图1至图4所示，本发明提供一种体感微低重力模拟装置的主动补偿方法。

具体地，本实施例中，所述体感微重力模拟装置包括重力平衡组件50、向所述重力平衡组件50提供缓冲势能以至少部分平衡人体重力的缓冲组件20；

所述主动补偿方法的具体步骤包括：

S1：获取微低重力模拟装置产生的附加力矩；

S2：根据附加力矩向所述体感微低重力装置输出相反方向的补偿力矩。

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。

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，但关节摩擦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运动，使得重力平衡组件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会让宇航员产生“拉拽感”。

若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，

。

优选地，附加力矩至少包括重力平衡组件50和人机接口60的重力力矩、装置的摩擦力矩、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，附件力矩可以仅包括重力力矩，也可以仅包括摩擦力矩产生，或者还可以包括重力力矩和惯性力矩，再或者，附加力矩包括重力力矩、惯性力矩和摩擦力力矩，等等，只要能够平行四边形结构的关节点进行补偿即可。优选地，附加力矩包括重力力矩、摩擦力矩和惯性力矩，也就是说，附加力矩为重力力矩、摩擦力矩和惯性力矩的矢量和，提高了模拟装置的补偿精度，提高用户的体验。

优选地，所述重力平衡组件50包括至少一个平行四边形结构，所述补偿力矩的具体步骤包括：平行四边形结构关节点的角位移信息，计算需要补偿的重力力矩值；和/或，获取所述平行四边形结构关节点的角速度和角加速度信息，计算需要补偿的惯性力力矩值；和/或，获取所述平行四边形结构关节点的正压力值，计算需要补偿的摩擦力矩。

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转动连接，也就是说，主动补偿组件设置在关节点的轴心位置。可以理解的是，主动补偿组件包括传感器72，能够准确检测关节点的转角信息。具体地，传感器72能够检测平行四边形的关节点的角位移、角速度、角加速度及关节点之间的轴承正压力值。

优选地，所述平行四边形结构的关节点上设置有传感器72，所述传感器至少用于获取所述关节点的角位移信息。

需要说明的是，传感器72优选地设置在关节点的轴心线上，能够准确检测关节点转动的信息，一般来说，转动信息可以仅包括角位移信息，或者转动信息还可以包括角速度、角加速度和正压力值的一种或多种。

还需要说明的是，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。

例如，传感器72可以设置为观测器，观测器实时测量模拟装置的各关节点的转角信息并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发送给重力补偿模型、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，并能够输出反向驱动力矩来抵消或降低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。

优选地，所述补偿力矩是通过电机73输出的，所述电机73的输出轴731与所述平行四边形结构关节点的轴心相配合，驱动所述关节点的轴心进行反向转动，向所述关节点输出反向补偿力矩。

需要说明的是，电机的输出轴731与关节点的轴心的轴承相配合能够带动轴承轴向转动，可以理解的是，电机73的输出轴731能够与关节点的轴承的轴心相互配合，具体地，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，并且优选地，多个卡凸7311均匀分布在电机73的输出轴731，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，等等。只要输出轴731能够带动轴承反向转动，则对输出轴731与轴承的相互配合结构不做具体限定。这样一来，提高了补偿力矩的输出的精度，能够快速实现补偿，安装结构简单，提高了实验效率。

将模拟装置的动力学模型的状态空间方程：

式中，

。

因此，设计如下形式的加速度观测器：

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。

根据大量的试验表明，补偿的重力力矩与关节点的角位移值相关。具体地，所述重 力力矩的公式为

，其中，χ ₁ 、χ ₂ 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。

在主动补偿组件70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结构的关节点的转角信息即可。

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，提高了传感器72检测数据的准确性，可以在数据异常时及时对主动补偿组件70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，因此传感器可以设置为加速度观测器，通过观测器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；或者也可以通过传感器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，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 为轴承所受正压 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，安装结构简化，降低了安装成本。

优选地，所述主动补偿方法还包括：S3：判断附加力矩值与补偿力矩值是否相等；根据判断结果，确定是否输出补偿力矩。

如果判断结果为“是”，则主动补偿组件70停止输出补偿力矩。

如果判断结果为“否”，则控制主动补偿组件70继续输出补偿力矩直到输出的补偿力矩等于附加力矩。

本实施例中，电机73输出的补偿力矩与附加力矩相等时，模拟装置的模拟的精度最高，在输出的补偿力矩与附加力矩不等时，说明补偿力矩小于附加力矩，因此，需要继续输出补偿力矩，直到补偿力矩与附加力矩相等。

