CN115180190B - 航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统及实验方法 - Google Patents

航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统及实验方法 Download PDF

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CN115180190B CN202211023865.0A CN202211023865A CN115180190B CN 115180190 B CN115180190 B CN 115180190B CN 202211023865 A CN202211023865 A CN 202211023865A CN 115180190 B CN115180190 B CN 115180190B
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Abstract

本申请公开了一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统及实验方法，地面模拟系统置于工作台上，地面模拟系统包括：投影组件，用于将在轨模型投影至工作台上；重力补偿组件，包括滑动安装在工作台上的第一架体，第一架体上设有滑动的调节架，调节架上设有可沿自身轴线旋转的绕杆，绕杆上缠绕有吊绳，吊绳自由端与维修工具可拆卸连接；夹持组件，包括滑动安装在工作台上的第二架体，第二架体上设有可滑动的升降板，升降板上设有可绕第一轴线旋转的插接头，插接头与工件可拆卸连接；障碍模拟组件，包括滑动安装在工作台上的第三架体，第三架体上设有机械臂，机械臂靠近工作空间一端设有仿形件，仿形件上设有可供航天员进入的限位空间。

Description

航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统及实验方法
技术领域
本公开涉及舱外维修领域，具体涉及一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统及实验方法。
背景技术
近年来我国正在加速空间站建设，由于空间站在轨航天员需要经常进行舱外活动完成设备安装、维修等舱外任务，前期对于舱外任务的操作模拟及可行性分析尤为重要。第一，需要确定舱外维修工具方案的可行性，根据模拟试验情况进行适应性改进；第二，需要确定航天员操作的具体姿态和位置，为真正太空在轨操作提供参考；第三，为航天员提供地面训练环境。
由于太空为零重力环境，操作设备时无重力影响，而地面模拟验证时某些设备重量过大，试验中徒手操作设备极其困难，某些试验操作项目无法操作，并且在重力的影响下，试验缺乏准确性，无法准确模拟太空中的操作力，为此航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统首先要解决零重力模拟问题。然后由于太空舱外操作实际工况多，环境复杂，需要模拟真实场景，且地面试验航天员只能保持直立姿态进行操作，为提前发现磕碰、遮挡等问题，还需要针对航天员直立姿态构建一套可调姿的环境模拟装置和操作对象姿态模拟装置。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统。
第一方面，一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，置于工作台上，包括：
投影组件，用于将在轨模型投影至工作台上；
重力补偿组件，包括滑动安装在所述工作台上的第一架体，所述第一架体上设有沿第一方向滑动的调节架，所述调节架上设有可沿自身轴线旋转的绕杆，所述绕杆上缠绕有吊绳，所述吊绳自由端与所述维修工具可拆卸连接；
夹持组件，包括滑动安装在所述工作台上的第二架体，所述第二架体上设有可沿第二方向滑动的升降板，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述升降板上设有可绕第一轴线旋转的插接头，所述插接头与所述工件可拆卸连接；
障碍模拟组件，包括滑动安装在所述工作台上的第三架体，所述第三架体与所述第一架体、所述第二架体之间设有可供航天员进行维修作业的工作空间，所述第三架体上设有机械臂，所述机械臂靠近所述工作空间一端设有仿形件，所述仿形件上设有可供航天员进入的限位空间。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一架体上设有沿第一方向延伸的滑轨，所述调节架上设有滑轮，所述滑轮嵌设在所述滑轨上，且可沿所述滑轨延伸方向滑动。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述滑轨靠近所述工作空间一端设有限位块，所述限位块与所述调节架相抵，用于对所述调节架进行滑动限位。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述吊绳自由端设有万向组件，所述维修工具一端与所述吊绳连接，另一端与所述万向组件连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述万向组件包括：
