基于空间三自由度恰约束机构的月球着陆器姿态模拟装置的制作方法

本发明涉及一种着陆姿态模拟装置，特别涉及一种基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置及其制造方法，该着陆姿态模拟装置是由计算机控制的用于模拟着陆姿态的为采样封装专项试验提供接口和平台的一体化装置。

背景技术：

在研究外星球环境及其表面真实的状态特性时，通过模拟试验以得到最真实可靠的星面土壤的采样分析数据，因此需要进行地面模拟星面采样实验。利用钻机和表取机械臂在不同的姿态下对尘土或岩石进行钻取和表取采样，将试验的姿态调整装置支撑在模拟外星球的环境中，用与为各种钻取、表取设备提供精确的接口位置，研究分析得到模拟星面采样的试验数据。

星面环境下样品的无人采集、封装保存与转移，牵涉到许多技术难题的解决。为了检查钻取、表取等设备安装位置的正确性和运动干涉，需要对采样封装过程的许多情况在地面预先进行模拟与仿真试验，使得各个设备能安全可靠地运行。

为了配合星球探索工程的实施，需开展星面环境模拟的采样封装专项试验的研究，而姿态调整机构安装其上的钻机、表取机械臂组成了采样封装专项试验系统。姿态调整机构为其上的设备提供各种在星面的着陆姿态，并为验证采样封装相关设备安装布局、工作运动等接口关系提供验证条件。姿态调整机构处于模拟星面的模拟平台上面，为采样封装设备提供较真实的工作对象与工作环境，检验采样封装设备和星面的坡度、表取模拟等状态的相互配合关系。

调节姿态调整机构的姿态就能模拟设备在星面的各种着陆姿态。在这些着陆姿态下能对设备进行各种仿真试验，实时获取表取钻取动作时的各种情况以及数据，并能检查设备之间的干涉问题。姿态调整机构的设计是整个采样封装试验的一个关键功能部件的设计。其技术较为复杂、并能提供后期的理论方面的研究平台。因此，设计一台合理的姿态调整机构具有非常重要的意义。也为外星球探索工程的采样返回的顺利实现提供了试验验证的基石。因此，本发明提供一种基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置，以克服上述困难，并且本发明还提供一种着陆姿态模拟装置的制造方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置及其制造方法，其中该着陆姿态模拟装置是由计算机控制的用于模拟着陆姿态的为采样封装专项试验提供接口和平台的一体化装置。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置，其中该基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置包括一个基座、一个支承平台、一个恰约束PU支链、三个UPS支链以及一组支撑腿，各个该UPS支链相互间隔地设置在该基座和该支承平台之间，并且各个该UPS支链的上端部通过球铰和该支承平台的下部相连接，各个该UPS支链的下端部通过胡克铰和该基座的上部相连接，该恰约束PU支链的上端部通过胡克铰连接于该支承平台，该恰约束PU支链的下端部连接于该基座，各个该支撑腿相互间隔地设置于该支承平台的四周。

作为对本发明的该基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的进一步优选的实施例，各个该UPS支链的上端部分别通过各个该球铰连接于该支承平台的外边沿，各个该UPS支链的下端部分别通过各个该胡克铰连接于该基座的外边沿，该恰约束PU支链的上端部通过该胡克铰连接于该支承平台的中部，该恰约束PU支链的下端部连接于该基座的中部。

作为对本发明的该基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的进一步优选的实施例，各个该UPS支链的下端部呈等腰三角形的形状设置，各个该UPS支链的上端部呈等腰三角形的形状设置，并且各个该UPS支链的下端部形成的等腰三角形形状和各个该UPS支链的上端部形成的等腰三角形形状一致。

本发明还提供一种着陆姿态模拟装置的制造方法，其中该着陆姿态模拟装置的制造方法包括步骤：

I：在一个基座和一个支承平台之间设置三个相互间隔的UPS支链，其中各个该UPS支链的上端部通过球铰和该支承平台相连接，各个该UPS支链的下端部通过胡克铰和该基座相连接；以及

