CN104118580A - 一种低重力模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低重力模拟装置及方法，该装置主要包括以下部件：多套“恒张力”控制***，用于在垂向工作行程范围内按指令实现吊绳的张力控制；三自由度移动旋转综合平台及控制子***，其下方连接有所述多套“恒张力”控制***，多套“恒张力”控制***分别通过吊绳与模拟低重力物体连接，同时多套恒张力控制***位姿参数共同耦合后作为三自由度移动旋转平台的控制信息；吊挂主体结构，设置在伺服综合平台上；多吊点组合控制***，根据模拟低重力物***置姿态，实时计算各吊挂点当前吊挂力值，保证吊挂力符合所设定重力要求，且吊挂力通过模拟低重力物体的质心。本发明可以真实再现低重力情况下各运动机构间活动部件及连接处的受力情况，适应质心实时变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种低重力模拟装置及方法。
背景技术
目前存在各种模拟小重力环境的装置，如带有降落箱的装置、飞机、水域、气球和起重机械，对试验对象重心施加垂直的减载力等，该些常用的模拟器一般采用安装在各种固定的或可以地理移动的***上，其中最典型的是桥式起重机械和运输机械为基础的模拟器。现有的低重力模拟器一般都为沿单方向一定轨迹的模拟器，特殊领域使用开发了一种单点自动跟踪***，但任无法满足多部件机构产品针对每个部件低重力实时模拟要求。
月球车地面试验过程中要求进行低重力模拟，通常月球车行走***为多部件机构***（六轮摇臂式），行走***由四个活动部件和本体连接装置五部分组成。目前能力的单点式减重模拟装置，只能针对结构件（主要是本体连接装置，也称为箱体）进行吊挂。试验过程中仅对月球车箱体（单点）进行减载控制，由于模拟月面地形的复杂性，活动部件质心的变化无序性，无法准确模拟月球车月面行走过程中六轮的轮压，无法实时跟随机构件内部质心变化情况随时调整。即无法获取准确的月球车月面行走性能参数。
发明内容
本发明提供一种多点吊挂低重力模拟装置及方法，以解决现有技术中的上述缺陷。由于月面巡视探测器有多个运动机构构成，在运动过程中其质心是实时变化的。为了真实再现各运动机构间活动连接处的受力情况，适应质心实时变化，该模拟装置对各运动部件分别吊挂。
本发明的技术方案如下：
一种低重力模拟装置，主要包括以下部件：
与吊挂点一一对应的多套“恒张力”控制***，用于在垂向工作行程范围内按指令实现吊绳的张力控制；
移动平台及控制子***，主要由平台框架和安装有所述“恒张力”控制***的伺服运动平台组成，所述伺服运动平台采用二维移动伺服控制方案，能控制每个吊绳始终保持铅垂；所述伺服运动平台的下方连接有所述与吊挂点一一对应的多套“恒张力”控制***，所述多套“恒张力”控制***分别通过吊绳与模拟低重力物体连接；所述伺服运动平台优选为高响应的伺服运动平台；
吊挂主体结构，设置在所述伺服运动平台上，主要由导轨、纵向运动大车、横向运动小车和转盘组成，其中纵向运动大车滑动连接于所述导轨上，横向运动小车位于纵向运动大车的上方、并与纵向运动大车滑动连接，所述转盘的上端与纵向运动大车转动连接，所述转盘的下端与所述高响应伺服运动平台固接，所述转盘用于根据伺服运动平台上各吊挂点相对位置的变化，判断被吊挂的所述模拟低重力物体运动方向的变化，控制移动平台作相应的转向，保证伺服运动平台上的各吊挂点始终处于工作行程范围内；
多吊点组合控制***，根据所述模拟低重力物***置姿态，实时计算各吊挂点当前吊挂力值，并保证吊挂力符合所设定重力要求，并且吊挂力通过所述模拟低重力物体的质心。
一种使用上述的低重力模拟装置进行低重力模拟的方法，使用所述吊绳在所述模拟低重力物体上进行多点吊挂，在所述模拟低重力物体运动过程中，所述吊挂主体结构在所述伺服运动平台上进行同步移动，并且由所述多吊点组合控制***根据模拟低重力物***置姿态，实时计算各吊挂点当前吊挂力值，并分别传递指令给所述多套“恒张力”控制***，经由所述多套“恒张力”控制***的控制，保证吊挂力符合所设定重力要求，并且吊挂力通过所述模拟低重力物体的质心。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