外环，所述外环上设有可沿自身轴线旋转的连接轴，所述外环内壁设有第一环形槽，且所述连接轴与所述吊绳自由端连接；
内环，所述内环同轴嵌套在所述外环内，且所述内环外壁设有第二环形槽；
滚珠，所述滚珠一端与所述第一环形槽相抵，另一端与所述第二环形槽相抵；
连接环，所述连接环嵌套在所述外环与所述内环之间，且所述连接环上设有限位孔，所述滚珠位于所述限位孔内，所述连接环与所述维修工具连接。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述机械臂组件包括第一转臂和第二转臂，所述第一转臂可绕第二轴线旋转地安装在所述第三架体上，所述第二转臂可绕第三轴线旋转地安装在所述第一转臂上，且所述第三轴线垂直所述第二轴线。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述仿形件形状与在轨操作障碍物形状相契合。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一架体、所述第二架体和所述第三架体底部均设有刹车滑轮。
第二方面，一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的实验方法，包括以下步骤：
S100.通过投影组件将在轨模型投影在工作台上；
S200.根据工作台上的投影信息，调整重力补偿组件、夹持组件和障碍模拟组件的位置，获得与实际工况相同的场地布局；
S200.将维修工具安装在吊绳上，调整维修工具姿态；
S300.将工件与插接头固定，调整所述工件姿态；
S400.将仿形件与第三架体固定，调整障碍物姿态；
S500.航天员进入仿形件的活动空间内，使用维修工具对工件进行模拟维修。
根据本申请实施例提供的技术方案，所述调整航天员与工件之间的相对位置关系，包括以下步骤：
S500-1.获取航天员的三组第一响应点的坐标信息，获取工件的三组第二响应点的坐标信息；
S500-2.根据三组第一响应点的坐标信息，构建第一平面，获取第一平面法向量n1；根据三组第二响应点的坐标信息，构建第二平面，获取第二平面法向量n2；
S500-3.根据第一平面法向量n1和第二平面法向量n2，调整所述航天员与工件之间的相对位置关系。
本发明的有益效果：本申请公开一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统及实验方法，所述地面模拟模拟系统安装在工作台上，所述投影组件用于将将在轨模型投影至工作台上，所述工作台上还设有可滑动的重力补偿组件、夹持组件和障碍模拟组件。重力补偿组件包括第一架体，所述第一架体上设有沿第一方向滑动的调节架，所述调节架上设有可沿自身轴线旋转的绕杆，所述绕杆上缠绕有吊绳，设有吊绳，所述吊绳自由端与所述维修工具可拆卸连接；夹持组件包括第二架体，所述第二架体上设有可沿第二方向滑动的升降板，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述升降板上设有可绕第一轴线旋转的插接头，所述插接头与所述工件可拆卸连接；障碍模拟组件包括第三架体，所述第三架体与所述第一架体、所述第二架体之间设有可供航天员进行维修作业的工作空间，所述第三架体上设有机械臂，所述机械臂靠近所述工作空间一端设有仿形件，所述仿形件上设有可供航天员进入的限位空间。
首先，通过投影组件将在轨模型的投影在工作台上，根据投影信息，滑动第一架体，旋转绕杆，将维修工具的位置与姿态与投影重合；根据投影信息，滑动第二架体，滑动升降板，旋转插接头，将工件的位置、姿态与投影重合；根据投影信息，制作特定形状的仿形件，滑动第三架体，调节机械臂，使仿形件的位置、姿态与投影重合，完成地面模拟系统的搭建，航天员进入仿形组件的限位空间，使用维修工具对工件进行地面模拟维修。
通过吊绳克服重力将维修工具吊起，脱离工作台台面；通过插接头使工件脱离工作台台面，通过机械臂将仿形件脱离工作台台面，使各组件克服重力悬吊在空中，模拟舱外环境；通过设置投影组件可提高地面各部件之间的相对位置的准确性，提高模拟真实性；通过设置仿形件，且仿形件设置限位空间，可模拟航天员在轨操作过程中的障碍环境，进一步提高模拟真实性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的一种实施例示意图；
