CN114464070B - 基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其包括支撑架、随动单元、并联调姿单元和星球车，支撑架上设有随动单元，且随动单元包括X向随动组件、Y向随动组件和Z向随动组件，X向随动组件滑动设于支撑框架上，且Y向随动组件设于X向随动组件下方，Z向随动组件设于Y向随动组件下方，星球车设于支撑架的模拟台上，且并联调姿平台设于星球车上。本发明通过对电磁效应的充分利用有效解决了现有技术的不足，同时既能通过控制电磁模块与磁介质板的距离，又能通过控制电磁模块线圈电流的大小保持磁悬浮补偿力的动态稳定，能有效地模拟低重力实验，具有重力补偿精度高、适用性强、模拟环境真实以及协调性好等优点。

Description

基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台

技术领域

本发明属于太空星球低重力环境实验平台技术领域，特别涉及一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台。

背景技术

星球探索是众多的太空探测活动之一，对于人类认识并利用外太空具有重大意义。目前各国都有星球探测车登陆月球和火星，为人类探索、认识月球和火星做出了重要贡献。作为重要的探测工具，探测车的移动性能对其探测任务的影响尤为显著，而月球、火星与地球的重力场差异，是影响星球探测车的性能的主要因素，航天器发射前的地面低重力模拟试验至关重要。

目前低重力模拟方法主要有：落塔法、抛物线飞行法、水浮法、气浮法以及悬吊法，适用于星球车越障、避障实验的是悬吊法和气浮法。其中悬吊法利用悬吊机构补偿整车的重力。发展至今，该方法是星球车低重力模拟的主要方法，且技术较为成熟。该方法虽然实验原理简单，但也存在诸多不足，即系统摩擦大，控制复杂，补偿精度不高；尤其是悬吊绳索无法交叉，致使星球车模拟路线受限；同时存在绳索的柔性、抖动以及配重块的惯性效应等不利因素。气浮法利用气压设备输出气压稳定的气流托起放置有实验对象的平台的低重力模拟实验方法。其微重力模拟精度高，建造周期短、模拟时间不受限制，可重复利用，可靠性高。缺点是很难实现竖直方向微重力模拟。该方法通常用于星球车零部件低重力模拟实验。因此，需要根据星球车在地面进行避障、越障等移动性能的低重力模拟实验需求，设计一种模拟太空星球低重力环境的实验平台，以模拟星球车在太空中的实际运行环境。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，通过对电磁效应的充分利用有效地解决了悬吊绳索无法交叉，星球车模拟路线受限的问题；同时规避了绳索的柔性、抖动以及配重块的惯性效应等不利因素，以及解决了气浮法难实现竖直方向微重力模拟的问题，此外既能通过控制电磁模块与磁介质板的距离，又能通过控制电磁模块线圈电流的大小保持磁悬浮补偿力的动态稳定，能有效地模拟低重力实验，具有重力补偿精度高、通用性强、适用性强、模拟环境真实以及协调性好等优点。

本发明采用的技术方案是一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其包括支撑架、随动单元、并联调姿单元和星球车，所述支撑架上设有所述随动单元，且所述随动单元包括X向随动组件、Y向随动组件和Z向随动组件，所述X向随动组件包括X向连接架、X向导轨、X向滑块、X向丝杠、X向螺母和X向电机，所述X向导轨对称设于所述支撑架中支撑框架的第一端和第二端，所述X向滑块对称设于所述X向连接架的第一端面和第二端面上，所述X向连接架设于所述支撑框架上，且所述X向滑块滑动设于所述X向导轨上，所述X向丝杠的第一端通过轴承支撑于所述支撑框架上，且所述X向丝杠的第二端通过联轴器与所述X向电机的输出轴连接，所述X向电机固定于所述支撑框架上，所述X向螺母设于所述X向连接架上，且所述X向螺母与所述X向丝杠传动连接，所述Y向随动组件设于所述X向随动组件下方，且所述Y向随动组件包括Y向导轨、Y向滑块、Y向丝杠、Y向螺母、Y向电机和Y向连接板，所述Y向导轨对称设于所述X向连接架底部的第一端和第二端，所述Y向滑块均布设于所述Y向连接板顶部的边角处，所述Y向连接板设于所述X向连接架的下方，且所述Y向滑块滑动设于所述Y向导轨上，所述Y向丝杠的第一端通过轴承支撑于所述X向连接架的底部，且所述Y向丝杠的第二端通过联轴器与所述Y向电机的输出轴连接，所述Y向电机固定于所述X向连接架上，所述Y向螺母设于所述Y向连接板上，且所述Y向螺母与所述Y向丝杠传动连接，所述Z向随动组件设于所述Y向随动组件下方，且所述Z向随动组件包括Z向电动缸模组、Z向连接板和导向柱，所述Z向电动缸模组的第一端与所述Y向连接板固定连接，且所述Z向电动缸模组的第二端通过力传感器与所述Z向连接板的顶部连接，所述Z向电动缸模组的两侧对称设于所述导向柱，且所述Y向连接板的底部设有力反馈控制器，所述Z向连接板侧面和底部分别设有激光3D传感器和电磁模块；所述星球车设于所述支撑架的模拟台上，且所述并联调姿平台设于所述星球车上，所述并联调姿平台的动平台上设有磁介质板，且所述磁介质板的各侧面均设有陀螺仪稳定器和位移传感器。

