CN104477420A - 一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置 - Google Patents

Abstract

一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台、传感器和控制***，采用九索冗余驱动方案，九根绳索在空间采用“上六下三”方式布局，绳索的伸长和缩短有电机驱动的驱动单元按照控制***的指令动作，控制***根据传感器给出的力和位姿数据为每根绳索的长度和力进行闭环或半闭环控制，同时可以采用上方六根绳索控制模拟负载平台位姿和运动，下方三根绳索进行力张紧或补偿的控制，具备在较大的工作空间内模拟零重力或低重力环境下六自由度运动的能力，同时，可以通过下方三个绳索或更多绳索的叠加施加干扰力，该装置的各向同性性能好，且在其他领域如康复器械等领域应用的潜力。

Description

一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置

技术领域

本发明属于零重力及低重力环境模拟设备领域，特别涉及一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置。

背景技术

在对如月球、火星等地球外的星体进行探测时，如果探测器需要从该星体采集样品后返回地球，需要探测器在该星体表面发射升空，该种发射面临发射环境处在低重力环境，并且支撑刚性不足、姿态不确定、羽流干扰等一系列技术难题，需要大量的分析计算与实验模拟，因此一套合理的模拟方法和模拟装置是十分必要的。

现有零重力及低重力环境模拟实验设备或模拟技术主要有五类：失重飞行或坠落模拟、浮力平衡重力法、刚性并联机构模拟、索机构拖拽模拟、地球表面实物发射验证。这些方法中，失重飞行或坠落模拟的方法主要用于零重力模拟但是模拟空间受限制，浮力平衡重力法基于悬浮方法主要用于长时间的低(零)重力环境操作训练但受制于水的阻力动态响应速度不足，刚性并联机构模拟使用多自由平台进行航天器对接模拟但运动空间小，索机构拖拽只能提供竖直方向的重力或运动补偿，地球表面实物发射验证时难以实现低重力环境条件，即，现有的零重力及低重力环境模拟实验设备或模拟技术均难以满足探测器从其他星体表面发射进而返回地球时发射模拟要求。

索机构拖拽模拟方法具有作业空间大且能够实现较高的动态响应，是开发零重力及低重力环境模拟实验设备的一个重要方向。美国国家航空航天局(NASA)将斜拉平行索系和斜面结合模拟低重力环境，用于训练飞行员。另外，可以通过对索力进行主动的伺服控制或采用配重，抵消部分或全部的重力，来实现低重力和零重力环境，这种方案在已有的中国发明专利申请中有所体现(发明专利申请公布号：CN102145755A、CN102009749A)。但现有的索机构拖拽模拟装置只能模拟竖直方向的运动状态和受力，无法用于多自由度运动尤其是可能出现在各个方向的发动机推力导致的运动的模拟。如果将多根绳索布局在空间内多个位置，而非仅仅竖直方向，将会是采用索机构拖拽模拟方法进行零重力及低重力环境模拟的一种十分有益的探索。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，用于模拟如月球、火星等星体表面的返回舱发射工况、低重力环境中的宇航员训练，甚至如康复器械等需要重力补偿的应用领域。该索驱动机器人模拟装置通过传感器***采集每根绳索的拉力和模拟负载平台的位姿，通过控制***的控制算法对每根索的长度或拉力进行反馈控制，实现在较大的作业范围内模拟零重力或低重力环境下物体的受力及六自由度运动，并且能够实现施加模拟负载平台可能受到的干扰力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索330、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台500、传感器和控制***，其中，绳索330共有九根，每根的一端连接在基础框架上，另一端绕过绳索导向装置后连接在模拟负载平台500上，绳索驱动单元根据控制***的指令控制绳索330的伸长或缩短，传感器测量每根绳索330上的拉力和位移以及模拟负载平台500的位姿，控制***根据传感器测得的每根绳索330上的拉力和模拟负载平台500的位姿数据对每个绳索330采取长度或力控制以模拟出模拟负载平台500在零重力或低重力环境中的运动。

