專利名稱：空間微重力模擬實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，適用于在地面上模擬太空環(huán)境。
背景技術(shù)：
眾所周知，太空環(huán)境具有微重力的特點，處在太空中的宇航員以及宇航設(shè)備均失去重力作用，所以在將宇航員、宇航設(shè)備發(fā)射到太空前，需要對宇航員進行技能訓練、對宇航設(shè)備進行無重力模擬實驗；由于地面環(huán)境不同于太空環(huán)境，如何在地面上模擬太空環(huán)境、復現(xiàn)零重力狀態(tài)，成為一項迫切需要解決的技術(shù)難題。目前世界各國模擬太空環(huán)境普遍采用的方法有:水浮法、氣浮法、自由落體運動和吊絲重力補償法。采用水浮法進行實驗時，需要將實驗對象全部浸泡在水中，利用水產(chǎn)生的浮力，同時精確地調(diào)整漂浮器的浮力和配重的大小，來抵消實驗對象產(chǎn)生的重力，所以實驗易受水的阻力和紊流影響，而且維護費用高、需保證系統(tǒng)的密封性；氣浮法的原理是利用氣體壓力，由氣膜浮起物體，使物體可以在一定的空間自由移動，利用這種方法進行太空失重模擬實驗時，模型較為簡便，但是費用高，過程比較復雜，只能完成平面的實驗等。當物體進行自由落體運動時，物體處于完全失重，故采用自由落體運動的方法可以很好地模擬太空環(huán)境、復現(xiàn)零重力狀態(tài)，但是自由落體法代價高，實驗時間短，所以這種方法難以得到推廣；吊絲配重補償法的原理是通過滑輪組利用配重物的重量來補償實驗對象的重力影響，吊絲配重系統(tǒng)的優(yōu)點是可以進行三維空間的重力補償，實驗時間不受限制，但是采用這種方法存在重力補償精度不夠高，難以辨識懸吊系統(tǒng)的動摩擦力并在其控制系統(tǒng)中準確補償?shù)热秉c。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明實施例提供一種安全可靠、可重復利用且結(jié)構(gòu)簡單、成本低、方便可行的空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)的問題?！N空間微重力模擬實驗系統(tǒng),包括:外圍框架，其包括上層平臺、下層平臺和支柱；調(diào)平系統(tǒng)，其包括粗調(diào)平機構(gòu)和精調(diào)平機構(gòu)兩個部分；水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)，其包括X方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)、Y方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)和支撐板；Z方向主動重力補償系統(tǒng)，其包括電機、減速器、力矩測試儀、絲杠、導軌、滾珠滑塊和滑軌；回轉(zhuǎn)被動調(diào)整系統(tǒng)，其能夠保證實驗對象在受到回轉(zhuǎn)力作用時跟隨力矩轉(zhuǎn)動；俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)，其包括上支撐板、繩驅(qū)動裝置、中心固定桿、吊繩和下支撐板。優(yōu)選地，所述上層平臺用來放置所述水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)，所述下層平臺上布置了扶手，以模擬空間站艙外扶手的尺寸和排列方式；所述支柱用于連接上下層平臺，同時支撐所述上層平臺。優(yōu)選地，所述粗調(diào)平機構(gòu)用于補償?shù)孛娴钠矫娑日`差，克服地面的不平度；所述精調(diào)平機構(gòu)用于補償機構(gòu)的加工、安裝誤差。優(yōu)選地，所述X、Y方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)分別由直線導軌和滾珠滑塊組成；X方向?qū)к壈惭b在Y方向滑塊上，所述支撐板安裝在X方向滑塊上，因此支撐板可以在X和Y方向被動滑行。優(yōu)選地，所述Z方向主動重力補償系統(tǒng)根據(jù)力矩測試儀測得的力矩T，計算得到當前滾珠絲杠系統(tǒng)所受拉力，當通過測量和計算得到的拉力與事先測量的實驗對象的重力不同時，Z方向主動重力補償系統(tǒng)通過電機轉(zhuǎn)動來補償實驗對象所受外力。優(yōu)選地，所述回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)具有用于連接吊桿和上支撐板的止推軸承。優(yōu)選地，所述下支撐板與實驗對象連接，所述中心固定桿與所述下支撐板之間通過球關(guān)節(jié)連接；所述中心固定桿將實驗對象受到的水平方向力傳到所述水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)，保證水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)正常工作；并且，將實驗對象受到的Z方向的力，傳導到Z方向主動重力補償系統(tǒng)，保證Z方向主動重力補償系統(tǒng)運行，同時保證俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)不受X、Y和Z方向上外力的干擾；所述俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)的繩驅(qū)動轉(zhuǎn)置安裝在所述上支撐板上，通過所述繩驅(qū)動裝置調(diào)整吊繩的長度；所述繩驅(qū)動裝置中裝有拉力傳感器，用于測量吊繩的張力；所述實驗對象上裝有陀螺儀和關(guān)節(jié)位置控制器，所述繩驅(qū)動裝置根據(jù)理論張力與測量到的實際張力的差值，調(diào)節(jié)各個吊繩的長度。通過以上技術(shù)方案，本發(fā)明能夠很好地模擬太空微重力環(huán)境，復現(xiàn)零重力狀態(tài)，安全可靠、可重復利用且結(jié)構(gòu)簡單、成本低、方便可行便于廣泛推廣，同時為航天員或空間站機器人在太空艙外移動提供一個平臺，模擬艙外的扶手布置。


