一种微重力环境地面气浮模拟机构、系统及其工作方法

文档序号:10575342阅读:463来源:国知局
一种微重力环境地面气浮模拟机构、系统及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种微重力环境地面气浮模拟机构、系统及工作方法,气浮模拟机构包括气浮装置、底台随动机构,其中空间机构或者模拟件安装在气浮装置上,工作时空间机构或者模拟件运动带动气浮装置运动,底台随动机构根据其上安装的测距传感器实时测量气浮装置的位置,并根据位置信息控制执行机构驱动底台跟随气浮装置运动,保持气浮装置底部位于底台上表面中心位置。通过引入可随空间机构或者模拟件运动的底台随动机构,可解决吊挂、导轨等重力平衡方式进行模拟时,摩擦力太大问题;同时相对于大面积运动中采用大面积气浮支撑台面的气浮重力平衡方式,减小了气浮台工作台面的面积,降低了加工制作安装的难度和成本。
【专利说明】
一种微重力环境地面气浮模拟机构、系统及其工作方法
技术领域
[0001]本发明属于一种空间微重力环境地面模拟技术领域,具体指代一种用于空间机构地面空间微重力环境模拟的重力平衡气浮机构、系统及其工作方法。
【背景技术】
[0002]对于平面内运动的空间机构微重力环境地面模拟的重力平衡方式,主要有吊挂、支撑等方式。支撑方式包括气浮、导轨等方式。关键是减少空间机构与重力平衡机构之间摩擦等因素造成的作用力和地球重力的分量。对于大惯量/大质量空间机构,采用一般的吊挂、导轨等重力平衡方式,重力平衡机构与支撑机构之间摩擦力很大,往往无法满足很多空间微重力环境模拟的要求。气浮方式由于几乎没有摩擦,获得了广泛的应用,但是对于大面积运动情况,假若采用一整块气浮支撑平台,需要气浮支撑平台台面面积大,制作成本高;假若采用多块,面临着接缝处抖动等问题。无论单块还是多块支撑台面的方式,总体的制作成本仍然很高。
[0003]本发明针对大面积平面运动大惯量/大质量空间机构微重力环境地面模拟重力平衡问题,通过引入一个可跟随空间机构(气浮)运动的气浮支撑底台,相对于采用大面积气浮支撑台面的气浮重力平衡方式,减小了气浮台支撑台面的面积,降低了加工制作安装的难度和成本。

【发明内容】

[0004]针对于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种微重力环境地面模拟重力平衡气浮系统及其工作方法,以解决现有技术中吊挂、导轨等重力平衡方式大惯量/大质量空间机构模拟时,摩擦力太大和大面积运动中气浮重力平衡方式大面积支撑台面制作安装成本高等问题。
[0005]为达到上述目的,本发明的一种微重力环境地面气浮模拟机构,包括:气浮装置、底台随动机构;底台随动机构包含:底台、导轨、电机、测距传感器;其中,气浮装置上安装有空间机构或者模拟件;工作时,气浮装置浮于底台随动机构的底台上表面,空间机构或者模拟件运动带动气浮装置运动,底台随动机构跟随气浮装置运动,保持气浮装置底部位于底台上表面中心位置。
[0006]优选地,所述的气浮装置与外在的气源连接。
[0007]优选地,所述的底台随动机构与气浮装置组合成气浮系统,工作时,底台上表面作为气浮系统的支撑台面;测距传感器用于实时测量气浮装置相对于底台的位置信息,并将位置信息反馈给驱动控制系统;电机安装在底台下部,驱动底台沿导轨运动。
[0008]优选地,所述的底台随动机构的底台上表面比气浮装置下表面的尺寸大,底台上表面相对于气浮装置下表面之间的空间由气浮装置上安装的空间机构或者模拟件的运动和底台随动机构的跟随能力确定。
