CN115676674A - 一种磁气混合式悬吊重力卸载装置及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁气混合式悬吊重力卸载装置及***，重力卸载装置包括支架组件、磁气混合运动机构、起吊机构以及控制单元；磁气混合运动机构包括磁气组件，磁气组件包括气浮件、磁环以及第一端面，磁气组件在通电通气状态下，通过电磁引力以及气体斥力的相互作用使得第一端面与基准面之间产生第一间隙并保持第一间隙的间距不变；起吊机构包括牵引线以及执持件，执持件设置在牵引线的向下延伸端，执持件用于悬持实验目标。通过采用磁气混合作用对实验目标进行悬吊重力卸载，磁气组件形成悬浮状态，具有微阻力特性，可以实现与实验目标悬浮随动；利用磁气组件悬浮运动的方式，避免了框架平台运动位置限制，可以到达平台上的任意位置。

Description

一种磁气混合式悬吊重力卸载装置及***

技术领域

本申请涉及地面微重力模拟领域，具体涉及一种磁气混合式悬吊重力卸载装置及***。

背景技术

随着大口径空间光学设备的发展，太空在轨任务的要求更加高精度、复杂化，大尺寸、多功能化的航天器需求日益增大。以在轨组装的方式构建空间光学***，涉及到各组装模块的运输、装配、航天器的姿态调整以及组装体的机构稳定保持等诸多问题。为了保证空间望远镜在轨组装任务的成功，需要搭建相关的地面试验***，利用运动模拟环境进行性能测试和运行状态检测，可以有效评估、验证其性能，及时发现和消除原理层面的不足，打破在轨组装所面临的各项技术瓶颈。重力卸载装置作为地面试验***的主要组成部分，其性能决定了微重力环境是否具有可靠性、多元性以及外太空力学环境的模拟能力。目前，悬吊式重力卸载装置多采用悬吊原理进行构建，提高失重模拟的稳定性，可以适应多种实验对象以满足不同情况的实验要求。

现有的重力卸载装置一般都是沿单方向一定轨迹或者单点自动跟踪的***，无法满足多部件机构针对每个部位低重力实时卸载的要求。虽然现有的技术可以配置与吊挂点一一对应的恒拉力控制***，进行垂向工作行程范围内进行吊索拉力控制，但是其移动平台采用框架结构，吊挂主体由导轨和纵横方向运动车组成，在二维平面移动过程中范围受到限制；而吊挂***用转盘和伺服运动平台固接，根据伺服运动平台上各吊挂点的相对位置变化进行工作行程的控制，伺服***具有明显的迟滞性，会影响实验目标的运动状态。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提供了一种磁气混合式悬吊重力卸载装置，解决了二维平面移动过程中范围受到限制，伺服***具有明显的迟滞性的问题

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种磁气混合式悬吊重力卸载装置，包括支架组件、磁气混合运动机构、起吊机构以及控制单元；磁气混合运动机构包括磁气组件，磁气组件设置在支架组件的一侧，磁气组件包括气浮件、磁环以及第一端面，磁环套设在气浮件上，磁环的端面与气浮件的同侧端面形成第一端面，磁环用于通电后相对基准面产生电磁引力，气浮件上具有第一通孔，第一通孔用于通气后导通气流产生气体斥力；磁气组件用于在通电通气状态下，通过电磁引力以及气体斥力的相互作用使得第一端面与基准面之间产生第一间隙并保持第一间隙的间距不变；基准面具有磁性；

起吊机构包括牵引线以及执持件，牵引线设置在支架组件的另一侧，牵引线的另一端竖直向下延伸；执持件设置在牵引线的向下延伸端，执持件用于悬持实验目标；控制单元与磁环以及气浮件电连接，用于调节磁环的磁力大小以及气浮件的气流流速。

在一些实施例中，磁气混合运动机构还包括第一驱动单元，与磁气组件设置在支架组件的同一侧，第一驱动单元与控制单元电连接，第一驱动单元上具有第一驱动面，第一驱动面与第一端面置于同一平面，第一驱动单元用于驱动支架组件运动。

在一些实施例中，磁气组件还包括位移传感器，设置在气浮件上，并与控制单元电连接，用于测量第一间隙的间距；控制单元通过位移传感器测量的第一间隙的间距调节第一驱动单元以及磁气组件以使得第一间隙的间距保持在第一预设阈值范围内。