圖1空間微重力模擬實驗系統(tǒng)圖2調(diào)平系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3調(diào)平系統(tǒng)局部剖視4水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)圖5Ζ方向主動重力補償、回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)和俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中標號如下:I上層平臺2調(diào)平系統(tǒng)3水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)4Ζ方向主動重力補償系統(tǒng)5回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)6支柱7俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)8機器人或宇航員9下層平臺 10球形墊片11精調(diào)頂板12微調(diào)螺母13微調(diào)螺釘14精調(diào)底板15精調(diào)螺母16精調(diào)螺釘
17Y方向滑塊18X方向?qū)к?9X方向滑塊20Y方向?qū)к?1支撐板22減速器23電機24力矩測試儀25滑軌26滾珠滑塊27上支撐板28中心固定桿29下支撐板30吊繩31繩驅(qū)動裝置32吊桿33 絲杠
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。在圖1中，空間微重力模 擬實驗系統(tǒng)由外圍框架、調(diào)平系統(tǒng)2、水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)3、Z方向主動重力補償系統(tǒng)4、回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)5以及俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)7等組成。外圍框架包括上層平臺1、下層平臺9和四個支柱6。上層平臺I用來放置水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)3，下層平臺上布置了 12根扶手，以模擬空間站艙外扶手的尺寸和排列方式；四個支柱用于連接上下層平臺，同時支撐上層平臺，上下層平臺和四個立柱均為角鋼焊接而成，能夠為平臺提供足夠剛度。調(diào)平系統(tǒng)2由粗調(diào)平機構(gòu)和精調(diào)平機構(gòu)兩部分組成。在圖2、3中，精調(diào)平機構(gòu)包括球形墊片10、精調(diào)頂板11、微調(diào)螺母12、微調(diào)螺釘13、精調(diào)底板14、精調(diào)螺母15、精調(diào)螺釘16 ;粗調(diào)平機構(gòu)是以實驗系統(tǒng)下層平臺9的墊鐵作為主要部件，可以調(diào)整高度，補償?shù)孛娴钠矫娑日`差，克服地面的不平度。精調(diào)平機構(gòu)用于補償機構(gòu)的加工、安裝誤差。在圖4中，水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)3包括Y方向滑塊17、X方向?qū)к?8、X方向滑塊19、Y方向?qū)к?0、支撐板21。水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)3由X方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)和Y方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)組成，而X、Y方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)分別由2條直線導軌和4個滾珠滑塊組成。導軌與滑塊間的摩擦系數(shù)很小，定位精度高，重現(xiàn)性好。X方向?qū)к?8安裝在Y方向滑塊17上，支撐板21安裝在X方向滑塊19上，因此支撐板21可以在X和Y方向順暢地被動滑行。在圖5中，Z方向主動重力補償系統(tǒng)4由電機23、減速器22、力矩測試儀24、絲杠33、吊桿32、滾珠滑塊26和滑軌25組成；根據(jù)力矩測試儀24測得的力矩Τ，可以計算得到當前滾珠絲杠系統(tǒng)所受拉力F，由于實驗對象的重力G是可以事先測量的，當通過測量和計算得到的F與實驗對象的重力G不同時，說明實驗對象必然受到外力作用，Z方向主動重力補償系統(tǒng)通過電機轉(zhuǎn)動來補償實驗對象所受外力。當F > G時，電機驅(qū)動滑塊向下運動；當G > F時，電機驅(qū)動滑塊向上運動,始終保證F = G。對于回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)5，吊桿和上支撐板之間采用止推軸承連接，止推軸承可以保證實驗對象在受到回轉(zhuǎn)力矩時，實驗對象跟隨該力矩轉(zhuǎn)動俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)7由上支撐板27、三個繩驅(qū)動裝置31、中心固定桿28、三條吊繩30和下支撐板29組成。下支撐板29與實驗對象連接。中心固定桿28與下支撐板29之間通過球關(guān)節(jié)連接，因此中心固定桿28不會影響實驗對象在外力矩下姿態(tài)的變化。中心固定桿28將實驗對象受到的水平方向力，傳到水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)3，保證水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)3正常工作；將實驗對象受到的Z方向的力，傳導到Z方向主動重力補償系統(tǒng)4，保證Z方向主動重力補償系統(tǒng)4運行，同時保證俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)7不受X、Y和Z方向上外力的干擾。俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)7的上支撐板27上安裝有三套繩驅(qū)動轉(zhuǎn)置31，通過繩驅(qū)動裝置調(diào)整吊繩30的長度，可以主動改變實驗對象的姿態(tài)。