[0009]本发明还提供一种微重力环境地面气浮模拟系统,包括:气浮模拟机构、驱动控制系统、气浮单元控制系统、人机交互和显示系统;该气浮模拟机构包括:气浮装置、底台随动机构;底台随动机构包含:底台、导轨、电机、测距传感器;其中,气浮装置上安装有空间机构或者模拟件;工作时,气浮装置浮于底台随动机构的底台上表面,空间机构或者模拟件运动带动气浮装置运动,底台随动机构跟随气浮装置运动,保持气浮装置底部位于底台上表面中心位置;驱动控制系统与底台随动机构的测距传感器和电机相连,用于驱动控制电机运动;气浮单元控制系统用于气浮装置的气浮控制,调节外在气源的气压、流速;人机交互和显示系统用于启动、停止、随动及相关指令的输入、底台随动机构状态及气浮状态的显示,发送指令到驱动控制系统按指令控制底台随动机构,并进行显示。
[0010]优选地,所述的底台随动机构与气浮装置组合成气浮系统,工作时,底台上表面作为气浮系统的支撑台面;测距传感器用于实时测量气浮装置相对于底台的位置信息,并将位置信息反馈给驱动控制系统;电机安装在底台下部,驱动底台沿导轨运动。
[0011 ]优选地,所述的底台随动机构的底台上表面比气浮装置下表面的尺寸大,底台上表面相对于气浮装置下表面之间的空间由气浮装置上安装的空间机构或者模拟件的运动和底台随动机构的跟随能力确定。
[0012]本发明还提供一种微重力环境地面气浮模拟系统的工作方法,包括如下:
通过气浮单元控制系统启动气浮模拟机构中气浮装置的气浮控制,使装有空间机构或者模拟件的气浮装置浮于底台随动机构的底台之上;
通过驱动控制系统启动底台随动机构,空间机构或者模拟件运动带动气浮装置运动;底台随动机构上的测距传感器实时测量气浮装置的位置,并将位置信息反馈给驱动控制系统,驱动控制系统控制电机的转速驱动底台沿导轨跟随气浮装置运动,保持气浮装置底部位于底台上表面中心位置。
[0013]本发明的有益效果:
本发明实现了一个平面大面积运动空间大惯量/大质量空间机构微重力环境地面模拟重力平衡(微重力模拟)气浮系统,通过引入了一个可移动的气浮支撑底台,减小了的大面积需求中气浮台支撑台面的面积,降低了加工制作安装的难度和成本。
【附图说明】
[0014]图1绘示本发明微重力环境地面气浮模拟系统的原理图。
[0015]图2绘示底台随动机构的结构示意图。
[0016]图3绘示底台随动机构的下部组成结构示意图。
[0017]图4绘示导轨的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0019]参照图1至图4所示,本发明的一种微重力环境地面气浮模拟机构I,包括:惯量杆10、装有节流器的模拟质量11、底台随动机构12;惯量杆10和装有节流器的模拟质量11为模拟空间机构惯量和质量的模拟件,模拟质量底层质量块安装有节流器,实现气浮装置;工作时,模拟质量11浮于底台随动机构12的底台上表面,外在空间驱动机构通过惯量杆10驱动模拟质量11运动,底台随动机构12跟随模拟质量11运动,保持模拟质量11位于下述底台随动机构12的底台121上表面中心位置。
[0020]上述的气浮模拟机构I中的模拟质量11包括多块圆柱形质量块和相应的安装结构,便于调整模拟质量的质量,节流器安装于最下面的质量块上,节流器与外在的气源连接,惯量杆10两端通过连接部件分别与相关的驱动机构及模拟质量11连接。
[0021]上述的底台随动机构12包括:装有防护圈120的底台121、导轨122(本实施例中为环形导轨)、滑座123、蜗轮减速电机124、测距传感器125等,该底台121与上述模拟质量11最下面的质量块上安装的节流器配合组合成气浮系统,工作时,模拟质量11浮于底台121上表面,底台121上表面作为气浮系统的支撑台面;底台121周围安装有防护圈120;该防护圈120内侧安装有缓冲材料(本实施例中为缓冲泡沫硅胶),用于限制模拟质量11的运动范围,避免其超出气浮台面的有效工作范围;测距传感器125安装于底台121的防护圈120上,用于实时测量模拟质量11的位置信息,并将位置信息反馈给驱动控制系统2;蜗轮减速电机124安装在底台121下部,输出轴安装有驱动齿轮;两根导轨122由多段拼接而成,沿径向平行布置,形成一条双列轨道;内侧导轨外沿装有齿条1221;四个滑座123安装于底台121的底部,每两个滑座123与一根导轨122配合使用;蜗轮减速电机124的输出轴安装的驱动齿轮1241与导轨122内侧外沿上安装的齿条1221相互作用,驱使底台121沿导轨122运动。
