CN113291496B - 一种悬挂式离散运动***及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬挂式离散运动***及使用方法，属于地面微重力模拟试验技术领域。悬挂式离散运动***包括高刚度龙门架、嵌滑轮楔块机构、两向移动单元、刚性连接器和载荷，高刚度龙门架固定在地面上，嵌滑轮楔块机构固定连接在高刚度龙门架的下表面上形成轨道，两向移动单元滑动连接于嵌滑轮楔块机构形成的轨道内，嵌滑轮楔块机构下方通过刚性连接器连接载荷。本发明提出的悬挂式离散运动***，能够容许100kg以内的中小型航天器进行可交错的离散式二维运动学地面模拟，并可依据任务需求，自定义运动路径。

Description

一种悬挂式离散运动***及使用方法

技术领域

本发明涉及一种悬挂式离散运动***及使用方法，属于地面微重力模拟试验技术领域。

背景技术

随着空间科学技术的不断发展，不论是近地导航还是深空探测，航天器的研发频率越来越高，***功能越来越复杂，验证新技术新方案的频次越来越多。然而，航天器的技术风险性高，***功能复杂，为了尽可能降低航天器发生故障或失效造成的损失，保证航天器的高可靠性尤为重要。

由于航天器发射的成本较高，试验失败损失较大，因此，在地面进行尽可能多的基于空间环境的试验模拟是发射任务成功的基本保障。其中较为关键的地面模拟试验环境是微低重力环境和角度自由转动环境，目前采用托举式进行的气浮球轴承转动方案比较笨重，球心位置较高，需要增加大量配重才能将质心配到球心位置。此外，托举式方案的转动角度易受干涉，俯仰和滚转角度一般只能进行30°以内的运动模拟。相比而言，悬吊式方案更加灵活。

随着航天器的发展，对地面微重力试验模拟技术提出了新的要求，对模拟转动自由度、重力补偿精度、高普适性等提出了强烈需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种悬挂式离散运动***及使用方法，以解决现有技术中存在的问题。

一种悬挂式离散运动***，悬挂式离散运动***包括高刚度龙门架、嵌滑轮楔块机构、两向移动单元、刚性连接器和载荷，

高刚度龙门架固定在地面上，嵌滑轮楔块机构固定连接在高刚度龙门架的下表面上形成轨道，两向移动单元滑动连接于嵌滑轮楔块机构形成的轨道内，嵌滑轮楔块机构下方通过刚性连接器连接载荷。

进一步的，

高刚度龙门架，用于作为悬挂式离散运动***提供基础平台；

嵌滑轮楔块机构，用于为两向移动单元提供运动支撑和运动导向；

两向移动单元，用于实现载荷悬吊点主动跟踪的二维平面运动；

刚性连接器，用于连接两向移动单元与载荷。

进一步的，两向移动单元包括全向轮、电机支座、控制***、直流电机和移动单元底板，控制***安装在移动单元底板中心的上表面，电机支座呈四个方向均匀设置在控制***的周围，直流电机安装在电极支座上，直流电机的转子固定连接全向轮，移动单元底板对应全向轮处设有镂空，全向轮的部分轮体通过镂空穿至移动单元底板的下方。

进一步的，电机支座、直流电机和全向轮均设有8个，每个电机支座、直流电机和全向轮为一组，每两组设置在控制***水平面的四个方向上的其中一个方向上。

进一步的，移动单元底板呈正四边形，移动单元底板的下表面设有四条滑块，四条滑块分别平行于移动单元底板的四条边，且每个滑块与临近的边距离均相等。

进一步的，嵌滑轮楔块包括连接块、滑轮、导向槽和承重板，连接块固定连接在高刚度龙门架的下表面上，连接块的下表面固定连接于承重板的上表面上，滑轮设有两层，由内至外设置在连接块的周围，两层滑轮间形成导向槽。

进一步的，导向槽设有四条，导向槽的尺寸和方向均与移动单元底板的四条滑块匹配。

进一步的，连接块为永磁体，高刚度龙门架为可被磁铁吸引的材料制成。

一种悬挂式离散运动***的实用方法，基于上述的一种悬挂式离散运动***，

在地面上搭建高刚度龙门架，并调整其水平度，检查表面的平面度；

在高刚度龙门架上预先放置嵌滑轮楔块机构，并调整嵌滑轮楔块机构位置和姿态，以提供两向移动单元的运动路径；

将两向移动单元推入两块嵌滑轮楔块机构中，进一步调整嵌滑轮楔块机构空间位置及水平度，使得四条滑块滑入导向槽，两向移动单元的全向轮沿承重板的边缘运动，

调整滑轮的高度和位置，使得两向移动单元的移动单元底板在上面滚动，

根据任务需求，规划路径，调整嵌滑轮楔块机构位置，由控制***控制直流电机带动全向轮运动，保持载荷的吊点始终位于载荷的正上方，由刚性连接器拉力卸去重力，使得航天器在二维平面内进行微重力***。