需要说明的是，在判断补偿力矩值与力矩总和的大小的过程中，电机73会暂时停止输出力矩，并且，每输出一次补偿力矩时均需要判断，可以理解的是，如果判断结果为“否”，说明电机73输出的补偿力矩不等于系统结构本身的附加力矩，也就是说，补偿力矩值小于力矩总和，启动电机73继续输出补偿力矩，直到补偿力矩值等于附加力矩和，则该判断过程停止。

示例性地，当ρ=1，则空间机器人系统动力学模型一致，即模拟装置实现了宇航员 的完全失重模拟；当ρ=0.83时，

与宇航 员在月球上所受的广义重力一致，即模拟装置实现了宇航员在月球上的重力模拟。

例如，弹簧本身的重力会使模拟装置模拟的重力值与预设值不一致，宇航员需要在月球中的环境中进行训练时，如理论上设置ρ=0.83即为对月球重力环境的模拟，月球上宇航员的重力加速度为1.633m/s²，但发明人经过大量试验研究发现，在主动补偿前，宇航员能够感受的重力加速度范围一般为1.2-2.0m/s²，在主动补偿组件运行后，宇航员能够感受的重力加速度范围为1.58-1.68m/s²，也就是说，主动补偿后，宇航员体验的模拟效果更加接近月球本身的加速度值，有效提高了装置的模拟精度，增强宇航员在微重力模拟中的“沉浸感”，使得用户使用体验更佳。

优选地，所述主动补偿方法还包括：在获取微低重力模拟装置运行时的关节点的转角信息之前，检测获取所述关节点的转角信息是否合格；如果检测结果“否”，则对安装在关节点的主动补偿组件70进行微调。

需要说明的是，在关节点转角信息的数据不合格时，主动补偿组件70会不间断的进行检测，此时，主动补偿组件70会中断程序运行，直到检测的数据为合格数据，主动补偿组件70才能运行后续的程序，也就是说，关节点的转角信息的准确性是主动补偿的基础。

可以理解的是，正常运行时关节点的转角信息设置为一个标准范围，关节点的转角信息的检测是不合格时，说明检测的关节点转角信息存在误差，停止装置的运行，与此同时，可以将获得的转角信息反馈至主控器（图中未示出），并将该转角信息与标准范围做比较，工作人员可以根据经验判断产生误差的原因，及时对主动补偿组件70进行针对性微调。直到检测的转角信息数值落入标准范围内，也就是说，检测结果“是”，则获取的关节点的位移变化信息；则开始运行主动补偿组件70，这样一来，提高主动补偿组件70的补偿精度，确保试验数据的可靠性，提高了用户的体验。

还需要说明的是，可以通过解码器将位移变化信息和力矩变化信息转换为角速度值和角加速度值，其中解码器设置在观测器和主控器之间，进一步地，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相同的关节点上，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，根据关节点的角速度值和角加速度值，计算关节点的产生的力矩总和，其中力矩总和包括摩擦力力矩、惯性力力矩和重力力矩。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，所述主动补偿方法还包括：

在开始主动补偿步骤之前，调节体感微低重力模拟装置使用户与位置重力模拟装置达到重力平衡。

可以理解的是，体感微低重力模拟装置中缓冲组件20会对装置本身及宇航员产生一定的平衡力矩。

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分别设置在第一平行四边形结构51和第二平行四边形结构52的下端的两个关节点上，并且这两个关节点位于平行四边形的一边上。

优选地，所述主动补偿组件70还包括存储模块，在开始主动补偿和/或结束主动补偿过程中，所述存储模块能够记录并保存相应的试验数据。

需要说明的是，存储模块分别与传感器72和主控器（图中未示出）连接，存储传感器72和主控器传输的数据，一般来说，存储模块可以独立设置；或者存储模块也可以集成在主控器上，优选地，存储模块集成在主控器上，节约了安装空间；并且存储模块可以设置为芯片存储、云存储等等，只要存储模块能够及时存储主动补偿组件70实时的试验数据，能够确保进行重复试验的可靠性。

本实施例中，主动补偿方法还包括：S4：在微重力模拟装置试验结束后，使所述重力平衡组件50恢复至初始位置。

需要说明的是，将重力平衡组件50处于初始位置时，关节点受到的附加力矩最低，优选可以用设置在支撑框架10部的绞盘固定，从而能够避免或者减少系统结构本身产生的重力力矩和摩擦力矩，确保关节点信息的准确性，保证主动补偿组件70的使用寿命。

本实施例中，在微重力模拟装置试验结束后，对主动补偿组件开始或停止充电的步骤。

需要说明的是，对主动补偿组件70进行充电的步骤具体包括：将主动补偿组件70的电源与外接电路连通，可以在主动补偿组件70的周侧设置有显示面板，当主动补偿组件充电完毕后，显示充电过程结束，提醒用户停止充电；或者，也可以在主控器上设置有一个子控器，在确认充电过程结束时，可以控制子控器进行断电，等等，只要能够保证主动补偿组件正常充电和断电即可，这样一来，确保用户再次使用时电量充足，操作方便，避免资源浪费，提高用户的体验。