三套繩驅(qū)動裝置31中都裝有拉力傳感器，用于測量吊繩的張力。實驗對象上裝有陀螺儀和關(guān)節(jié)位置控制器。因此根據(jù)實驗對象的位置，吊繩30每個時刻的理論張力都可以計算得到。當實驗對象受到俯仰和偏轉(zhuǎn)方向的外力矩時，吊繩30每個時刻的理論張力與實際值張力不符，繩驅(qū)動裝置31根據(jù)理論張力與實際值張力的差值，調(diào)節(jié)各個吊繩30的長度，從而保證實驗對象姿態(tài)的變化。以上所述僅為本發(fā)明的幾種具體實施例，以上實施例僅用于對本發(fā)明的技術(shù)方案和發(fā)明構(gòu)思做說明而非限制本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員在本專利的發(fā)明構(gòu)思基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，通過邏輯分析、推理或有限實驗可以得到的其他技術(shù)方案，也應(yīng)該被認為落在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，包括: 外圍框架，其包括上層平臺、下層平臺和支柱； 調(diào)平系統(tǒng)，其包括粗調(diào)平機構(gòu)和精調(diào)平機構(gòu)兩個部分； 水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)，其包括X方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)、Y方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)和支撐板； Z方向主動重力補償系統(tǒng)，其包括電機、減速器、力矩測試儀、絲杠、導軌、滾珠滑塊和滑軌； 回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)，其能夠保證實驗對象在受到回轉(zhuǎn)力作用時跟隨力矩轉(zhuǎn)動； 俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)，其包括上支撐板、繩驅(qū)動裝置、中心固定桿、吊繩和下支撐板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述上層平臺用來放置所述水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)，所述下層平臺上布置了扶手，以模擬空間站艙外扶手的尺寸和排列方式；所述支柱用于連接上下層平臺，同時支撐所述上層平臺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述粗調(diào)平機構(gòu)用于補償?shù)孛娴钠矫娑日`差，克服地面的不平度；所述精調(diào)平機構(gòu)用于補償機構(gòu)的加工、安裝誤差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述X、Y方向被動調(diào)節(jié)機構(gòu)分別由直線導軌和滾珠滑塊組成；X方向?qū)к壈惭b在Y方向滑塊上，所述支撐板安裝在X方向滑塊上，因此支撐板可以在X和Y方向被動滑行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述Z方向主動重力補償系統(tǒng)根據(jù)力矩測試儀測得的力矩T，計算得到當前滾珠絲杠系統(tǒng)所受拉力，當通過測量和計算得到的拉力與事先測量的實驗對象的重力不同時，Z方向主動重力補償系統(tǒng)通過電機轉(zhuǎn)動來補償實驗對象所受外力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)具有用于連接吊桿和上支撐板的止推軸承。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述下支撐板與實驗對象連接，所述中心固定桿與所述下支撐板之間通過球關(guān)節(jié)連接； 所述中心固定桿將實驗對象受到的水平方向力傳到所述水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)，保證水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)正常工作；并且，將實驗對象受到的Z方向的力，傳導到Z方向主動重力補償系統(tǒng)，保證Z方向主動重力補償系統(tǒng)運行，同時保證俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)不受X、Y和Z方向上外力的干擾； 所述俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)的繩驅(qū)動轉(zhuǎn)置安裝在所述上支撐板上，通過所述繩驅(qū)動裝置調(diào)整吊繩的長度；所述繩驅(qū)動裝置中裝有拉力傳感器，用于測量吊繩的張力；所述實驗對象上裝有陀螺儀和關(guān)節(jié)位置控制器，所述繩驅(qū)動裝置根據(jù)理論張力與測量到的實際張力的差值，調(diào)節(jié)各個吊繩的長度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種空間微重力模擬實驗系統(tǒng)，主要包括6個部分外圍框架、調(diào)平系統(tǒng)、水平面內(nèi)被動調(diào)節(jié)機構(gòu)、Z方向主動重力補償系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)被動調(diào)整機構(gòu)以及俯仰偏轉(zhuǎn)主動調(diào)整系統(tǒng)。本發(fā)明能夠很好地模擬太空微重力環(huán)境，復現(xiàn)零重力狀態(tài)，安全可靠、可重復利用且結(jié)構(gòu)簡單、成本低、方便可行便于廣泛推廣，同時為航天員或空間站機器人在太空艙外移動提供一個平臺，模擬艙外的扶手布置。
文檔編號B64G7/00GK103085992SQ201210484568
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者李輝, 李洪杰, 黃強, 蔣志宏 申請人:北京理工大學