进一步的，根据任务需求，根据任务需求为两向移动单元的平移运动或交错运动。

本发明的有以下优点：本发明提出的一种悬吊式四自由度运动模拟***及使用方法相对现有技术存在如下有益效果：

(1)普适性强，可悬吊绝大部分中小型航天器进行二维运动学地面模拟试验。

(2)可变结构，嵌滑轮楔块可以与高刚度龙门架自由连接，可以根据任务需求任意摆放楔块位置及姿态。

(3)***，通过合理的路径规划能够实现包含交错运动的多航天器的二维平面***。

附图说明

图1为一种悬挂式离散运动***及使用方法的结构示意图；

图2为两向移动单元的结构示意图；

图3为嵌滑轮楔块机构的结构示意图；

图4为一种交错式运动实例示意图，图4(a)为交错式运动的第一步示意图；图4(b)为交错式运动的第二步示意图；图4(c)为交错式运动的第三步示意图。

其中，1为高刚度龙门架，2为嵌滑轮楔块机构，3为两向移动单元，4为刚性连接器，5为载荷，6为全向轮，7为电机支座，8为控制***，9为直流电机，10为移动单元底板，11为连接块，12为滑轮，13为导向槽，14承重板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本发明提出了一种悬挂式离散运动***，悬挂式离散运动***包括高刚度龙门架1、嵌滑轮楔块机构2、两向移动单元3、刚性连接器4和载荷5，

高刚度龙门架1固定在地面上，嵌滑轮楔块机构2固定连接在高刚度龙门架1的下表面上形成轨道，两向移动单元3滑动连接于嵌滑轮楔块机构2形成的轨道内，嵌滑轮楔块机构2下方通过刚性连接器4连接载荷5。

进一步的，

高刚度龙门架1，用于作为悬挂式离散运动***提供基础平台；

嵌滑轮楔块机构2，用于为两向移动单元3提供运动支撑和运动导向；

两向移动单元3，用于实现载荷5悬吊点主动跟踪的二维平面运动；

刚性连接器4，用于连接两向移动单元3与载荷5。

具体的，具体的，高刚度龙门架1固定在地面上，为整个***提供稳定平整的基础运动平台；高刚度龙门架1采用铁基材料，表面平面度优于0.1mm，可作为永磁体等物体的吸附对象。

进一步的，参照图2所示，两向移动单元3包括全向轮6、电机支座7、控制***8、直流电机9和移动单元底板10，控制***8安装在移动单元底板10中心的上表面，电机支座7呈四个方向均匀设置在控制***8的周围，直流电机9安装在电极支座7上，直流电机9的转子固定连接全向轮6，移动单元底板10对应全向轮6处设有镂空，全向轮6的部分轮体通过镂空穿至移动单元底板10的下方。

进一步的，电机支座7、直流电机9和全向轮6均设有8个，每个电机支座7、直流电机9和全向轮6为一组，每两组设置在控制***8水平面的四个方向上的其中一个方向上。

具体的，每个两向移动单元3含有8个直流电机9及与全向轮6，每个边上布置两套直流电机9和全向轮6，布置方向为全向轮6运动方向与移动单元底板10的边平行，即每个方向上有四套直流电机9和全向轮6。在运动过程中，保证在两个运动方向上均有不少于3个全向轮6着力在两块嵌滑轮楔块机构2上，能够进行平稳运动。

进一步的，移动单元底板10呈正四边形，移动单元底板10的下表面设有四条滑块，四条滑块分别平行于移动单元底板10的四条边，且每个滑块与临近的边距离均相等。

进一步的，参照图3所示，嵌滑轮楔块机构2包括连接块11、滑轮12、导向槽13和承重板14，连接块11固定连接在高刚度龙门架1的下表面上，连接块11的下表面固定连接于承重板14的上表面上，滑轮12设有两层，由内至外设置在连接块11的周围，两层滑轮12间形成导向槽13。

具体的，连接块11采用永磁体方式吸附高刚度龙门架1，可选择任意位置角度连接，能够承载不小于200kg的质量，并可通过设计布置嵌滑轮楔块机构2的位置和姿态来规划两向移动单元3的移动路径。

