[发明专利]一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法

说明书

本发明提供一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法，包括用于悬吊的主支撑杆、设置在主支撑杆下端的滑轮平台、设置在滑轮平台一侧的电机制动器和摩擦力补偿电机、设置在滑轮平台中的滑轮、设置在滑轮平台另一侧的滑轮平台配重块、设置在滑轮上的钢丝绳，滑轮所在的轴通过联轴器与电机制动器输出轴连接，摩擦力补偿电机上设置有编码器，钢丝绳的一端设置有模拟负载配重块和把手配重块、另一端设置有模拟负载，模拟负载上设置有多维力传感器，多维力传感器连接有把手，摩擦力补偿电机用于产生抵消滑轮轴摩擦力矩的电机补偿力矩，根据模拟负载质量的不同改变电机补偿力矩的大小，消除重力对上下运动操作力的影响。

技术领域

本发明涉及一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法，属于地面模拟仿真领域。

背景技术

进入21世纪，美国、俄罗斯、中国等主要航天大国相继调整了载人航天的发展方向并制定了新的航天发展战略。各国的航天事业特别是载人航天事业蓬勃发展。我国的载人空间站计划到2024年前后完成在轨组装并投入运营。届时航天员的空间操作任务将会更多。这就需要有更好的地面训练技术来支撑宇航员进行地面模拟微重力训练，来使宇航员有足够的准备在微重力环境下完成各项任务。航天员虽然在太空中感受不到物体所受的重力，但是由于物体具有的质量、重心，物体在运动时仍然具有惯性力。因此在微重力环境下大物体的运动特征和力学特征相比于在地面环境下有着很大的不同。例如在太空环境下相比于地面环境，航天员可以很容易的举起大质量物件，但是不容易抓住他，因为牛顿定律和动量定理依然成立，在制动大质量物件时，大质量物件的惯性力很有可能将宇航员手套撕裂，同时也有可能导致宇航员用力过猛使宇航员肌肉损伤，因此宇航员需要在执行太空任务前在地面进行地面微重力模拟训练来养成执行太空任务的思维判断习惯。这就需要在地面上搭建一个可以充分模拟太空微重力环境的训练平台，以此培训宇航员熟练的进行在轨操作。现有的地面微重力模拟训练实现方法主要有两种方式：力平衡法模拟微重力和运动法模拟微重力。其中力平衡法模拟微重力主要是通过外加平衡力抵消地面上重力的影响，如利用气足支撑、磁悬浮、中性液体浮力、静平衡机构等方法抵消重力，模拟微重力环境。气足支撑是利用压缩空气将物体与接触面分离，极大减小摩擦力的影响，合理控制气压抵消重力，这种微重力模拟方法效果好，但是成本高。中性液体浮力方法是使训练环境浸入液体中，利用浮力的作用抵消重力，水浮法无法抵消液体产生的流体阻力，同时单次实验成本昂贵，准备时间长；运动法模拟微重力是使物体按照特定的规律运动，使物体的重力全部用来抵消离心力或惯性力，以此消除重力影响。运动法模拟微重力是将宇航员和训练物体提升到较高的高度，然后让其自由下落，下落过程可以视为微重力环境，当下落到一定高度时安全停止。运动法模拟可以十分接近真实的微重力环境，但是造价昂贵，同时模拟时间受到自由落体时间的限制不能长时间模拟。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种模拟微重力环境物件搬运训练的装置及其摩擦力矩补偿方法。

本发明的目的是这样实现的：包括用于悬吊的主支撑杆、设置在主支撑杆下端的滑轮平台、设置在滑轮平台一侧的电机制动器和摩擦力补偿电机、设置在滑轮平台中的滑轮、设置在滑轮平台另一侧的滑轮平台配重块、设置在滑轮上的钢丝绳，滑轮所在的轴通过联轴器与电机制动器输出轴连接，摩擦力补偿电机上设置有编码器，钢丝绳的一端设置有模拟负载配重块和把手配重块、另一端设置有模拟负载，模拟负载上设置有多维力传感器，多维力传感器连接有把手，摩擦力补偿电机用于产生抵消滑轮轴摩擦力矩的电机补偿力矩，根据模拟负载质量的不同改变电机补偿力矩的大小，消除重力对上下运动操作力的影响。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.模拟负载、模拟负载配重块的大小及质量相同。