图2是本申请的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的万向组件示意图；
图3是本申请的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的外环和内环示意图；
图4是本申请的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的连接环示意图；
1、投影组件；2、第一架体；20、调节架；21、吊绳；22、万向组件；23、维修工具；3、第二架体；30、升降板；31、插接头；32、工件；4、第三架体；40、第一转臂；41、第二转臂；42、仿形件；5、航天员；6、外环；60、连接轴；7、内环；70、配重块；71、滚珠；8、连接环；80、限位孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
如图1所示，一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，置于工作台上，投影组件1，用于将在轨模型投影至工作台上；重力补偿组件，包括滑动安装在所述工作台上的第一架体2，所述第一架体2上设有沿第一方向滑动的调节架20，所述调节架20上设有可沿自身轴线旋转的绕杆，所述绕杆上缠绕有吊绳21，所述吊绳21自由端与所述维修工具23可拆卸连接；夹持组件，包括滑动安装在所述工作台上的第二架体3，所述第二架体3上设有可沿第二方向滑动的升降板30，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述升降板30上设有可绕第一轴线旋转的插接头31，所述第一轴线为所述插接头31的中轴线，所述插接头31与所述工件32可拆卸连接；障碍模拟组件，包括滑动安装在所述工作台上的第三架体4，所述第三架体4与所述第一架体2、所述第二架体3之间设有可供航天员5进行维修作业的工作空间，所述第三架体4上设有机械臂，所述机械臂靠近所述工作空间一端设有仿形件42，所述仿形件42上设有可供航天员进入的限位空间。具体地，所述第一方向为图1中箭头A所指方向，所述第二方向为图1中箭头B所指方向。
其中，所述投影组件1可通过靶标点建立模型与整个地面模拟系统的位置关系，并直接将在轨模型中关键的空间点和线投射至工作台上，查看模拟系统的位置和姿态准确性，并可参照投射图形对模拟系统进行位姿调整，确保与在轨真实操作工况一致。优选地，所述投影组件1的具体型号为EXTEND3D公司生产的WERKLICHT@Pro Xl投影设备。
进一步地，所述投影组件1还包括测量模块，所述测量模块用于准确测量工件32、维修工具23、仿形件42与航天员三者的相对位置关系，尤其是角度和最近距离的测量，并与在轨模型自动比对，分析匹配程度，测量形式包括光学测距、三维扫描数字建模比对等形式。
工作原理：首先通过投影组件1将在轨模型的投影在工作台上，根据投影信息，滑动第一架体2，旋转绕杆，将维修工具23的位置与姿态与投影重合；根据投影信息，滑动第二架体3，滑动升降板30，旋转插接头31，将工件32的位置、姿态与投影重合；根据投影信息，制作特定形状的仿形件42，滑动第三架体4，调节机械臂，使仿形件42的位置、姿态与投影重合，完成地面模拟系统的搭建，航天员5进入仿形组件的限位空间，使用维修工具23对工件32进行地面模拟维修。
通过吊绳21克服重力将维修工具23吊起，脱离工作台台面；通过插接头31使工件32脱离工作台台面，通过机械臂将仿形件42脱离工作台台面，使各组件克服重力悬吊在空中，模拟舱外环境。通过设置投影组件1可提高地面各部件之间的相对位置的准确性，提高模拟真实性；通过设置仿形件42，且仿形件42设置限位空间，可模拟航天员5在轨操作过程中的障碍环境，进一步提高模拟真实性。可以快速、真实的模拟航天员在轨舱外实际操作工况，实现维修工具23零重力操作和操作状态数据实时记录。
进一步地，所述第一架体2上设有沿第一方向延伸的滑轨，所述调节架20上设有滑轮，所述滑轮嵌设在所述滑轨上，且可沿所述滑轨延伸方向滑动。
其中，所述滑轨靠近所述工作空间一端设有限位块，所述限位块与所述调节架20相抵，用于对所述调节架20进行滑动限位。所述吊绳21自由端设有万向组件22，所述维修工具23一端与所述吊绳21连接，另一端与所述万向组件22连接。优选地，所述吊绳21延长线通过所述维修工具23的中心。
如图2-4所示，进一步地，所述万向组件22包括：外环6，所述外环6上设有可沿自身轴线旋转的连接轴60，所述外环6内壁设有第一环形槽，且所述连接轴60与所述吊绳自由端连接；内环7，所述内环7同轴嵌套在所述外环6内，且所述内环7外壁设有第二环形槽；滚珠71，所述滚珠71一端与所述第一环形槽相抵，另一端与所述第二环形槽相抵；连接环8，所述连接环8嵌套在所述外环6与所述内环7之间，且所述连接环8上设有限位孔80，所述滚珠71位于所述限位孔80内，所述连接环8与所述维修工具23连接。