进一步的，导向槽13设有四条，导向槽13的尺寸和方向均与移动单元底板10的四条滑块匹配。

具体的，导向槽13嵌在承重板14上，为两向移动单元3的移动单元底板10导向，进而为全向轮6提供运动导向，滑轮12位于承重板14上导向槽13的两侧，为两向移动单元3的移动单元底板10提供竖直方向内的运动约束，同时提供支撑力，并采用滚动摩擦的方式减小运动阻力。

进一步的，连接块11为永磁体，高刚度龙门架1为可被磁铁吸引的材料制成。

一种悬挂式离散运动***的实用方法，基于上述的一种悬挂式离散运动***，

在地面上搭建高刚度龙门架1，并调整其水平度，检查表面的平面度；

在高刚度龙门架1上预先放置嵌滑轮楔块机构2，并调整嵌滑轮楔块机构2位置和姿态，以提供两向移动单元3的运动路径；

将两向移动单元3推入两块嵌滑轮楔块机构2中，进一步调整嵌滑轮楔块机构2空间位置及水平度，使得四条滑块滑入导向槽13，两向移动单元3的全向轮6沿承重板14的边缘运动，

调整滑轮12的高度和位置，使得两向移动单元3的移动单元底板10在上面滚动，

根据任务需求，规划路径，调整嵌滑轮楔块机构2位置，由控制***8控制直流电机9带动全向轮6运动，保持载荷5的吊点始终位于载荷5的正上方，由刚性连接器拉力卸去重力，使得航天器在二维平面内进行微重力***。

进一步的，根据任务需求，根据任务需求为两向移动单元3的平移运动或交错运动。

具体的，需要交错运动时，能够通过规划两向移动单元3路径实现，参考实例方案见图4。初始位置①号两向移动单元位于②号两向移动单元下方，目标位置为①号在②号上方，参见图4(a)，首先②号向右/左运动一个单元格；然后①号向上运动1个单元格，如图4(b)所示；而后②号向下向左/右各移动一个单元格，如图4(c)所示，完成①号②号两向移动单元交错运动。

此处仅给出一个实例，实际应用时不限于此方式：

应用时，将需进行地面模拟的航天器，安装在所述悬挂式离散运动***中的载荷5的位置上，与两向移动单元3通过刚性连接器4稳定连接。将嵌滑轮楔块机构2按照任务需求连接在高刚度龙门架1下表面，调整位置和水平度，嵌滑轮楔块机构2中的导向槽13为两向移动单元3的全向轮6提供运动导向。

进一步的，调整嵌滑轮楔块机构2中的滑轮12位置，使得滑轮12支撑两向移动单元3的移动单元底板10，增大承载的接触面积，防止应力集中，并可减少运动摩擦，使得两向移动单元3的直流电机9力矩更小，***质量更轻。按照载荷100kg计算，所需直流电机9的扭矩小于1Nm。

当两个航天器载荷5需要进行交错运动时，可先将其中一个两向移动单元3运动到岔口处让道，让另一个移动单元通过，完成交错运动，参见图4。此外，可以通过嵌滑轮楔块机构2的放置位置来自定义运动路径，以适应任务需求。

使用说明：

得到任务需求后，首先，在地面上搭建高刚度龙门架1，并调整其水平度，检查表面的平面度。然后，根据任务需求，在高刚度龙门架1上预先放置嵌滑轮楔块机构2，并调整嵌滑轮楔块机构2位置和姿态，以提供两向移动单元3的运动路径。然后，将两向移动单元3推入两块嵌滑轮楔块机构2中，进一步调整嵌滑轮楔块机构2空间位置及水平度，使得导向槽13能够完好适应两向移动单元3的全向轮6运动,需要保证两向移动单元3的每个运动方向的四个全向轮在单一运动时至少有3个能够和导向槽13紧密接触，从而保证有效运动。

接着，调整滑轮12的高度和位置，使得两向移动单元3的移动单元底板10能够在上面滚动。此处需要进行滑轮12上表面平面度调整，防止两向运动单元3底板边缘恰巧处于两个滑轮12中间缝隙处，发生卡滞。

最后，根据任务需求(包含平移、交错运动)，规划路径，调整嵌滑轮楔块机构2位置。由控制***8控制直流电机9带动全向轮6运动，保持吊点始终位于载荷5的正上方，由刚性连接器拉力卸去重力，使得航天器能够在二维平面内进行微重力***。