进一步地，所述支撑架包括支撑底座、模拟台、连接架和支撑框架，所述支撑框架通过所述连接架固定于所述支撑底座上，且所述支撑底座的中间处设有所述模拟台，所述模拟台的一侧设有电源，且所述连接架上分别设有平台控制器和位移反馈控制器。

优选地，所述模拟台的上表面设有星球地貌层。

进一步地，所述陀螺仪稳定器包括四个陀螺仪稳定器，且四个所述陀螺仪稳定器对称设于所述磁介质板的各侧面。

优选地，所述陀螺仪稳定器上设有所述位移传感器，且所述位移传感器能实时测量所述磁介质板至所述电磁模块之间的磁隙。

优选地，在所述并联调姿平台上的磁介质板相对运动过程中，所述位移传感器的中线轴线始终保持竖直向上。

进一步地，所述并联调姿平台还包括五组电动缸模组，所述五组电动缸模组设于所述并联调姿平台的动平台和定平台之间，且所述平台控制器能实现所述五组电动缸模组的闭环伺服控制，精密控制所述五组电动缸模组的推力。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，通过随动单元中X向随动组件、Y向随动组件和Z向随动组件，可以实现对电磁模块X、Y、Z三个方向的调节，其中采用的丝杠螺母传动组件具有结构简单，方便实现长行程，高加速度，响应快，定位精度高等优点。

2、本发明提供的一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，通过在并联调姿单元上设置磁介质板，通过驱动并联调姿单元中电动缸模组，可以实时控制磁介质板位姿，有利于电磁模块与磁介质板之间磁悬浮补偿力的动态稳定。

3、本发明提供的一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，既能通过控制电磁模块与磁介质板的距离，又能通过控制电磁模块线圈电流的大小保持磁悬浮补偿力的动态稳定，能有效地模拟低重力实验。

4、本发明提供的一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，通过对电磁效应的充分利用有效地解决了悬吊绳索无法交叉，星球车模拟路线受限的问题；同时规避了绳索的柔性、抖动以及配重块的惯性效应等不利因素，以及解决了气浮法难实现竖直方向微重力模拟的问题。

5、本发明提供的一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，具有重力补偿精度高、通用性强、适用性强、模拟环境真实以及协调性好等优点。

附图说明

图1是本发明基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台的整体结构示意图；

图2是本发明基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台的整体结构轴测示意图；

图3是本发明的随动机构整体结构示意图；

图4是本发明的随动机构轴测示意图；

图5是本发明的并联调姿单元整体结构示意图；

图6是本发明的并联调姿单元轴测示意图。

主要附图标记：

X向连接架1；X向导轨2；X向滑块3；X向丝杠4；X向螺母5；X向电机6；Y向导轨7；Y向滑块8；Y向丝杠9；Y向螺母10；Y向电机11；Y向连接板12；力反馈控制器13；Z向电动缸模组14；力传感器15；激光3D传感器16；电磁模块17；位移传感器18；磁介质板19；陀螺仪稳定器20；电动缸模组21；星球车22；模拟台23；电源24；连接架25；平台控制器26；位移反馈控制器27；支撑底座28；支撑框架29；Z向连接板30；导向柱31；动平台32和定平台33。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，如图1和图2所示，其包括支撑架、随动单元、并联调姿单元和星球车22，支撑架包括支撑底座28、模拟台23、连接架25和支撑框架29，支撑框架29通过连接架25固定于支撑底座28上，且支撑底座28的中间处设有模拟台23，模拟台23的一侧设有电源24，电源24用于为所有动力原件供电，且连接架25上分别设有平台控制器26和位移反馈控制器27。