所述基础框架包括基础平台101和安装在基础平台上的六根等高度的高立柱102及三根等高度的低立柱103，两两一组，分为三组，相邻组之间的距离相等，三根低立柱103分别位于相邻组的高立柱102之间的中点位置，在基础平台101上位于每根立柱的底端附近均安装一套绳索驱动单元，绳索驱动单元包括电机301和连接电机301的滚筒315，在每根立柱的顶端均安装一套绳索导向装置，绳索导向装置包括滑轮325，每根绳索330的一端连接在滚筒315上，另一端绕过滑轮325连接在模拟负载平台500上，其中绕过滑轮325的点位为出索点，六根高立柱102所对应的出索点在水平面内的投影位于一个圆上，三根低立柱103所对应的出索点在水平面内的投影位于一个圆上。

所述传感器包括力测量传感器和长度测量传感器两类，其中力测量传感器由安装在每根绳索330与模拟负载平台500之间的拉力传感器350和/或安装在电机301与滚筒315之间的扭矩传感器组成；长度测量传感器由安装在电机301端面或者滚筒315端面的旋转类长度测量传感器和/或安装在基础框架和模拟负载平台500之间的数量不少于6个的长度测量传感器组成。

所述九根绳索330中，绕过六根高立柱102上的绳索导向装置的六根绳索330连接在模拟负载平台500的上表面，且六个连接点位于同一个圆的圆周上且与相应的六个出索点在水平面投影相对圆心相位偏差60°，同时，与六根高立柱102的分布相应，所述六个连接点两两一组，分为三组，相邻组之间的距离相等；绕过三根低立柱103上的绳索导向装置的三根绳索330连接在模拟负载平台500的下表面，且三个连接点在同一个圆的圆周上均匀分布且与相应的三个出索点在水平面投影相对圆心无相位差，模拟负载平台500下表面内三个绳索连接点分布相对于上表面内三组绳索连接点的中点分布无相位差，模拟负载平台500上表面六个连接点所在圆半径和下表面三个连接点所在圆半径相同或者不同，且下表面三个连接点所在圆的半径最小可以为零而上表面六根连接点所在圆的半径始终大于零。

同一组高立柱102内部的两个出索点相对投影分布圆圆心的夹角不小于3°且不超过40°，模拟负载平台500上表面上同一组连接点相对圆心的夹角不小于3°且不超过40°。

所述滑轮325安装于转向架321上，转向架321安装于可沿立柱上下移动的转向架托架320上。

所述九根绳索330与模拟负载平台500的连接点直接位于模拟负载平台500上，或者位于加装于模拟负载平台500外的外框架上。

所述控制***根据安装结构参数、力测量和长度测量结果，计算得到模拟负载平台500的位姿、各个绳索330的长度以及各个绳索330上的拉力，同时根据零重力或低重力环境的模拟要求，结合模拟负载平台500的运动状态，计算出模拟零重力或低重力环境下模拟负载平台500运动所需要每个绳索330施加到模拟负载平台500上的拉力和长度变化，并利用力和长度测量传感器结合绳索驱动单元内的电机310和滚筒315调整每根绳索330的拉力和长度，实现零重力或低重力环境的模拟。

所述九根绳索330同时采用力位混合控制模式进行控制，或者同时采用力控制模式进行控制，或者采用上方六根绳索330采用力位混合控制模式而下方三根绳索330采用力控制模式进行控制。

本发明中，可以将干扰力分解到下方三根绳索上或分配到更多绳索上，实现干扰力模拟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.采用九根绳索冗余驱动方案，具有索并联机构所驱动的大工作空间、高动态特性的优势，并且能够实现模拟负载平台六自由度运动控制，能够用于返回舱在地外星体表面的发射模拟。

2.采用九根绳索在空间内的“上六下三”布局方案，具有大工作空间且工作空间内各向同性性好的优势，同时上方六根绳索即可确定模拟负载平台的位姿，下方三个绳索的控制方式选取更加灵活。