第一．本发明能在模拟低重力过程中，模拟低重力物体质心发生任何变化时，实时测出吊索的张力变化，实现吊索恒张力控制和快速收放，实现模拟低重力物体的多体吊挂和吊挂的实时跟踪，保证其低重力环境的模拟；
第二．本发明的低重力模拟装置采用多个（例如5个）吊挂点的方案，吊点可以实现对模拟低重力物体运动的四维跟踪，包括：（1）在重力方向上的恒张力控制和吊索的快速收放，可以响应吊点突然发生的上下运动，并保证吊挂力的恒定；（2）在水平二维方向的移动由两部分组成，包括吊点的伺服随动控制和移动平台的运动，保证吊索铅垂和伺服随动在合理的行程内；（3）移动平台（转盘）绕垂直地面中心轴的转动，可实现月面巡视探测器不受限制的旋转。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例低重力模拟装置的结构示意图；
图2为本发明实施例低重力模拟装置对月面巡视器的五个吊挂点的位置示意图。
具体实施方式
下方结合具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例
请参见图1，本实施例提供一种五点吊挂低重力模拟装置，用于进行月面巡视器的低重力模拟。其中，所述五点吊挂低重力模拟装置包括：
与吊挂点一一对应的五套“恒张力”控制***1，用于在垂向工作行程范围内按指令实现吊绳的张力控制；此外，还包括一套备用的“恒张力”控制***，以及用于下述的移动平台及控制子***的一套“恒张力”控制***，总共配备有七套“恒张力”控制***；
移动平台及控制子***，主要由平台框架9和安装有上述一套“恒张力”控制***的伺服运动平台2组成，该伺服运动平台2采用二维移动伺服控制方案，能控制每个吊绳3始终保持铅垂；伺服运动平台的下方连接有与五个吊挂点一一对应的五套“恒张力”控制***，该些套“恒张力”控制***分别通过吊绳3与模拟低重力物体连接；伺服运动平台2为高响应的伺服运动平台；
吊挂主体结构，设置在所述伺服运动平台2上，主要由导轨4、纵向运动大车5、横向运动小车6和转盘7组成，其中纵向运动大车5滑动连接于导轨4上，横向运动小车6位于纵向运动大车5的上方、并与纵向运动大车5滑动连接，转盘7的上端与纵向运动大车5转动连接，转盘7的下端与高响应伺服运动平台2固接，转盘7用于根据伺服运动平台2上各吊挂点相对位置的变化，判断被吊挂的月面巡视器8运动方向的变化，控制移动平台作相应的转向，保证伺服运动平台2上的各吊挂点始终处于工作行程范围内；
多吊点组合控制***，根据月面巡视器8位置姿态，实时计算各吊挂点当前吊挂力值，并保证吊挂力符合所设定的1/6重力要求，并且保持吊挂力始终通过月面巡视器8的质心。
其中，月面巡视器8的吊挂点为五个，请参见图2，该五个吊挂点分别位于月面巡视器的以下五个部套部件：“巡视器”箱体及其内部各种仪器设备81、左侧主摇臂及左前轮82、右侧主摇臂及右前轮83、左侧副摇臂及左侧中后轮84、右侧副摇臂及右侧中后轮85，上述五套“恒张力”控制***1用于跟踪每个被吊“部套组件”三个自由度方向的运动，即每个被吊“部套组件”沿铅垂方向的上下运动、水平方向的左右和前后移动；同时，上述五套“恒张力”控制***1还跟踪月面巡视器8整体绕自身中心轴的转动。
采用上述低重力模拟装置进行月面低重力模拟的方法如下：
使用吊绳3在月面巡视器上进行多点吊挂（五个点），在月面巡视器8在模拟月壤10表面的运动过程中，上述吊挂主体结构在伺服运动平台2上进行同步移动，并且由多吊点组合控制***根据月面巡视器8位置姿态，实时计算各吊挂点当前吊挂力值，并分别传递指令给多套“恒张力”控制***1，经由多套“恒张力”控制***1的控制，保证吊挂力符合所设定重力要求，并且吊挂力通过月面巡视器的质心。
本实施例的月面1/6g低重力环境模拟吊挂装置采用质心吊挂补偿地球重力的原理，为移动分***试验过程提供低重力环境的模拟，即：“吊挂力”的铅垂延长线始终通过被吊物体的质心，以实现月面重力为地球重1/6的模拟。