其中，所述外环6与连接轴60之间通过轴承连接，且所述滚珠71设置两组，所述连接环8上设置对称设置两组限位孔80，用于放置滚珠71。优选地，所述内环7底部设有配重块70，用于防止所述内圈相对外圈发生转动。
优选地，调节架20上设有第一电机，所述第一电机输出端与所述绕杆传动连接，用于驱动所述绕杆旋转。所述吊绳21与所述维修工具23之间设有拉力传感器，所述拉力传感器与控制单元电连接，所述控制单元输出端与所述第一电机连接。所述控制单元可根据航天员操作抬升或下降维修工具23，将吊绳21摩擦力代入计算，即抬升过程吊绳21所提供的重力补偿为吊绳21重力、万向组件22重力、维修工具23重力与吊绳21所受的摩擦力之和，下降过程重力补偿为吊绳21重力、万向组件22重力、维修工具23重力之和减掉吊绳21所受的摩擦力。控制单元可根据重力补偿数值通过第一电机完成维修工具23竖直方向的随动，随动响应时间＜0.5s。
优选地，可根据舱外维修工具23的尺寸和形状可适当增加第一电机和吊绳21的数量，辅助抵消舱外维修工具23旋转过程中的回复力。
进一步地，所述机械臂组件包括第一转臂40和第二转臂41，所述第一转臂40可绕第二轴线旋转地安装在所述第三架体4上，所述第二转臂41可绕第三轴线旋转地安装在所述第一转臂40上，且所述第三轴线垂直所述第二轴线，具体地，所述第二轴线为所述第一转臂40的中轴线，所述第三轴线为所述第二转臂41的中轴线。
其中，航天员第二转臂41可与仿形件42快速插接，且所述第一转轴可沿竖直方向滑动的安装在所述第三架体4上，为仿形组件提供高度的调整以及多轴轴向旋转的能力，满足仿形件42的姿态调节。
具体地，所述仿形件42形状可对舱体、设备及其他凸出物和遮挡物进行仿形制作，以提高航天员5在地实验的真实性。
进一步地，所述第一架体2、所述第二架体3和所述第三架体4底部均设有刹车滑轮。有利于重力补偿组件、夹持组件和障碍模拟组件的移动和固定。
实施例2
一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的实验方法，包括以下步骤：
S100.通过投影组件1将在轨模型投影在工作台上；
其中，通过建立在轨仿真模型，将仿真模型通过投影组件1投影在工作台上。
S200.根据工作台上的投影信息，调整重力补偿组件、夹持组件和障碍模拟组件的位置，获得与实际工况相同的场地布局；
其中，通过滑动第一架体2、第二架体3和第三架体4，将所述重力补偿组件、夹持组件和障碍模拟组件位置与仿真模型投影出的位置重合，完成对场地的布局。
S200.将维修工具23安装在吊绳21上，调整维修工具23姿态；
其中，通过滑动调节架20，调整维修工具23的水平位置，通过第一电机驱动绕杆旋转，带动吊绳21与绕杆缠绕，调整维修工具23的竖直位置，由于吊绳21属于柔性连接，航天员5可手持维修工具23进行任意方向的旋转，实现对维修工具23姿态的微调。
S300.将工件32与插接头固定，调整所述工件32姿态；
其中，通过滑动升降板30，调节升降板30的竖直位置，通过旋转第一插接头31可调节工件32的姿态。
S400.将仿形件42与第三架体4固定，调整障碍物姿态；
其中，仿形件42插接安装在第二转臂41上，通过旋转第一转臂40和第二转臂41实现对仿形件42的姿态调整。
S500.航天员进入仿形件42的活动空间内，使用维修工具23对工件32进行模拟维修。
其中，将着服后的航天员移动至活动空间内，模拟航天员在轨真实操作，对航天员相对工件32的位置使用测量模块进行测量和记录。在工作台上还设有便携式交限位器，用于对航天员进行限位。
进一步地，所述调整航天员与工件32之间的相对位置关系，包括以下步骤：
S500-1.获取航天员的三组第一响应点的坐标信息，获取工件32的三组第二响应点的坐标信息；
其中，所述三组第一响应点包括：航天员双脚前端中间点、便携式脚限位器基点和航天员头顶中间点。三组第二响应点包括：工件32与航天员之间最近端点、工件32与航天员之间最远端点和工件32距离工作台面最低点。
S500-2.根据三组第一响应点的坐标信息，构建第一平面，获取第一平面法向量n1；根据三组第二响应点的坐标信息，构建第二平面，获取第二平面法向量n2；
S500-3.根据第一平面法向量n1和第二平面法向量n2，调整所述航天员与工件32之间的相对位置关系。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，置于工作台上，其特征在于，所述地面模拟系统包括：
投影组件(1)，用于将在轨模型投影至工作台上；
重力补偿组件，包括滑动安装在所述工作台上的第一架体(2)，所述第一架体(2)上设有沿第一方向滑动的调节架(20)，所述调节架(20)上设有可沿自身轴线旋转的绕杆，所述绕杆上缠绕有吊绳(21)，所述吊绳(21)自由端与所述维修工具(23)可拆卸连接；