3.通过设计合理的索力分配算法，可以同时模拟发动机的羽流干扰等外扰力。

4.采用九根绳索的冗余驱动方案，***安全性高，可以扩展用于重力或运动补偿的医疗康复器械领域。

附图说明

附图1为一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置示意图。

附图2为一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置的绳索驱动单元结构示意图。

附图3为一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置的上方六个出索点和六个绳索连接点分布简图。

附图4为一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置的下方三个出索点和三个绳索连接点分布简图。

附图5为一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置控制***设计框图。

附图图标说明：101-基础平台；102-高立柱；103-低立柱；330-绳索；301-安装基座；302-安装托架；303-扭矩传感器；310-电机；315-滚筒；320-转向架托架；321-转向架；325-滑轮；350-拉力传感器；500-模拟负载平台。

B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆上方六个出索点，B₇、B₈、B₉下方三个出索点。

P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆上方六个绳索连接点，P₇、P₈、P₉下方三个绳索连接点。

R₁上方六个绳索连接点所在分布圆半径。

R₁₀上方六个出索点所在分布圆半径。

R₂下方三个绳索连接点所在分布圆半径。

R₂₀下方三个出索点所在分布圆半径。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明涉及一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置如图1所示，其具体实施方式如下：该模拟零重力及低重力环境的九索驱动机器人装置由基础框架、绳索330、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台500、传感器和控制***等部件组成，基础框架包括基础平台101和安装在基础平台上的六根高立柱102及三根低立柱103，每根立柱的根部位置附件安装有一套绳索驱动单元，如图2所示，绳索驱动单元由安装基座301、安装托架302、电机310、滚筒315及相关的连接件组成，共计九套；每根立柱的顶部位置附近都安装有一套绳索导向装置，每套绳索导向装置由转向架托架320、转向架320、滑轮325及相关的连接件组成，共计九套；绳索的一端缠绕在滚筒315上，另一端穿过绳索导向装置的滑轮325后连接在模拟负载平台500上；九套绳索导向装置相对模拟负载平台构成九个出索点，如图3和图4所示，分布为B₁～B₆六点，以及B₇～B₉三点，这九个出索点在空间采用“上六下三”方案布局，上方六根高立柱102上的六个出索点B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆在水平面内的投影位于同一个圆上，且六根出索点两两一组，分成三组在水平面内的投影圆上均匀分布，同一组内的两个出索点相对于投影圆心的较小不小于3°且不超过40°，下方三根低立柱103上的三个出索点B₇、B₈、B₉在水平面内的投影的分布圆上均匀分布，上方六个出索点所在分布圆半径R₁₀和下方三个出索点所在分布圆半径R₂₀可以不相同，上方六个出索点的高度和下方三个出索点的高度均可调整；模拟负载平台500上的九个绳索连接点采用“上六下三”方案布局，其中，上面内的六个连接点P₁、P₂、P₃、P₄、P₅、P₆两两一组分成三组，这三组连接点在上面内的同一个圆上均匀分布，每组内两个连接点相对于所在分布圆圆心的夹角不小于3°且不超过40°，下面内三个连接点沿分布圆均匀分布，且下面内三个连接点P₇、P₈、P₉分布相对上面内三组连接点的中点分布无相位差，下面内三个连接点相对其分布圆圆心位置与下方三个出索点相对其分布圆圆心位置的相位无偏差，但上面内六个绳索连接点两两一组分成三组在其分布圆上相对圆心位置与上方六个出索点两两一组分成三组在其分布圆上相对圆心位置的相位偏差60°，下面内三个连接点所在分布圆半径R₂和上面内六个连接点所在分布圆半径R₁可以不相同，下面内三个连接所在分布圆半径R₂最小可以为零，但是上面内六根连接点所在分布圆半径R₁始终大于零；九根绳索与模拟负载平台的连接点可以直接位于模拟负载平台上，也可以为模拟负载平台加装固定用外框架，九根绳索连接在外框架上，连接点的位置分布要求同上。绳索驱动单元可以都安装在基础平台101上，也可以安装在高立柱102、低立柱103或其他固定装置上，以安装方便且避免绳索之间的干涉为限定条件。