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60固定连接。

优选地，重力平衡组件50受缓冲组件20的提供的弹性势能实现重力平衡，所述缓冲组件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30设置在支撑框架10内，并且缓冲组件20拉伸时对调节框架31不形成干涉作用，一般来说，缓冲组件20可以设置在调节框架31下方，或者，缓冲组件20也可以设置在调节框架31的上方，优选地，缓冲组件20的设置位置与安装通孔3112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3112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运动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。

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。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。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。通过对调节组件进行调节，进而使得调节组件带动重力平衡组件和人机系统到达使用人员所需要进行训练的环境下，对使用人员进行微低重力模拟的操作。

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。

进一步地，所述重力平衡组件50包括平行四边形结构，所述平行四边形结构由多个连接杆围成，即相邻两个连接杆能够相互转动，也就是说，相邻连接杆之间以关节点为轴转动连接。优选地，以双平行四边形结构为例进行详细说明，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的一侧的立杆与支撑框架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之间设置可通过立杆进行连接，或者第一平行四边形结构51与第二平行四边形结构52共用一条立杆，所述第一平行四边形结构51的另一侧的立杆与人机系统相连接。

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共用第一立杆，并且第一立杆522能够相对上下移动，可向重力平衡组件50提供相对于支撑框架在竖直方向上的自由度，所述第一平行四边形结构51与人机接口组件60连接立杆为自由端，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，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3112，并绕过换向组件沿重力平衡组件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在传动过程中仅与导向结构滑动连接，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，所述换向组件相对于凸出部可相对移动，通过换向组件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。

需要说明的是，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52的一侧的立杆可以与调节组件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，使用人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，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和人机系统到达使用人员所需要进行训练的环境下，对使用人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的关节点处还设置主动补偿组件70，对缓冲组件20和传动组件40向重力平衡组件50提供的反向作用力，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。

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。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。

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。

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 (7)

1.一种用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，所述体感微低重力模拟装置包括重力平衡组件、向所述重力平衡组件提供缓冲势能以至少部分平衡人体重力的缓冲组件、支撑框架及传动组件，所述缓冲组件设置在所述支撑框架内，且所述缓冲组件的底部与所述支撑框架的底部固定连接，所述缓冲组件的顶部与所述传动组件的一端连接，所述传动组件的另一端与所述重力平衡组件相连接，其特征在于，所述主动补偿方法包括：

S1：获取微低重力模拟装置产生的附加力矩；

S2：根据附加力矩向所述体感微低重力模拟装置输出相反方向的补偿力矩；

所述补偿力矩包括重力力矩、装置的摩擦力矩及位移产生的惯性力矩；

所述重力平衡组件包括至少一个平行四边形结构，所述补偿力矩的具体步骤包括：获取所述平行四边形结构关节点的角位移信息，计算需要补偿的重力力矩值；获取所述平行四边形结构关节点的角速度和角加速度信息，计算需要补偿的惯性力力矩值；获取所述平行四边形结构关节点的正压力值，计算需要补偿的摩擦力矩；

所述重力力矩的公式为

，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所述的用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，其特征在于，所述主动补偿方法还包括：

S3：判断附加力矩值与补偿力矩值是否相等；

根据判断结果，选择性地输出补偿力矩；

如果判断结果为“是”，则主动补偿组件停止输出补偿力矩。

3.根据权利要求2所述的用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，其特征在于，所述主动补偿方法还包括：

如果判断结果为“否”，则控制主动补偿组件继续输出补偿力矩直到输出的补偿力矩等于附加力矩。

4.根据权利要求1所述的用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，其特征在于，所述补偿力矩是通过电机输出的，所述电机的输出轴与所述平行四边形结构关节点的轴心相配合，驱动所述关节点的轴心进行反向转动，向所述关节点输出反向补偿力矩。

5.根据权利要求4所述的用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，其特征在于，所述电机至少包括两个，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，一个所述电机设置在所述第一立杆的一个关节点处；另一个设置在所述第二立杆的一个关节点处。

6.根据权利要求5所述的用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，其特征在于，所述关节点上设置有传感器，所述传感器至少用于获取所述关节点的角位移信息。

7.根据权利要求1-6中任一所述的用于体感微低重力模拟装置的主动补偿方法，其特征在于，所述主动补偿方法还包括：

S4：在体感微重力模拟装置试验结束后，使所述重力平衡组件固定至初始位置。

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