在一些实施例中，磁气组件的数量为多个，多个磁气组件沿支架组件周向设置。

在一些实施例中，磁气混合运动机构还包括调平组件，调平组件的数量与磁气组件的数量相同，调平组件设置在磁气组件与支架组件的连接处，一个调平组件用于调节一个第一端面的高度，使得多个第一端面置于同一平面内。

在一些实施例中，磁气混合式悬吊重力卸载装置还包括调节机构，调节机构与磁气混合运动机构相对设置在支架组件的两侧，调节机构包括第二驱动单元以及第三驱动单元，第二驱动单元设置在支架组件上，并与控制单元电连接，第二驱动单元的输出端与牵引线传动连接于第一点，用于调节执持件在第一范围内的竖直高度；第三驱动单元设置在支架组件上，并与控制单元电连接，第三驱动单元的输出端与牵引线传动连接于第二点，用于调节执持件在第二范围内的竖直高度；第一点与第二点不重叠，第一范围大于第二范围。

在一些实施例中，调节机构还包括滑轮组以及力传感器，滑轮组包括第一滑轮、第二滑轮以及第三滑轮，第一滑轮设置在支架组件上，第二滑轮与第三驱动单元传动连接，第三滑轮设置在第二驱动单元的输出端上，牵引线通过滑轮组与第二驱动单元以及第三驱动单元分别传动连接；力传感器设置在第二滑轮与第三驱动单元之间，与控制单元电连接，力传感器用于检测牵引线的受力值；控制单元还用于根据力传感器检测的受力值调节第二驱动单元以及第三驱动单元以使得受力值保持在第二预设阈值范围内。

在一些实施例中，调节机构还包括倾角测量传感器，设置在支架组件上，用于测量执持件相对于竖直方向的夹角；控制单元用于根据倾角测量传感器测量的夹角与受力值综合计算得出第二驱动单元以及第三驱动单元的转动量，以使得受力值保持在第二预设阈值范围内。

在一些实施例中，支架组件包括第一支架以及第二支架，磁气混合运动机构设置在第一支架上，第一支架相对磁气混合运动机构的一侧设有第一连接件；第二支架上设有第二连接件，第一连接件与第二连接件配合以使得第二支架铰接在第一支架上，并可相对于第一支架转动，调节机构设置在第二支架背离第二连接件的一侧。

为实现上述目的，在第二方面，本发明还提供一种悬吊重力卸载***，包括多个磁气混合式悬吊重力卸载装置，该磁气混合式悬吊重力卸载装置为前文所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置；多个磁气混合式悬吊重力卸载装置的执持件用于夹持同一实验目标。

区别于现有技术，上述技术方案通过采用磁气混合作用对实验目标进行悬吊重力卸载，磁气组件形成悬浮状态，具有微阻力特性，可以实现与实验目标悬浮随动；利用磁气组件悬浮运动的方式，避免了框架平台运动位置限制，可以到达基准面上的任意位置。

上述发明内容相关记载仅是本申请技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本申请的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本申请的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本申请的具体实施方式及附图进行说明。

附图说明

附图仅用于示出本发明具体实施方式以及其他相关内容的原理、实现方式、应用、特点以及效果等，并不能认为是对本申请的限制。

在说明书附图中：

图1为具体实施方式所述磁气混合式悬吊重力卸载装置的示意图；

图2为具体实施方式所述磁气混合式悬吊重力卸载装置的另一示意图；

图3为具体实施方式所述磁气混合运动机构的示意图；

图4为具体实施方式所述磁气组件的示意图；

图5为具体实施方式所述调平组件以及磁气组件的剖面图；

图6为具体实施方式所述调节机构的示意图；

图7为具体实施方式所述调节机构的另一示意图。

其中的附图标记包括：1、磁气混合运动机构；11、磁环；12、气浮件；13、第一驱动单元；14、位置传感器；15、第一支架；16、调平组件；17、气路及电源组件；2、球铰；3、调节机构；31、第二支架；32、第三驱动单元；33、力传感器；34、第二驱动单元；35、滑轮组；351、第二滑轮；352、第一滑轮；4、起吊机构；41、倾角测量传感器；42、牵引线；43、执持件。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