该模拟零重力及低重力环境的九索驱动机器人装置的传感器***包括力测量传感器和长度测量传感器两类，力测量传感器的安装测量分直接测量和间接测量两种，直接测量是指拉力传感器350直接安装在绳索330与模拟负载平台500之间，如图1，直接测得绳索330上拉力的大小，间接测量是指传感器安装在索的运动路径中或驱动单元内，如安装在电机310和滚筒315之间的扭矩传感器303，如图2，间接测量得到绳索330上拉力的大小，这两种测量索上拉力的方法可以同时使用也可以单独使用，配合控制算法的设计使用；长度测量传感器的最终目标是得到各个绳索330的长度和模拟负载平台500的位姿，长度测量传感器的测量方法有两种，一种是安装在每个索驱动关节内部(如电机301端面或者滚筒315端面)的旋转类长度测量传感器直接得到索的长度进而计算得到模拟负载平台的位姿，另一种是直接安装在基础框架和模拟负载平台之间的长度测量传感器测量长度且传感器的数量不少于6个，通过运动学正解算法得到模拟负载平台的位姿和每根索的长度，这两种长度测量传感器可以同时使用也可以单独使用，配合控制算法的设计使用；控制***根据模拟装置的安装结构参数、力测量和长度测量结果，计算得到模拟负载平台500的位姿、各个绳索330的长度以及各个绳索330上的拉力，同时根据零重力或低重力环境的模拟要求，结合模拟负载平台500的运动状态(速度、加速度)，计算出模拟零重力或低重力环境下模拟负载平台500运动所需要每个绳索330施加到模拟负载平台500上的拉力和长度变化，并利用力和长度测量传感器结合绳索驱动单元内的电机310和滚筒315调整每根绳索330的拉力和长度，实现零重力或低重力环境的模拟。

如图5，该模拟零重力及低重力环境的九索驱动机器人装置的控制***控制算法的设计思想为，由所述长度测量传感器的数据直接测得每个绳索330的长度或者根据间接测量得到的至少6个长度数据通过正解解算得到模拟负载平台500的位姿参数和每个绳索330的长度，分析在零重力或低重力环境下模拟负载平台500处在该计算得到的位姿参数下所处的受力状态和运动状态(速度、加速度)，然后通过索张紧力优化分配算法计算为实现模拟负载平台500在零重力或低重力环境下的受力和下一步运动每根绳索3300上应施加的拉力，得到拉力和绳索的长度变化指令，结合电机上的角度编码器等位置传感器以及装置安装的直接或间接力测量传感器实现伺服电机的驱动绳索的拉力和长度变化的闭环或半闭环控制，进而实现模拟负载平台500在零重力或低重力环境下运动。

该模拟零重力及低重力环境的九索驱动机器人装置的绳索驱动单元，所用电机310为伺服电机，可以采用力矩模式控制或者位置模式下的力位混合控制，电机功率的大小根据传动***设计进行选型，传动***中可以引入行星齿轮等减速器的环节，降低对电机功率的要求；电机310的输出端或者滚筒的一侧端面可安装旋转式编码器等转角测量传感器，以测量出滚筒315的转动角度，进而得到绳索长度变化的参数；绳索驱动单元内部可设计安装扭矩传感器303，以间接得到绳索拉力，以及用于电机的控制。本发明中提出的索驱动机器人装置内的九根绳索可以同时采用力位混合控制模式进行控制，也可以同时采用力控制模式进行控制，还可以采用上方六根绳索采用力位混合控制模式甚至是位置控制模式而下方三根绳索采用力控制模式进行控制。

该模拟零重力及低重力环境的九索驱动机器人装置能够实现模拟负载平台500在零重力或低重力环境所受的干扰力的施加，干扰力的施加方法可以是分解到下方三根绳索上，也可以使用力分配算法分配到更多甚至全部绳索上。

Claims (10)

1.一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，包括基础框架、绳索(330)、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台(500)、传感器和控制***，其中，绳索(330)共有九根，每根的一端连接在基础框架上，另一端绕过绳索导向装置后连接在模拟负载平台(500)上，绳索驱动单元根据控制***的指令控制绳索(330)的伸长或缩短，传感器测量每根绳索(330)上的拉力和位移以及模拟负载平台(500)的位姿，控制***根据传感器测得的每根绳索(330)上的拉力和模拟负载平台(500)的位姿数据对每个绳索(330)采取长度或力控制以模拟出模拟负载平台(500)在零重力或低重力环境中的运动。