模拟台23的上表面设有星球地貌层，用于还原星球车在星球表面巡视和勘测工作的真实状态。

如图3和图4所示，支撑架上设有随动单元，且随动单元包括X向随动组件、Y向随动组件和Z向随动组件，X向随动组件包括X向连接架1、X向导轨2、X向滑块3、X向丝杠4、X向螺母5和X向电机6，X向导轨2对称设于支撑架中支撑框架29的第一端和第二端，X向滑块3对称设于X向连接架1的第一端面和第二端面上，X向连接架1呈工字梁结构状，X向连接架1设于支撑框架29上，且X向滑块3滑动设于X向导轨2上，X向丝杠4的第一端通过轴承支撑于支撑框架29上，且X向丝杠4的第二端通过联轴器与X向电机6的输出轴连接，X向电机6固定于支撑框架29上，X向螺母5设于X向连接架1上，且X向螺母5与X向丝杠4传动连接，通过X向电机6可以驱动X向丝杠4带动X向连接架1沿X向滑动。

Y向随动组件设于X向随动组件下方，且Y向随动组件包括Y向导轨7、Y向滑块8、Y向丝杠9、Y向螺母10、Y向电机11和Y向连接板12，Y向导轨7对称设于X向连接架1底部的第一端和第二端，Y向滑块8均布设于Y向连接板12顶部的边角处，Y向连接板12设于X向连接架1的下方，且Y向滑块8滑动设于Y向导轨7上，Y向丝杠9的第一端通过轴承支撑于X向连接架1的底部，且Y向丝杠9的第二端通过联轴器与Y向电机11的输出轴连接，Y向电机11固定于X向连接架1上，Y向螺母10设于Y向连接板12上，且Y向螺母10与Y向丝杠9传动连接，通过Y向电机11可以驱动Y向丝杠9带动Y向连接板12沿Y向滑动。

Z向随动组件设于Y向随动组件下方，且Z向随动组件包括Z向电动缸模组14、Z向连接板30和导向柱31，Z向电动缸模组14的第一端与Y向连接板12固定连接，且Z向电动缸模组14的第二端通过力传感器15与Z向连接板30的顶部连接，Z向电动缸模组14的两侧对称设于导向柱31，且Y向连接板12的底部设有力反馈控制器13，Z向连接板30侧面和底部分别设有激光3D传感器16和电磁模块17，其中力传感器15用来检测整个星球车22是否处在太空星球重力环境中，通过Z向电动缸模组17可以驱动电磁模块17沿Z向移动，其中导向柱31能起导向作用。

如图1～图4所示，星球车22设于支撑架的模拟台23上，且并联调姿平台设于星球车22上，并联调姿平台的动平台32上设有磁介质板19，且磁介质板19的各侧面均设有陀螺仪稳定器20和位移传感器18。其中位移传感器18用于检测电磁模块17与磁介质板19之间的磁隙，并将信号传递给平台控制器26；位移反馈控制器27接收激光3D传感器16检测的磁介质板19位姿信息。

在一种优选方式中，陀螺仪稳定器20包括四个陀螺仪稳定器20，且四个陀螺仪稳定器20对称设于磁介质板19的各侧面，陀螺仪稳定器20上设有位移传感器18，且位移传感器18能实时测量磁介质板19至电磁模块17之间的磁隙。在并联调姿平台上的磁介质板19相对运动过程中，位移传感器18的中线轴线始终保持竖直向上。

如图5和图6所示，并联调姿平台还包括五组电动缸模组21，五组电动缸模组21设于并联调姿平台的动平台32和定平台33之间，其中四组电动缸模组21以位于定平台33中间处的电动缸模组21为中心两两对称布置，且四组电动缸模组21的底端与定平台33采用圆柱副连接，中间处的电动缸模组21的底端与定平台33采用球铰连接，五组电动缸模组21的顶端均与动平台32采用球铰连接，

本发明的具体操作步骤如下：

如图1～6所示，本发明的基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其包括支撑架、随动单元、并联调姿单元和星球车22，支撑架上设有随动单元，且随动单元包括X向随动组件、Y向随动组件和Z向随动组件，X向随动组件滑动设于支撑框架上，Y向随动组件设于X向随动组件下方，且Z向随动组件设于Y向随动组件下方，星球车22设于支撑架的模拟台23上，且并联调姿平台设于星球车22上。

在具体工作过程中，首先通过X向电机6可以驱动X向丝杠4带动X向连接架1沿X向滑动，通过Y向电机11可以驱动Y向丝杠9带动Y向连接板12沿Y向滑动，通过Z向电动缸模组17可以驱动电磁模块17沿Z向移动，进而实现随动机构X、Y、Z三个方向的移动。

当星球车静止状态时，并联调姿单元正中心的电动缸模组21垂直于电磁模块17，磁介质板19与电磁模块17行平且对中，电磁模块17内线圈通电，电磁模块17与磁介质板19产生磁效应，磁浮力竖直作用在星球车22上，补偿星球车的重力以及附加重力。