请参阅图1与图2，本实施例提供了一种磁气混合式悬吊重力卸载装置，包括支架组件、磁气混合运动机构1、起吊机构4以及控制单元；磁气混合运动机构1包括磁气组件，磁气组件设置在支架组件的一侧，磁气组件包括气浮件12、磁环11以及第一端面，磁环11套设在气浮件12上，磁环11的端面与气浮件12的同侧端面形成第一端面，磁环11用于通电后相对基准面产生电磁引力，气浮件12上具有第一通孔，第一通孔用于通气后导通气流产生气体斥力；磁气组件用于在通电通气状态下，通过电磁引力以及气体斥力的相互作用使得第一端面与基准面之间产生第一间隙并保持第一间隙的间距不变；基准面具有磁性；起吊机构4包括牵引线42以及执持件43，牵引线42设置在支架组件的另一侧，牵引线42的另一端竖直向下延伸；执持件43设置在牵引线42的向下延伸端，执持件43用于悬持实验目标；控制单元与磁环11以及气浮件12电连接，用于调节磁环11的磁力大小以及气浮件12的气流流速。

基准面是悬吊平台的平台面，悬吊平台与悬吊重力卸载装置配合，才可以实现实验目标的悬吊。在现有技术中，悬吊平台一般指的是采用钢架或型材制成的框架，在框架上排布有不同方向的滑轨，悬吊重力卸载装置设置在该滑轨上，可以在滑轨铺设的方向上移动，但这样存在的问题是，悬吊重力卸载装置的移动范围以及路径受到滑轨以及框架结构的限制，使得实验目标的悬吊方位受到极大的限制。

请参考图4与图5，磁气组件包括气浮件12以及磁环11，气浮件12采用一体成型设计，磁环11套设在气浮件12上，磁环11的端面与气浮件12的同侧端面形成第一端面。第一通孔的数量可以是一个，也可以是多个，当第一通孔的数量为一个时，第一通孔的孔径也相应改变，确保产生的气体斥力能够满足使用需求。当第一通孔的数量为多个时，呈规则状排布在气浮件12上，便于气流均匀分布以确保气体斥力能够均匀分布在第一端面上，以使得气体斥力与电磁引力保持平衡，避免第一端面上的力量不均而产生偏移。

在通电后，基准面具有磁性，磁气组件具有电磁引力以及气体斥力，电磁引力与气体斥力的相互作用使得第一端面与基准面之间产生第一间隙并保持第一间隙的间距不变，形成第一端面与基准面之间的悬浮状态，悬浮状态具备微阻力的特点，因此可以灵活地实现实验目标在基准面上的移动。

牵引线42可以由钢丝绳制成，也可以是其他形状，例如，可以是吊索；牵引线42用于悬吊实验目标。执持件43设置在牵引线42的延伸端，执持件43可以是剖面式吊箍，也可以是吸盘等，执持件43可与实验目标相对固定，与牵引线42、支架组件以及磁气组件、基准面配合，将实验目标悬持在空中，实现实验目标的重力卸载。

利用磁气的混合作用，使得基准面与第一端面之间产生第一间隙并持续保持第一间隙，使得第一端面能够相对于基准面进行移动，从而脱离滑轨的方位限制，只需要基准面具备磁性即可使得整个基准面均属于第一端面的移动范围，使得实验目标的悬吊方位调节达到最大范围。

请参考图3，在一些实施例中，磁气混合运动机构1还包括第一驱动单元13，与磁气组件设置在支架组件的同一侧，第一驱动单元13与控制单元电连接，第一驱动单元13上具有第一驱动面，第一驱动面与第一端面置于同一平面，第一驱动单元13用于驱动支架组件运动。

第一驱动单元13与磁气组件设置在同一侧，第一驱动单元13可以是平面电机，也可以是普通电机与传动结构(比如齿轮等)的组合，形成具有平面驱动功能的驱动单元。第一驱动单元13具有第一驱动面，第一驱动面与第一端面置于同一平面，可以保证电磁力与气浮斥力的作用面重合，防止形成附加力矩，也可以保证控制***对悬吊间隙调整时的作用力变化的统一性与均匀性。

第一驱动单元13用于驱动支架组件运动，运动方向为与基准面平行的方向，例如，当基准面为水平面时，则第一驱动单元13用于驱动支架组件沿水平方向运动；当基准面为竖直面时，第一驱动单元13用于驱动支架组件沿竖直方向运动。控制单元与第一驱动单元13电连接，能够根据实际需求控制第一驱动单元13的行进速度与距离，在需要对实验目标的悬吊方位进行调节时，第一驱动单元13的驱动功能能够节省人力调节悬吊重力卸载装置的步骤，节省人力的同时，第一驱动单元13在控制单元的控制下，对实验目标的悬吊方位调节更为精确，便于后续对实验目标进行其他的试验步骤。

