[发明专利]一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置

说明书

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及低重力环境的索驱动机器人装置。

背景技术

零重力及低重力环境模拟试验设备可使被试物体在地球上处于失重或低重力状态，在航天领域有着广泛需求，主要应用于辅助航天飞行器设计，检测航天飞行器在试中各种性能适应性，飞行员训练等。目前采用的零重力及低重力模拟方法和装备主要有以下几种：(1)抛物线飞行失重模拟；(2)浮力平衡重力法；(3)刚性并联机构模拟；(4)索机构模拟设备。

抛物线飞行失重模拟方法是利用飞机或小型火箭做抛物线飞行来创造短时间的微重力环境，利用飞机试验重力加速度能达到10-2g到10-3g，时间在25秒左右，利用小型火箭做自由落体运动可以在6-15分钟内达到10-5g的微重力实验条件。该类方法非常简单，可以直接利用现有的装备，但仅能实现短时间的低重力环境，工作范围限制在飞机机舱内，不能模拟复杂的太空，且成本较高，应用范围有限，主要应用在航天员失重训练中。

浮力平衡的方法即利用液体浮力和气体浮力来抵消重力。利用水产生浮力，通过添加适当的配重可以保证物体在水中的悬浮，该方法可以建立长期的稳定低重力环境，但是运动会受到较大水阻力的影响。一般仅用于宇航员长时间操作训练。利用空气浮力即用气球悬挂空间机器人和操作物来进行失重条件下的模拟实验，但是该方法设备体积庞大，重心分布和空气阻力对实验的可操作性和准确性产生很大的限制。

刚性并联机构模拟设备是由六自由度平台、对接机构、六维力传感器和计算机测控系统组成的综合试验台，主要用于模拟空间零重力对接，具体过程为在两个对接机构发生接触时，六维力传感器测得相互作用力，并将测量结果传给计算机系统，由计算机根据航天器的对接动力学解算出两航天器的相对运动，再由液压驱动的六自由度平台来模拟对接过程中的运动情况。该种设备形式多样，承载力大，但作业空间范围都很小。

索机构拖拽模拟设备目前应用最为广泛的是单自由度的索驱动机构，其具有大作业空间的特点。美国国家航空航天局(NASA)将斜拉平行索系和斜面结合，利用重力的分力来模拟低重力环境，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)。但这种索机构拖拽模拟方法往往采用的是一根或多根竖直方向的绳索，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。

上述四种方法虽然能够实现一定程度上实现的零重力和低重力环境，但是均存在一些不足之处，尤其对于用于模拟火箭在月球发射(1/6重力的低重力环境)和模拟空间对接(零重力环境)实验而言，采用地面火箭点火实验，即方法(1)可以直接得到羽流扰动等真实数据，但实现的成本高、风险大，且低重力环境只能采用相似性进行等效评判；采用非点火实验，即方法(2)、(3)、(4)，均无法模拟火箭发射初始阶段的全过程，无法模拟飞行器在空间6自由度的运动状态和羽流扰动，因此有必要开发一种新的零重力及低重力环境模拟设备。

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及低重力环境的索驱动机器人装置，克服了上述零重力及低重力模拟技术不能用于模拟飞行器在空间6自由度的运动状态和羽流扰动的不足，通过采集传感器数据分析得到模拟负载平台的位姿以及每根索的拉力，通过控制系统内的控制算法对每根索的长度和拉力进行反馈控制，提供了一种在大范围工作空间内模拟零重力或低重力环境下的物体的受力及6自由度运动，实现对物体的定矢量力某时刻大小、方向确定的力受力以及运动时所受干扰力的模拟。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟零重力及低重力环境的索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索200、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台300、传感器和控制系统，绳索200共有八根，一端连接在绳索驱动单元上，另一端绕过绳索导向装置上连接在模拟负载平台300上，绳索200的伸长或缩短由电机驱动的绳索驱动单元按照控制系统的指令动作，控制系统根据传感器测得的绳索200的受力和位移数据对各个绳索200进行长度和力控制进而模拟出模拟负载平台300在零重力或低重力环境下的运动。