II：在该基座和该支承平台之间设置一个恰约束PU支链，其中该恰约束PU支链的上端部通过胡克铰和该支承平台相连接，该PU支链的下端部和该基座相连接，以制得该着陆姿态模拟装置。

作为对本发明的该着陆姿态模拟装置的制造方法的进一步优选的实施例，该着陆姿态模拟装置的制造方法还包括步骤：

III：沿着该支承平台的外边沿设置相互间隔的一组支撑腿，以使各个该支撑腿的自由端朝向该基座方向。

作为对本发明的该着陆姿态模拟装置的制造方法的进一步优选的实施例，在该步骤I中，各个该UPS支链的上端部分别通过各个该球铰连接于该支承平台的外边沿，各个该UPS支链的下端部分别通过各个该胡克铰连接于该基座的外边沿，以及在该步骤II中，该恰约束PU支链的上端部通过该胡克铰连接于该支承平台的中部，该恰约束PU支链的下端部连接于该基座的中部。

作为对本发明的该着陆姿态模拟装置的制造方法的进一步优选的实施例，各个该UPS支链的下端部呈等腰三角形的形状设置，各个该UPS支链的上端部呈等腰三角形的形状设置，并且各个该UPS支链的下端部形成的等腰三角形形状和各个该UPS支链的上端部形成的等腰三角形形状一致。

本发明的该基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的优势在于：

本发明的该基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置包括一个基座、一个支承平台、一个恰约束PU支链、三个UPS支链以及一组支撑腿，各个该UPS支链相互间隔地设置在该基座和该支承平台之间，并且各个该UPS支链的上端部通过球铰和该支承平台的下部相连接，各个该UPS支链的下端部通过胡克铰和该基座的上部相连接，该恰约束PU支链的上端部通过胡克铰连接于该支承平台，该恰约束PU支链的下端部连接于该基座，各个该支撑腿相互间隔地设置于该支承平台的四周，其中该恰约束PU支链能够有效地增加该着陆姿态模拟装置的刚度，以保证该着陆姿态模拟装置的稳定性和可靠性。

优选地，各个该UPS支链的下端部呈等腰三角形的形状设置，各个该UPS支链的上端部呈等腰三角形的形状设置，并且各个该UPS支链的下端部形成的等腰三角形形状和各个该UPS支链的上端部形成的等腰三角形形状一致，各个该UPS支链的这种布置方式可以为该姿态着陆调整装置提供足够的工作空间，并且能够提高该着陆姿态模拟装置的试验精度。

该着陆姿态模拟装置通过三个该UPS支链和一个该恰约束PU支链，使该着陆姿态模拟装置的结构紧凑、空间合理，并且具有良好的刚度，既能够实现三个自由度姿态的调整，又能够避免复杂的并联形式产生的误差，满足试验对高精度、高承载能力的要求。另外，该着陆姿态模拟装置的运动范围大、精度高，在工作时表现出良好的稳定性和可靠性。另外，该着陆姿态模拟装置还具有以下优势：

1、该着陆姿态模拟装置的三个自由度实现方式简单，能够避免各个该自由度互相耦合时所产生的多解和误差，以保证该着陆姿态模拟装置的精度。

2、在有限的空间限制下，该着陆姿态模拟装置能够避免干涉和提高该着陆姿态模拟装置本身的刚度和结构的合理性，以使该着陆姿态模拟装置的结构紧凑、布局合理，并且具有较大的运动范围，增加了刚度和承载能力。