在一些实施例中，磁气组件还包括位移传感器，设置在气浮件12上，并与控制单元电连接，用于测量第一间隙的间距；控制单元通过位移传感器测量的第一间隙的间距调节第一驱动单元13以及磁气组件以使得第一间隙的间距保持在第一预设阈值范围内。第一预设阈值表示的是第一间隙的间距的具体数值，这一数值由人为输入，作为一个标准参考值。当第一间隙的间距在该值时，默认第一端面与基准面之间处于平行状态，且该状态下的磁气混合式悬吊重力卸载装置具备悬吊一定重量的实验目标的能力。可选地，位移传感器的数量根据实际需求确定，当气浮件12的尺寸较小时，一个位移传感器即可满足第一间隙的间距测量需求，则只需要配备一个位移传感器即可。当气浮件12较大时，一个位移传感器所获得的第一间隙的间距数值无法表示整个第一端面的第一间距的数值，此时，需要配备多个位移传感器，且多个位移传感器沿气浮件12的周向设置，通过获取多个第一间隙的间距，能够判断第一端面与基准面之间是否存在倾斜状态，当存在倾斜状态时，控制单元可通过调节气体流速以及电磁引力的大小，及时纠正第一间隙的偏移量，使得第一间隙的间距始终保持在第一预设阈值范围内，从而使得悬吊重力卸载装置在悬吊实验目标过程中的悬浮稳定性得到保证。

请参考图3，在一些实施例中，磁气组件的数量为多个，多个磁气组件沿支架组件周向设置。可选地，磁气组件的数量为三个，沿周向设置在支架组件上，形成三角结构，三个磁气组件的第一端面均处于同一平面，且与基准面平行设置，通过设置多个磁气组件，能够提高整个悬吊装置的稳定性。

请参考图5，在一些实施例中，磁气混合运动机构1还包括调平组件16，调平组件16的数量与磁气组件的数量相同，调平组件16设置在磁气组件与支架组件的连接处，一个调平组件16用于调节一个第一端面的高度，使得多个第一端面置于同一平面内。调平组件16包括定制螺栓以及螺母，螺母固设在支架组件上，定制螺栓设置在该螺母内，定制螺栓的另一端与气浮件12固连，通过旋转定制螺栓，能够实现第一端面的高度调节，多个调节组件能够实现多个第一端面的调节，使得多个第一端面处于同一平面内，确保在通电后，每个第一端面与基准面之间的第一间隙的间距相同。

请参考图6，在一些实施例中，磁气混合式悬吊重力卸载装置还包括调节机构3，调节机构3与磁气混合运动机构1相对设置在支架组件的两侧，调节机构3包括第二驱动单元34以及第三驱动单元32，第二驱动单元34设置在支架组件上，并与控制单元电连接，第二驱动单元34的输出端与牵引线42传动连接于第一点，用于调节执持件43在第一范围内的竖直高度；第三驱动单元32设置在支架组件上，并与控制单元电连接，第三驱动单元32的输出端与牵引线42传动连接于第二点，用于调节执持件43在第二范围内的竖直高度；第一点与第二点不重叠，第一范围大于第二范围。

第二驱动单元34设置在支架组件上，并与控制单元电连接，第二驱动单元34的输出端与牵引线42传动连接于第一点，指的是，第二驱动单元34的输出端与牵引线42的末端传动连接，例如，第二驱动单元34的输出端上套设有线绳收集架，线绳收集架与牵引线42的末端连接，通过第二驱动单元34的输出端的高速旋转，带动牵引线42卷绕在线绳收集架上，从而实现执持件43以及执持件43所悬吊的实验目标在第一范围内竖直高度上的调节。

第三驱动单元32设置在支架组件上，第三驱动单元32设置在第二驱动单元34与执持件43之间，第三驱动单元32的输出端与牵引线42的中部传动连接，例如，可以通过轴承或滑轮等于牵引线42传动连接，第三驱动单元32的输出端用于调节执持件43在第二范围内的竖直高度。

此处第一范围指的是调节精度较大的调节范围，例如，实验目标需要抬升100cm，则，第一范围的调节是指从当前位置将执持件43抬升至100cm，第二范围指的是调节精度较小的调节范围，在前述例子的前提下，需要将调节精度精确至0.1cm，则第三驱动单元32只需要将牵引线42稍微抬升0.1cm即可，无需进行牵引线42的卷绕动作。