夹持组件，包括滑动安装在所述工作台上的第二架体(3)，所述第二架体(3)上设有可沿第二方向滑动的升降板(30)，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述升降板(30)上设有可绕第一轴线旋转的插接头(31)，所述插接头(31)与工件(32)可拆卸连接；
障碍模拟组件，包括滑动安装在所述工作台上的第三架体(4)，所述第三架体(4)与所述第一架体(2)、所述第二架体(3)之间设有可供航天员(5)进行维修作业的工作空间，所述第三架体(4)上设有机械臂，所述机械臂靠近所述工作空间一端设有仿形件(42)，所述仿形件(42)上设有可供航天员进入的限位空间。
2.根据权利要求1所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，其特征在于：所述第一架体(2)上设有沿第一方向延伸的滑轨，所述调节架(20)上设有滑轮，所述滑轮嵌设在所述滑轨上，且可沿所述滑轨延伸方向滑动。
3.根据权利要求2所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，其特征在于：所述滑轨靠近所述工作空间一端设有限位块，所述限位块与所述调节架(20)相抵，用于对所述调节架(20)进行滑动限位。
4.根据权利要求3所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，其特征在于：所述吊绳(21)自由端设有万向组件(22)，所述维修工具(23)一端与所述吊绳(21)连接，另一端与所述万向组件(22)连接。
5.根据权利要求4所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，其特征在于，所述万向组件(22)包括：
外环(6)，所述外环(6)上设有可沿自身轴线旋转的连接轴(60)，所述外环(6)内壁设有第一环形槽，且所述连接轴(60)与所述吊绳自由端连接；
内环(7)，所述内环(7)同轴嵌套在所述外环(6)内，且所述内环(7)外壁设有第二环形槽；
滚珠(71)，所述滚珠(71)一端与所述第一环形槽相抵，另一端与所述第二环形槽相抵；
连接环(8)，所述连接环(8)嵌套在所述外环(6)与所述内环(7)之间，且所述连接环(8)上设有限位孔(80)，所述滚珠(71)位于所述限位孔(80)内，所述连接环(8)与所述维修工具(23)连接。
6.根据权利要求1所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，其特征在于：所述机械臂组件包括第一转臂(40)和第二转臂(41)，所述第一转臂(40)可绕第二轴线旋转地安装在所述第三架体(4)上，所述第二转臂(41)可绕第三轴线旋转地安装在所述第一转臂(40)上，且所述第三轴线垂直所述第二轴线。
7.根据权利要求1所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，其特征在于：所述仿形件(42)形状与在轨操作障碍物形状相契合。
8.根据权利要求1所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统，其特征在于：所述第一架体(2)、所述第二架体(3)和所述第三架体(4)底部均设有刹车滑轮。
9.一种基于权利要求1至8任意一项所述的航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100.通过投影组件(1)将在轨模型投影在工作台上；
S200.根据工作台上的投影信息，调整重力补偿组件、夹持组件和障碍模拟组件的位置，获得与实际工况相同的场地布局；
S200.将维修工具(23)安装在吊绳(21)上，调整维修工具(23)姿态；S300.将工件(32)与插接头(31)固定，调整所述工件(32)姿态；
S400.将仿形件(42)与第三架体(4)固定，调整障碍物姿态；
S500.航天员进入仿形件(42)的活动空间内，调整航天员与工件(32)之间的相对位置关系，使用维修工具(23)对工件(32)进行模拟维修。
10.根据权利要求9所述的一种航天员在轨操作舱外维修工具的地面模拟系统的实验方法，其特征在于，所述调整航天员与工件(32)之间的相对位置关系，包括以下步骤：
S500-1.获取航天员的三组第一响应点的坐标信息，获取工件(32)的三组第二响应点的坐标信息；
S500-2.根据三组第一响应点的坐标信息，构建第一平面，获取第一平面法向量n1；根据三组第二响应点的坐标信息，构建第二平面，获取第二平面法向量n2；
S500-3.根据第一平面法向量n1和第二平面法向量n2，调整所述航天员与工件(32)之间的相对位置关系。
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