当星球车运动状态时，位移传感器18检测磁介质板19位姿信号并实时反馈信号给平台控制器26，控制并联调姿单元中五组电动缸模组21伸缩调节磁介质板19平行电磁模块17，且中间处的电动缸模组21呈竖直状态。在磁介质板19随小车运动的过程中，激光3D传感器16实时传递磁介质板19位置信息给位移反馈控制器27，控制随动机构的X向电机6与Y向电机11分别驱动两组丝杠螺母传动机构移动，使得使电磁模块17主动跟随磁介质板19运动，Z向电动缸模组14驱动电磁模块17在Z方向移动，电磁模块17与磁介质板19实时对中且距离动态恒定。同时力反馈控制器13接收力传感器15的信号，在电磁模块17相对运动过程中改变线圈电流的大小进而控制磁悬浮补偿力动态稳定，最终实现对星球车22的动态低重力补偿。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其特征在于，其包括支撑架、随动单元、并联调姿单元和星球车，

所述支撑架包括支撑底座、模拟台、连接架和支撑框架，所述支撑框架通过所述连接架固定于所述支撑底座上，且所述支撑底座的中间处设有所述模拟台，所述模拟台的一侧设有电源，且所述连接架上分别设有平台控制器和位移反馈控制器；

所述支撑架上设有所述随动单元，且所述随动单元包括X向随动组件、Y向随动组件和Z向随动组件，所述X向随动组件包括X向连接架、X向导轨、X向滑块、X向丝杠、X向螺母和X向电机，所述X向导轨对称设于所述支撑架中支撑框架的第一端和第二端，所述X向滑块对称设于所述X向连接架的第一端面和第二端面上，所述X向连接架设于所述支撑框架上，且所述X向滑块滑动设于所述X向导轨上，所述X向丝杠的第一端通过轴承支撑于所述支撑框架上，且所述X向丝杠的第二端通过联轴器与所述X向电机的输出轴连接，所述X向电机固定于所述支撑框架上，所述X向螺母设于所述X向连接架上，且所述X向螺母与所述X向丝杠传动连接，所述Y向随动组件设于所述X向随动组件下方，且所述Y向随动组件包括Y向导轨、Y向滑块、Y向丝杠、Y向螺母、Y向电机和Y向连接板，所述Y向导轨对称设于所述X向连接架底部的第一端和第二端，所述Y向滑块均布设于所述Y向连接板顶部的边角处，所述Y向连接板设于所述X向连接架的下方，且所述Y向滑块滑动设于所述Y向导轨上，所述Y向丝杠的第一端通过轴承支撑于所述X向连接架的底部，且所述Y向丝杠的第二端通过联轴器与所述Y向电机的输出轴连接，所述Y向电机固定于所述X向连接架上，所述Y向螺母设于所述Y向连接板上，且所述Y向螺母与所述Y向丝杠传动连接，所述Z向随动组件设于所述Y向随动组件下方，且所述Z向随动组件包括Z向电动缸模组、Z向连接板和导向柱，所述Z向电动缸模组的第一端与所述Y向连接板固定连接，且所述Z向电动缸模组的第二端通过力传感器与所述Z向连接板的顶部连接，所述Z向电动缸模组的两侧对称设于所述导向柱，且所述Y向连接板的底部设有力反馈控制器，所述Z向连接板侧面和底部分别设有激光3D传感器和电磁模块；

所述星球车设于所述支撑架的模拟台上，且所述并联调姿平台设于所述星球车上，所述并联调姿平台的动平台上设有磁介质板，且所述磁介质板的各侧面均设有陀螺仪稳定器和位移传感器；

所述并联调姿平台还包括五组电动缸模组，所述五组电动缸模组设于所述并联调姿平台的动平台和定平台之间，且所述平台控制器能实现所述五组电动缸模组的闭环伺服控制，控制所述五组电动缸模组的推力。

2.根据权利要求1所述的基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其特征在于，所述模拟台的上表面设有星球地貌层。

3.根据权利要求1所述的基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其特征在于，所述陀螺仪稳定器包括四个陀螺仪稳定器，且四个所述陀螺仪稳定器对称设于所述磁介质板的各侧面。

4.根据权利要求3所述的基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其特征在于，所述陀螺仪稳定器上设有所述位移传感器，且所述位移传感器能实时测量所述磁介质板至所述电磁模块之间的磁隙。

5.根据权利要求4所述的基于并联调姿的星球车磁悬浮重力补偿实验平台，其特征在于，在所述并联调姿平台上的磁介质板相对运动过程中，所述位移传感器的中线轴线始终保持竖直向上。

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