在一些具体的实施例中，第二驱动单元34为卷扬电机，第三驱动单元32为音圈电机。通过对牵引线42进行两级调节，调节机构3实现了执持件43以及悬持的实验目标在竖直方向上的高精度调节，便于后续对实验目标进行其他的实验步骤。

请参考图7，在一些实施例中，调节机构3还包括滑轮组35以及力传感器33，滑轮组35包括第一滑轮352、第二滑轮351以及第三滑轮，第一滑轮352设置在支架组件上，第二滑轮351与第三驱动单元32传动连接，第三滑轮设置在第二驱动单元34的输出端上，牵引线42通过滑轮组35与第二驱动单元34以及第三驱动单元32分别传动连接；力传感器33设置在第二滑轮351与第三驱动单元32之间，与控制单元电连接，力传感器33用于检测牵引线42的受力值；控制单元还用于根据力传感器33检测的受力值调节第二驱动单元34以及第三驱动单元32以使得受力值保持在第二预设阈值范围内。

第一滑轮352设置在支架组件上，第一滑轮352是定滑轮，主要用于改变牵引线42的移动方向。第二滑轮351是动滑轮，第二滑轮351与第三驱动单元32传动连接，用于在第二范围内对牵引线42进行微调；第三滑轮设置在第二驱动单元34的输出端上，用于调节牵引线42的移动方向使其便于卷绕。

本实施例中，第二滑轮351与第三驱动单元32通过力传感器33进行串联，力传感器33能够实时检测牵引线42的受力值并将其反馈至控制单元中，当执持件43上的实验目标的方位产生变化时，执持件43的执持角度也将变化，则牵引线42受到的拉力也会相应变化。为了使实验目标在新的方位中保持平衡，需要对牵引线42的拉力进行调节，控制单元将根据力传感器33上的变化数值以及新平衡所需的拉力数值进行计算，得出最终的牵引线42受力值，从而控制第三驱动单元32对牵引线42进行微调，以确保实验目标始终保持在受力平衡状态。第二预设阈值表示的是牵引线42的拉力值，第二预设阈值的设置由人为输入或计算得出，即实验目标保持在新的平衡状态下时，对应当前这个牵引线42所需的拉力数值。

通过设置滑轮组35以及力传感器33，能够对牵引线42的拉力进行精确调节，确保实验目标的处于受力平衡状态，使得牵引线42实现恒拉力输出，便于对实验目标进行其他的实验步骤。

在一些实施例中，调节机构3还包括倾角测量传感器41，设置在支架组件上，用于测量执持件43相对于竖直方向的夹角；控制单元用于根据倾角测量传感器41测量的夹角与受力值综合计算得出第二驱动单元34以及第三驱动单元32的转动量，以使得受力值保持在第二预设阈值范围内。倾角测量传感器41用于测量执持件43相对于竖直方向的夹角，因为实验目标的方位改变将使得牵引线42以及执持件43与竖直方向之间产生倾角，从而使得牵引线42在竖直方向上的拉力存在变化，使得实验目标的重力平衡状态被打破，需要根据牵引线42倾角重新判断竖直方向上的牵引拉力，从而使得实验目标始终保持重力卸载状态。

因此，需要增加倾角传感器，控制单元通过倾角传感器以及力传感器33的协同计算，得出牵引线42在实验目标处于新平衡状态下所需的拉力值，进而控制第二驱动单元34以及第三驱动单元32的转动量，使得受力值保持在第二预设阈值范围内，使得实验目标在不同的方位下能够始终保持平衡状态。

请参考图1，在一些实施例中，支架组件包括第一支架15以及第二支架31，磁气混合运动机构1设置在第一支架15上，第一支架15相对磁气混合运动机构1的一侧设有第一连接件；第二支架31上设有第二连接件，第一连接件与第二连接件配合以使得第二支架31铰接在第一支架15上，并可相对于第一支架15转动，调节机构3设置在第二支架31背离第二连接件的一侧。可选地，第一连接件与第二连接件为球铰2的球与球壳两个部件，采用球铰2连接能够最大限度的实现第一支架15与第二支架31之间的相对运动，方便调节机构3相对于磁气混合运动机构1之间的旋转与偏移，提高整个重力卸载装置的运动灵活性。