本发明的低重力环境模拟装置实现技术路线是将机器人机构技术、力控制技术、位置跟踪技术和传感信息融合技术等进行集成和创新，研制模拟吊挂试验装置，完成预定的试验目标。根据实验原理、作业流程和工作环境确定模拟吊挂装置的技术要求和总体布局，利用机器人技术实现状态模拟、运动控制、性能试验，利用力根随控制技术实现始终模拟，利于半物理仿真过程对月球车的性能进行测试、评估和验证。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (5)
1.一种低重力模拟装置，其特征在于，主要包括以下部件：
与吊挂点一一对应的多套“恒张力”控制***，用于在垂向工作行程范围内按指令实现吊绳的张力控制；
移动旋转综合平台及控制子***，主要由平台框架和安装有所述“恒张力”控制***的伺服运动平台组成，所述伺服运动平台采用二维移动一维控制旋转的伺服控制方案，能控制每个吊绳始终保持铅垂；所述伺服运动平台的下方连接有所述与吊挂点一一对应的多套“恒张力”控制***，所述多套“恒张力”控制***分别通过吊绳与模拟低重力物体连接；
吊挂主体结构，设置在所述伺服运动平台上，主要由导轨、纵向运动大车、横向运动小车和转盘组成，其中纵向运动大车滑动连接于所述导轨上，横向运动小车位于纵向运动大车的上方、并与纵向运动大车滑动连接，所述转盘的上端与纵向运动大车转动连接，所述转盘的下端与所述高响应伺服运动平台固接，所述转盘用于根据伺服运动平台上各吊挂点相对位置的变化，判断被吊挂的所述模拟低重力物体运动方向的变化，控制移动平台作相应的转向，保证伺服运动平台上的各吊挂点始终处于工作行程范围内；
多吊点组合控制***，根据所述模拟低重力物体各活动部件位置姿态，实时测量各活动部件的位姿状态和吊挂力值，分析各活动部件位姿信息以及耦合情况，实时控制吊挂平台的运动、旋转和恒张力***卷扬运动，以保证吊挂力时时符合所设定重力要求，并且吊挂力时时通过所述模拟低重力物体的质心。
2.如权利要求1所述的低重力模拟装置，其特征在于，所述模拟低重力物体为多部件机构产品，多部件间存在相对不规则运动，所述多部件机构产品实施例为月面巡视器，该事例中 “恒张力”控制***共设置五套，所述五个吊挂点分别位于所述月面巡视器的以下五个部套部件：“巡视器”箱体及其内部各种仪器设备、左侧主摇臂及左前轮、右侧主摇臂及右前轮、左侧副摇臂及左侧中后轮、右侧副摇臂及右侧中后轮，所述部件分别与一个吊挂点链接，对应的“恒张力”控制***用于跟踪被吊“部套组件”三个自由度方向的运动，即沿铅垂方向的上下运动、水平方向的左右和前后移动；同时，所述每一吊挂点分别对应的“恒张力”控制***通过位姿耦合实现整体平台自动跟踪月面巡视器移动和转动。
3.如权利要求1所述的低重力模拟装置，其特征在于，还包括一套备用的“恒张力”控制***。
4.一种使用权利要求1-3中任一项所述的低重力模拟装置进行低重力模拟的方法，其特征在于，使用所述吊绳在所述模拟低重力物体上进行多点吊挂，在所述模拟低重力物体运动过程中，所述吊挂主体结构在所述伺服运动平台上进行同步移动，并且由所述多吊点组合控制***根据模拟低重力物***置姿态，实时计算各吊挂点当前吊挂力值，并分别传递指令给所述多套“恒张力”控制***，经由所述多套“恒张力”控制***的控制，保证吊挂力符合所设定重力要求，并且吊挂力通过所述模拟低重力物体的质心。
5.一种使用权利要求4所述的低重力模拟装置进行低重力模拟的方法，其特征在于，所述模拟低重力物体为月面巡视器，所述月面巡视器上的吊挂点为五个，所述“恒张力”控制***共设置五套，所述五个吊挂点分别位于所述月面巡视器的以下五个部套部件：“巡视器”箱体及其内部各种仪器设备、左侧主摇臂及左前轮、右侧主摇臂及右前轮、左侧副摇臂及左侧中后轮、右侧副摇臂及右侧中后轮，所述与每一吊挂点分别对应的“恒张力”控制***用于跟踪每个被吊“部套组件”三个自由度方向的运动，即沿铅垂方向的上下运动、水平方向的左右和前后移动；同时，所述与每一吊挂点分别对应的“恒张力”控制***还跟踪所述月面巡视器整体绕自身中心轴的转动。
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