[0022]于其他实施例中,上述的导轨还可采用相互垂直的两层直线导轨,以实现更大面积的平面运动。
[0023]本发明的微重力环境地面气浮模拟系统,包括:上述的气浮模拟机构1、驱动控制系统2、气浮单元控制系统3、人机交互和显示系统4;该气浮模拟机构I包括:惯量杆10、装有节流器的模拟质量11、底台随动机构12;底台随动机构12包含:底台121、导轨122、滑座123、蜗轮减速电机124、测距传感器125等;惯量杆10和装有节流器的模拟质量11为模拟空间机构惯量和质量的模拟件,模拟质量底层质量块安装有节流器,实现气浮装置;其中,工作时,气浮装置浮于底台随动机构12的底台121上表面,模拟件运动带动气浮装置运动,底台随动机构12跟随气浮装置运动,保持气浮装置位于底台随动机构12的中心位置。
[0024]驱动控制系统2与气浮模拟机构I中的底台随动机构12中的测距传感器125和蜗轮减速电机124相连,用于驱动控制蜗轮减速电机124运动;气浮单元控制系统3用于模拟质量11的气浮控制,调节气源的气压、流速;人机交互和显示系统4用于启动、停止、随动及相关指令的输入、底台随动机构12状态及气浮状态的显示,发送指令到驱动控制系统按指令控制底台随动机构12,并进行状态显示。
[0025]本发明的微重力环境地面模拟气浮系统的工作方法,如下:
通过气浮单元控制系统启动气浮模拟机构中模拟质量的气浮控制,使模拟质量浮于底台之上;
通过驱动控制系统启动底台随动机构,外在空间驱动机构通过惯量杆驱动模拟质量运动;
底台随动机构上的测距传感器实时测量模拟质量的位置,并将位置信息反馈给驱动控制系统,驱动控制系统控制蜗轮减速电机的转速驱动底台跟随模拟质量运动,保持模拟质量位于底台上表面中心位置。
[0026]惯量杆10长根据具体要模拟的惯量决定,惯量杆与外在驱动机构连接端由其它方式进行重力平衡。
[0027]本发明的惯量杆10和模拟质量11组合主要用来更好的模拟空间机构惯量情况,模拟的空间机构惯量比较大,大惯量的惯量杆要求长,导致其在一个很大的范围上运动,但主要集中在一个环形的运动空间上。
[0028]针对大惯量空间机构模拟件惯量杆10很长、只在一个很大角度范围的环形运动空间上运动,底台随动机构12采用了环形导轨,但只是为了简化,本发明不限于环形导轨,可采用相互垂直的两层直线导轨实现更大面积的平面运动。
[0029]底台随动机构的底台121上表面比模拟质量11下表面的尺寸要大,底台121相对于模拟质量11之间的空间由外在空间驱动机构通过惯量杆10驱动模拟质量11运动径向摆动范围和底台随动机构的跟随能力确定,具体由径向摆动范围确定底台与模拟质量之间的径向空间大小,因此径向不需要控制。外在空间驱动机构通过惯量杆带动模拟质量运动时底台随动机构只需在运动方向保持模拟质量11位于底台121中心即可。导轨122组成的环形轨道的环绕半径由外在空间驱动机构通过惯量杆驱动模拟质量径向运动范围确定。
[0030]根据外在空间驱动机构和空间机构模拟件计算得到,模拟质量在以8米圆弧为中心线,两侧600mm范围内摆动的110度角度范围环形空间上运动,惯量杆长6米;考虑到惯量模拟质量体积在1.5立方米,模拟质量底部直径为1.2米,这样底部随动平台为一个直径为1.85米圆柱形的平台,其中650mm的空间包括径向600mm的距离和留出的50mm余量。