本实施例还提供一种悬吊重力卸载***，包括多个磁气混合式悬吊重力卸载装置，该磁气混合式悬吊重力卸载装置为前文所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置；多个磁气混合式悬吊重力卸载装置的执持件43用于夹持同一实验目标。多个磁气混合式悬吊重力卸载装置设置在同一基准面上的不同位置，且多个执持件43同时夹持同一实验目标的不同位置，便于实验目标在不同方位状态的保持，并实现实验目标的重力卸载。

上述技术方案通过采用磁气混合作用对实验目标进行悬吊重力卸载，磁气组件形成悬浮状态，具有微阻力特性，可以实现与实验目标悬浮随动；利用磁气组件悬浮运动的方式，避免了框架平台运动位置限制，可以到达平台上的任意位置。

结合具体的实施例对以上技术方案进行进一步说明与理解：

现有技术中，已有专利号为CN111661781A的一种复合式重力卸载装置，该装置可以对待卸载部件在不同自由度上进行重力卸载，并且模拟待卸载部件在轨失重状态时提高卸载的稳定性和灵活性。利用复合连接件和升降机构，可以调节待卸载部件的位置，通过复合连接件提供卸载所需的拉力，实现位置的精密调节；刚性连接件的一端为锁紧机构，可以对刚性连接件施加预设拉力，释放锁紧机构的锁定状态实现卸载操作，提高卸载部件失重状态的模拟精度；另一端为质量块，用于提供卸载件卸载。这种设计方法虽然具有两种卸载方式，但是需要在刚性连接件的另一端配备质量块，以此提供卸载拉力，卸载力自适应调整能力不足；而且刚性连接件与弹性元件连接时，容易造成卸载过程调节不灵活，影响重力卸载的稳定性。同时此类卸载方式缺乏力反馈等相关设计，无法保证悬吊状态的恒拉力卸载，增加了卸载状态的控制难度和安全隐患。

现有的多吊点组合控制***采用悬吊实验目标的位置姿态的变化，得出实验目标的质心，计算各悬挂点的拉力值，然后由恒拉力控制***对悬挂力进行调整，保证总的悬挂力通过实验目标的质心，对实际过程中吊索拉力的调整要求极高，而且不利于实验目标的稳定运动。本实施例为解决上述问题，提供一种磁气混合式悬吊重力卸载装置，结构设计合理，形成悬吊过程中的悬浮状态，提升了整体装置的运动范围，保证了卸载状态的恒拉力输出，提高安全可靠性。具体的技术方案如下：

一种具有微阻力、大运动范围、位置与力反馈、恒力输出、悬浮随动的悬吊重力卸载装置，包括磁气混合运动机构1、球铰2、调节机构3和起吊机构4。其中磁气混合运动机构1由磁环11、气浮件12、平面电机(即第一驱动单元13)、位置传感器14、第一支架15、调平组件16和气路及电源控制组件组成，磁环11和气浮件12置于第一支架15内组成磁气组件，磁环11和气浮件12共面，每个磁气组件形成一个受力吊点；平面电机与第一支架15固连，且与气浮件12共面；调平组件16与磁气组件连接，调整个磁气组件的高度，保证多个磁气组件的第一端面均共面；第一支架15上配置了定位孔安装气路及电源组件17，第一支架15与第二支架31之间需要进行转动的连接位置采用球铰2连接。调节机构3由第二支架31、音圈电机(即第三驱动单元32)、力传感器33、卷扬电机(即第二驱动单元34)和滑轮组35组成，其中滑轮组35由两个定滑轮和一个动滑轮组35成，音圈电机、力传感器33和滑轮组35中的动滑轮串联在第二支架31中的限位槽上。起吊机构4由倾角测量传感器41、吊索(即牵引线42)和吊箍(即执持件43)组成，吊索与卷扬电机绑定，缠绕在滑轮组35上，由调节机构3调整吊索的长度及拉力。

所述磁气混合运动机构1由磁环11、气浮件12、平面电机、位置传感器14、第一支架15、调平组件16和气路及电源控制组件组成，各部分采用模块化设计，方便***装配的便利性；

磁环11、气浮件12和平面电机与第一支架15之间利用调平组件16连接，调平组件16与磁环11、气浮件12之间固定连接，调平组件16与第一支架15采用螺纹连接，从而使得调平组件16与第一支架15形成螺纹传动，可以调整三个磁环11至与平面电机共面；气浮件12采用一体式设计制造，表面有第一通孔；平面电机在整个悬吊装置处于悬浮状态下驱动整个悬吊装置进行水平运动。