本发明提出的悬挂式离散运动***，能够容许100kg以内的中小型航天器进行可交错的离散式二维运动学地面模拟，并可依据任务需求，自定义运动路径。

以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种悬挂式离散运动***，其特征在于，所述悬挂式离散运动***包括高刚度龙门架（1）、嵌滑轮楔块机构（2）、两向移动单元（3）、刚性连接器（4）和载荷（5），

所述高刚度龙门架（1）固定在地面上，所述嵌滑轮楔块机构（2）固定连接在高刚度龙门架（1）的下表面上形成轨道，所述两向移动单元（3）滑动连接于所述嵌滑轮楔块机构（2）形成的轨道内，所述嵌滑轮楔块机构（2）下方通过所述刚性连接器（4）连接所述载荷（5），

所述嵌滑轮楔块机构（2）包括连接块（11）、滑轮（12）、导向槽（13）和承重板（14），所述连接块（11）固定连接在高刚度龙门架（1）的下表面上，所述连接块（11）的下表面固定连接于所述承重板（14）的上表面上，所述滑轮（12）设有两层，由内至外设置在所述连接块（11）的周围，两层滑轮（12）间形成所述导向槽（13）。

2.根据权利要求1所述的一种悬挂式离散运动***，其特征在于，

所述高刚度龙门架（1），用于作为所述悬挂式离散运动***提供基础平台；

所述嵌滑轮楔块机构（2），用于为所述两向移动单元（3）提供运动支撑和运动导向；

所述两向移动单元（3），用于实现所述载荷（5）悬吊点主动跟踪的二维平面运动；

所述刚性连接器（4），用于连接两向移动单元（3）与载荷（5）。

3.根据权利要求2所述的一种悬挂式离散运动***，其特征在于，所述两向移动单元（3）包括全向轮（6）、电机支座（7）、控制***（8）、直流电机（9）和移动单元底板（10），所述控制***（8）安装在所述移动单元底板（10）中心的上表面，所述电机支座（7）呈四个方向均匀设置在所述控制***（8）的周围，所述直流电机（9）安装在所述电机支座（7）上，所述直流电机（9）的转子固定连接所述全向轮（6），所述移动单元底板（10）对应全向轮（6）处设有镂空，所述全向轮（6）的部分轮体通过所述镂空穿至所述移动单元底板（10）的下方。

4.根据权利要求3所述的一种悬挂式离散运动***，其特征在于，所述电机支座（7）、直流电机（9）和全向轮（6）均设有8个，每个电机支座（7）、直流电机（9）和全向轮（6）为一组，每两组设置在所述控制***（8）水平面的四个方向上的其中一个方向上。

5.根据权利要求4所述的一种悬挂式离散运动***，其特征在于，所述移动单元底板（10）呈正四边形，所述移动单元底板（10）的下表面设有四条滑块，所述四条滑块分别平行于所述移动单元底板（10）的四条边，且每个滑块与临近的边距离均相等。

6.根据权利要求1所述的一种悬挂式离散运动***，其特征在于，所述导向槽（13）设有四条，所述导向槽（13）的尺寸和方向均与移动单元底板（10）的四条滑块匹配。

7.根据权利要求1所述的一种悬挂式离散运动***，其特征在于，所述连接块（11）为永磁体，所述高刚度龙门架（1）为可被磁铁吸引的材料制成。

8.一种悬挂式离散运动***的使用方法，基于权利要求1-7任一项所述的一种悬挂式离散运动***，其特征在于，

在地面上搭建高刚度龙门架（1），并调整其水平度，检查表面的平面度；

在高刚度龙门架（1）上预先放置嵌滑轮楔块机构（2），并调整嵌滑轮楔块机构（2）位置和姿态，以提供两向移动单元（3）的运动路径；

将两向移动单元（3）推入两块嵌滑轮楔块机构（2）中，进一步调整嵌滑轮楔块机构（2）空间位置及水平度，使得四条滑块滑入导向槽（13），两向移动单元（3）的全向轮（6）沿承重板（14）的边缘运动，

调整滑轮（12）的高度和位置，使得两向移动单元（3）的移动单元底板（10）在上面滚动，

根据任务需求，规划路径，调整嵌滑轮楔块机构（2）位置，由控制***（8）控制直流电机（9）带动全向轮（6）运动，保持载荷（5）的吊点始终位于载荷（5）的正上方，由刚性连接器拉力卸去重力，使得航天器在二维平面内进行微重力***。

9.根据权利要求8所述的一种悬挂式离散运动***的使用方法，其特征在于，所述根据任务需求，所述根据任务需求为两向移动单元（3）的平移运动或交错运动。

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