2.根据权利要求1所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，所述基础框架包括基础平台(101)和安装在基础平台上的六根等高度的高立柱(102)及三根等高度的低立柱(103)，两两一组，分为三组，相邻组之间的距离相等，三根低立柱(103)分别位于相邻组的高立柱(102)之间的中点位置，在基础平台(101)上位于每根立柱的底端附近均安装一套绳索驱动单元，绳索驱动单元包括电机(301)和连接电机(301)的滚筒(315)，在每根立柱的顶端均安装一套绳索导向装置，绳索导向装置包括滑轮(325)，每根绳索(330)的一端连接在滚筒(315)上，另一端绕过滑轮(325)连接在模拟负载平台(500)上，其中绕过滑轮(325)的点位为出索点，六根高立柱(102)所对应的出索点在水平面内的投影位于一个圆上，三根低立柱(103)所对应的出索点在水平面内的投影位于一个圆上。

3.根据权利要求2所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，所述传感器包括力测量传感器和长度测量传感器两类，其中力测量传感器由安装在每根绳索(330)与模拟负载平台(500)之间的拉力传感器(350)和/或安装在电机(301)与滚筒(315)之间的扭矩传感器组成；长度测量传感器由安装在电机(301)端面或者滚筒(315)端面的旋转类长度测量传感器和/或安装在基础框架和模拟负载平台(500)之间的数量不少于6个的长度测量传感器组成。

4.根据权利要求2所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，所述九根绳索(330)中，绕过六根高立柱(102)上的绳索导向装置的六根绳索(330)连接在模拟负载平台(500)的上表面，且六个连接点位于同一个圆的圆周上且与相应的六个出索点在水平面投影相对圆心相位偏差60°，同时，与六根高立柱(102)的分布相应，所述六个连接点两两一组，分为三组，相邻组之间的距离相等；绕过三根低立柱(103)上的绳索导向装置的三根绳索(330)连接在模拟负载平台(500)的下表面，且三个连接点在同一个圆的圆周上均匀分布且与相应的三个出索点在水平面投影相对圆心无相位差，模拟负载平台(500)下表面内三个绳索连接点分布相对于上表面内三组绳索连接点的中点分布无相位差，模拟负载平台(500)上表面六个连接点所在圆半径和下表面三个连接点所在圆半径相同或者不同，且下表面三个连接点所在圆的半径最小可以为零而上表面六根连接点所在圆的半径始终大于零。

5.根据权利要求4所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，同一组高立柱(102)内部的两个出索点相对投影分布圆圆心的夹角不小于3°且不超过40°，模拟负载平台(500)上表面上同一组连接点相对圆心的夹角不小于3°且不超过40°。

6.根据权利要求2或3或4或5所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，所述滑轮(325)安装于转向架(321)上，转向架(321)安装于可沿立柱上下移动的转向架托架(320)上。

7.根据权利要求2或3或4或5所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，所述九根绳索(330)与模拟负载平台(500)的连接点直接位于模拟负载平台(500)上，或者位于加装于模拟负载平台(500)外的外框架上。

8.根据权利要求2所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，所述控制***根据安装结构参数、力测量和长度测量结果，计算得到模拟负载平台(500)的位姿、各个绳索(330)的长度以及各个绳索(330)上的拉力，同时根据零重力或低重力环境的模拟要求，结合模拟负载平台(500)的运动状态，计算出模拟零重力或低重力环境下模拟负载平台(500)运动所需要每个绳索(330)施加到模拟负载平台(500)上的拉力和长度变化，并利用力和长度测量传感器结合绳索驱动单元内的电机(310)和滚筒(315)调整每根绳索(330)的拉力和长度，实现零重力或低重力环境的模拟。

9.根据权利要求1或8所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，所述九根绳索(330)同时采用力位混合控制模式进行控制，或者同时采用力控制模式进行控制，或者采用上方六根绳索(330)采用力位混合控制模式而下方三根绳索(330)采用力控制模式进行控制。

10.根据权利要求1或8所述模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，将干扰力分解到下方三根绳索上或分配到更多绳索上，实现干扰力模拟。