进一步地，磁气混合运动机构1和调节机构3通过球铰2进行连接，便于悬吊装置之间的相对运动，防止卡死限位，提高了***的灵活性。

调节机构3由第二支架31、音圈电机、力传感器33、卷扬电机和滑轮组35组成，其中滑轮组35由两个定滑轮和一个动滑轮组35成，音圈电机、力传感器33和滑轮组35中的动滑轮串联在第二支架31中的限位槽上。起吊机构4由倾角测量传感器41、吊索和吊箍组成，吊索与卷扬电机绑定，缠绕在滑轮组35上，倾角测量传感器41对吊索的倾角变化给出反馈，和调节机构3中的力传感器33共同反馈作用，由调节机构3调整吊索的拉力及长度，有效提升***的拉力调整精度，提高***的可靠性与真实度。

调节机构3的结构如图7所示，卷扬电机根据倾角测量传感器41的反馈信号进行吊索的伸缩长度调整，音圈电机、力传感器33与动滑轮串联，根据力传感器33的反馈信号音圈电机在串联方向上进行高精度力调节，通过改变动滑轮的位置对滑轮组35传递到吊索的拉力进行两级调节。

本发明磁气混合式悬吊重力卸载装置的工作原理为：

磁环11与工作环境的基准面之间产生电磁引力，与气浮件12产生的气体斥力及吊索悬吊的实验目标重力共同作用，使磁气混合运动机构1与基准面之间形成悬浮状态，平面电机在悬浮状态下根据实验目标的运动状态，进行***的运动跟随；为了保证悬浮状态的稳定，调平组件16与第一支架15之间采用螺纹连接，从而利用组件调整磁环11的相对位置，与平面电机共面；调节机构3与起吊机构4与实验目标连接，利用吊索的拉力与重力平衡实现重力卸载，倾角测量传感器41对吊索的倾角变化给出反馈，和调节机构3中的力传感器33共同反馈作用，由卷扬电机与音圈电机进行两级调节，调整吊索的拉力及长度，具体工作原理为：卷扬电机根据倾角测量传感器41的反馈信号进行吊索的伸缩长度调整，音圈电机、力传感器33与动滑轮串联，根据力传感器33的反馈信号音圈电机在串联方向上进行高精度力调节；反馈信息及控制***的信息整合在气路及电源控制组件中，气路及电源控制组件处理数据后下达相应指令控制电机运动，实现***的位置与力调整，提高重力卸载装置整体的安全可靠度。

本发明采用模块化、一体化设计理念，采用磁气混合作用对实验目标进行悬吊重力卸载，实现与实验目标悬浮随动，卷扬电机与音圈电机两级调节保证吊索拉力的恒定输出，本发明的磁气混合式悬吊重力卸载装置，具有微阻力、大运动范围、位置与力反馈、恒力输出、悬浮随动的特点。

依据上述技术方案，本实施例具有以下优点与效果；

采用模块化、一体化设计理念，磁气运动结构简单，加工难度低，零件互换性高，结构紧凑，具有良好的扩展性以应对各种工作环境需求；采用磁气混合作用对实验目标进行悬吊重力卸载，装置吊点形成悬浮状态，具有微阻力特性，可以实现与实验目标悬浮随动；采用与基准面悬浮运动的方式，避免了框架平台运动位置限制，可以到达平台上的任意位置；采用球铰2连接，方便悬吊装置之间的运动状态，提高悬吊装置的运动灵活性；采用的卷扬电机与音圈电机两级调节的方式进行吊索长度和拉力的调整，吊索缠绕在滑轮组35上，可以协助拉力的恒定输出，简化了调节机构3内部结构；采用多个悬吊装置对实验目标进行重力卸载，提高卸载过程的可靠性与安全性。

尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，包括：

支架组件；

磁气混合运动机构，所述磁气混合运动机构包括：

磁气组件，设置在所述支架组件的一侧，所述磁气组件包括气浮件、磁环以及第一端面，所述磁环套设在所述气浮件上，所述磁环的端面与所述气浮件的同侧端面形成所述第一端面，所述磁环用于通电后相对基准面产生电磁引力，所述气浮件上具有第一通孔，所述第一通孔用于通气后导通气流产生气体斥力；所述磁气组件用于在通电通气状态下，通过电磁引力以及气体斥力的相互作用使得所述第一端面与所述基准面之间产生第一间隙并保持所述第一间隙的间距不变；所述基准面具有磁性；

