[发明专利]一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置及其工作方法，具体就是采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟，可分别模拟横向超重、侧向超重、侧向失重、纵向超重、纵向失重等状态，属于深空探测技术领域。

背景技术

随着国家经济实力和综合国力的增强，越来越多的国家增大了对地球外太空的探索力度；深空探测不仅仅给人类提供一面审视自己的镜子，更给我们带来全新的技术、推动科技进步、彰显综合国力。

目前，常用的载人航天地面模拟训装置有三类：一类是针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的设备；另一类是为航天员训练航天作业所用的各种飞行模拟器；还有一类是建立各种舱体，内有模拟航天器内部环境的模拟设备。模拟航天中所遇到的特殊环境的模拟训练装置较多。例如，有模拟超重环境的人用离心机，也称人工重力环境模拟器，其超重过载值可根据需要而变，以考验被试者抗重力过载负荷能力；模拟失重环境的失重飞机和模拟失重感觉的大水池；模拟载人航天器着陆冲击时产生冲击力的“冲击塔”等。

目前国内外对于并联机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析和优化设计以及有限元分析等问题己经有了较为广泛的研究,取得了很多研究成果。20世纪后期，美国波音公司采用并联自由度平台，开发了一款飞行模拟器Flight Simulator Of Boeing737-400，该模拟器可以承担90%的飞行训练任务，而每小时的训练费用仅仅是实际空中飞行的1/40-1/10，效果显著，该模拟器采用并联结构，具有刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，除此之外，并联机构由于运动零件少,有效地改善了伺服控制系统的动态品质,进而允许动平台获得很高的速度和加速度,特别适用于高速控制的场合。

然而并联自由度机构的巨大优势并不能掩盖串联自由度机构所拥有的独特长处。相较于并联自由度机构，串联自由度机构，在对预期功能进行认真分析的基础上，可将总功能分解为若干个分功能，化繁为简，将总功能分解为易于实现的分功能。根据各子机构的特点，按串联方式进行机构组合从而得到多种机构创新设计方案；再者，串联自由度机构中各个自由度相互独立，无耦合关系，易于控制，可大大简化工作计算量。基于混联五自由度的深空探测模拟系统，不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为全面的优势。

随着并联机床和并联机构运动模拟器应用领域的扩大,运动精度的提高,并联机构及混联机构应用越来越广泛，与其相关的动力学问题具有很大发展潜力。从控制角度出发,旨在研究并联机器人与混联机构的性能方面的动力学问题,解决控制系统的反馈、稳定及耦合等方面的问题成为研究发展趋势。

发明内容

为了充分发挥并联机构和串联机构的优点，本发明提供了一种基于混联五自由度的深空探测模拟系统，它不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为全面的优势。运用差速器原理实现两个旋转自由度，结构紧凑；基于底部步进电机实现另一个旋转自由度；基于串联二自由度的移动平台，运动平稳，安全可靠；合理的分解自由度，即使机构实现五自由度的运动，又使运动控制简化；实现了空间多功能，多姿态的综合，使训练更加合理、全面。

本发明针对现有技术的问题，提出了一种新的技术方案：一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置是一种采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的设备，它包括上平台和下平台两个部分，上下两个平台通过螺栓联接而成。上平台为实现转载平台三个旋转自由度（绕x轴旋转、绕y轴旋转、绕z轴旋转）的并联运动机构，它包括转载平台、差速器装置、右部驱动装置、左部驱动装置和底部驱动装置；下平台为实现转载平台两个移动自由度（x方向移动、y方向移动）的串联运动机构，它包括X向位移调节装置和Y向位移调节装置。