[0031]本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种微重力环境地面气浮模拟机构,其特征在于,包括:气浮装置、底台随动机构;底台随动机构包含:底台、导轨、电机、测距传感器;其中,气浮装置上安装有空间机构或者模拟件;工作时,气浮装置浮于底台随动机构的底台上表面,空间机构或者模拟件运动带动气浮装置运动,底台随动机构跟随气浮装置运动,保持气浮装置底部位于底台上表面中心位置。2.根据权利要求1所述的微重力环境地面气浮模拟机构,其特征在于,上述的气浮装置与外在的气源连接。3.根据权利要求1所述的微重力环境地面气浮模拟机构,其特征在于,所述的底台随动机构与气浮装置组合成气浮系统,工作时,底台上表面作为气浮系统的支撑台面;测距传感器用于实时测量气浮装置相对于底台的位置信息,并将位置信息反馈给驱动控制系统;电机安装在底台下部,驱动底台沿导轨运动。4.根据权利要求1所述的微重力环境地面气浮模拟机构,其特征在于,所述的底台随动机构的底台上表面比气浮装置下表面的尺寸大,底台上表面相对于气浮装置下表面之间的空间由气浮装置上安装的空间机构或者模拟件的运动和底台随动机构的跟随能力确定。5.一种微重力环境地面气浮模拟系统,其特征在于,包括:气浮模拟机构、驱动控制系统、气浮单元控制系统、人机交互和显示系统;该气浮模拟机构包括:气浮装置、底台随动机构;底台随动机构包含:底台、导轨、电机、测距传感器;其中,气浮装置上安装有空间机构或者模拟件;工作时,气浮装置浮于底台随动机构的底台上表面,空间机构或者模拟件运动带动气浮装置运动,底台随动机构跟随气浮装置运动,保持气浮装置底部位于底台上表面中心位置;驱动控制系统与底台随动机构的测距传感器和电机相连,用于驱动控制电机运动;气浮单元控制系统用于气浮装置的气浮控制,调节外在气源的气压、流速;人机交互和显示系统用于启动、停止、随动及相关指令的输入、底台随动机构状态及气浮状态的显示,发送指令到驱动控制系统按指令控制底台随动机构,并进行显示。6.根据权利要求5所述的微重力环境地面气浮模拟系统,其特征在于,所述的底台随动机构与气浮装置组合成气浮系统,工作时,底台上表面作为气浮系统的支撑台面;测距传感器用于实时测量气浮装置相对于底台的位置信息,并将位置信息反馈给驱动控制系统;电机安装在底台下部,驱动底台沿导轨运动。7.根据权利要求5所述的微重力环境地面气浮模拟系统,其特征在于,所述的底台随动机构的底台上表面比气浮装置下表面的尺寸大,底台上表面相对于气浮装置下表面之间的空间由气浮装置上安装的空间机构或者模拟件的运动和底台随动机构的跟随能力确定。8.一种微重力环境地面气浮模拟系统的工作方法,其特征在于,包括如下: 通过气浮单元控制系统启动气浮模拟机构中气浮装置的气浮控制,使装有空间机构或者模拟件的气浮装置浮于底台随动机构的底台之上; 通过驱动控制系统启动底台随动机构,空间机构或者模拟件运动带动气浮装置运动; 底台随动机构上的测距传感器实时测量气浮装置的位置,并将位置信息反馈给驱动控制系统,驱动控制系统控制电机的转速驱动底台沿导轨跟随气浮装置运动,保持气浮装置底部位于底台上表面中心位置。
【文档编号】B64G7/00GK105936339SQ201610412972
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】王小涛, 王邢波, 陈佳辉, 聂宏, 韩亮亮
【申请人】南京航空航天大学
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