起吊机构，所述起吊机构包括：

牵引线，设置在所述支架组件的另一侧，所述牵引线的另一端竖直向下延伸；

执持件，设置在所述牵引线的向下延伸端，所述执持件用于悬持实验目标；

控制单元，与所述磁环以及所述气浮件电连接，用于调节所述磁环的磁力大小以及所述气浮件的气流流速。

2.根据权利要求1所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，所述磁气混合运动机构还包括：

第一驱动单元，与所述磁气组件设置在所述支架组件的同一侧，所述第一驱动单元与所述控制单元电连接，所述第一驱动单元上具有第一驱动面，所述第一驱动面与所述第一端面置于同一平面，所述第一驱动单元用于驱动所述支架组件运动。

3.根据权利要求1或2所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，所述磁气组件还包括：

位移传感器，设置在所述气浮件上，并与所述控制单元电连接，用于测量所述第一间隙的间距；

所述控制单元通过所述位移传感器测量的第一间隙的间距调节所述第一驱动单元以及所述磁气组件以使得第一间隙的间距保持在第一预设阈值范围内。

4.根据权利要求2所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，所述磁气组件的数量为多个，多个所述磁气组件沿所述支架组件周向设置。

5.根据权利要求4所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，所述磁气混合运动机构还包括：

调平组件，所述调平组件的数量与所述磁气组件的数量相同，所述调平组件设置在所述磁气组件与所述支架组件的连接处，一个调平组件用于调节一个所述第一端面的高度，使得多个所述第一端面置于同一平面内。

6.根据权利要求2所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，还包括：

调节机构，所述调节机构与所述磁气混合运动机构相对设置在所述支架组件的两侧，所述调节机构包括：

第二驱动单元，设置在所述支架组件上，并与所述控制单元电连接，所述第二驱动单元的输出端与所述牵引线传动连接于第一点，用于调节所述执持件在第一范围内的竖直高度；

第三驱动单元，设置在所述支架组件上，并与所述控制单元电连接，所述第三驱动单元的输出端与所述牵引线传动连接于第二点，用于调节所述执持件在第二范围内的竖直高度；

所述第一点与所述第二点不重叠，所述第一范围大于所述第二范围。

7.根据权利要求6所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，所述调节机构还包括：

滑轮组，包括第一滑轮、第二滑轮以及第三滑轮，所述第一滑轮设置在所述支架组件上，所述第二滑轮与所述第三驱动单元传动连接，所述第三滑轮设置在所述第二驱动单元的输出端上，所述牵引线通过所述滑轮组与所述第二驱动单元以及所述第三驱动单元分别传动连接；

力传感器，所述力传感器设置在所述第二滑轮与所述第三驱动单元之间，与所述控制单元电连接，所述力传感器用于检测所述牵引线的受力值；

所述控制单元还用于根据所述力传感器检测的受力值调节所述第二驱动单元以及所述第三驱动单元以使得所述受力值保持在第二预设阈值范围内。

8.根据权利要求7所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，所述调节机构还包括：

倾角测量传感器，设置在所述支架组件上，用于测量所述执持件相对于竖直方向的夹角；

所述控制单元用于根据所述倾角测量传感器测量的夹角与所述受力值综合计算得出所述第二驱动单元以及所述第三驱动单元的转动量，以使得所述受力值保持在第二预设阈值范围内。

9.根据权利要求6所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置，其特征在于，所述支架组件包括：

第一支架，所述磁气混合运动机构设置在所述第一支架上，所述第一支架相对所述磁气混合运动机构的一侧设有第一连接件；

第二支架，所述第二支架上设有第二连接件，所述第一连接件与所述第二连接件配合以使得第二支架铰接在第一支架上，并可相对于所述第一支架转动，所述调节机构设置在所述第二支架背离所述第二连接件的一侧。

10.一种悬吊重力卸载***，其特征在于，包括：

多个磁气混合式悬吊重力卸载装置，所述磁气混合式悬吊重力卸载装置为权利要求1-9任一项所述的磁气混合式悬吊重力卸载装置；

多个所述磁气混合式悬吊重力卸载装置的执持件用于夹持同一实验目标。

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