3、该着陆姿态模拟装置不会产生绕垂直方向转动，而是严格保证绕X轴和Y轴旋转，以保证该着陆姿态模拟装置的自由度准确、可靠。

4、该着陆姿态模拟装置的各个该UPS支链没有占用外部空间，从而使得该着陆姿态模拟装置的结构紧凑、空间复用，并且具有更靠的稳定性。

5、该着陆姿态模拟装置的各个运动部件采用常规部件，成本低、可靠度高，控制方法简单。

6、该着陆姿态模拟装置的结构简洁、技术成熟，并且采用精密滚珠丝杠驱动，精度高、动态特性好，该着陆姿态模拟装置在真空环境中能够有良好的运动表现。

7、该着陆姿态模拟装置的应用范围光，不仅适用于风洞模拟星球表面的采样试验，而且可以应用于机床、飞行器模拟等工业、军事和国防重点领域。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是本发明的基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的示意图。

图2是本发明的基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的内部结构的示意图。

图3是本发明的基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的内部结构的示意图。

图4是本发明的基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的简图。

图5是本发明的基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的原理的示意图。

图6是本发明的基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的UPS支链的封闭矢量示意图。

图7是本发明的基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置的制造步骤示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图5所示，依本发明的发明精神提供一种基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置，该基于空间三自由度恰约束机构的着陆姿态模拟装置包括一个基座10、一个支承平台20、一个恰约束PU支链30、三个UPS支链40以及一组支撑腿50，各个该UPS支链40相互间隔地设置在该基座10和该支承平台20之间，并且各个该UPS支链40的上端部通过球铰60和该支承平台20的下部相连接，各个该UPS支链40的下端部通过胡克铰70和该基座10的上部相连接，该恰约束PU支链30的上端部通过胡克铰70连接于该支承平台20，该恰约束PU支链30的下端部连接于该基座10，各个该支撑腿50相互间隔地设置于该支承平台20的四周，通过该恰约束PU支链30能够提高该着陆姿态模拟装置的刚度，以使该着陆姿态模拟装置具有更高的稳定性和可靠性。

优选地，各个该UPS支链40的上端部分别通过各个该球铰60连接于该支承平台20的外边沿，各个该UPS支链40的下端部分别通过各个该胡克铰70连接于该基座10的外边沿，该恰约束PU支链30的上端部通过该胡克铰70连接于该支承平台20的中部，该恰约束PU支链30的下端部连接于该基座10的中部。

更优选地，各个该UPS支链40的下端部呈等腰三角形的形状设置，各个该UPS支链40的上端部呈等腰三角形的形状设置，并且各个该UPS支链40的下端部形成的等腰三角形形状和各个该UPS支链40的上端部形成的等腰三角形形状一致，以为该着陆姿态模拟装置提供足够的工作空间，并保证该着陆姿态模拟装置参与试验的精度。该着陆姿态模拟装置的各个自由度的实现方式是，绕X轴转动通过呈等腰三角形布置的各个该UPS支链40中的两个对称地该UPS支链40的驱动机构实现的，绕Y轴转动通过各个该UPS支链40的驱动机构联合实现的，沿Z轴移动是通过各个该UPS支链40的驱动机构同时同向驱动实现的。

如图5所示，U_i为该基座10形成的定平台虎克铰中心，S_i为该支承平台20形成的动平台球铰中心。设点U_i在定坐标系O-XYZ中的矢量记作a_i；点S_i在动坐标系O'-X'Y'Z'中的矢量记作b_i；u_i为升降机丝杠的单位矢量；p为动坐标系原点在定坐标系中的矢量；l_i定义为第i根丝杠的杆长。a_i，Rb_i，lu_i，p构成了闭环的矢量。

从图6可以得到：

l_iu_i＝Rb_i-a_i+p i＝1,2,3

因为该着陆姿态模拟装置的动平台相对与静平台在Z方向上没有旋转，即旋转角度γ＝0代入3.1式中可得

由上式可直接得到该着陆姿态模拟装置的位置逆解数学模型：

U_i在在定坐标系O-XYZ中的矢量表示为a_i＝(x_ai,y_ai,z_ai)^T，点B_i在动坐标系O¹-X¹Y¹Z¹中表示为b_i＝(x_bi,y_bi,z_bi)^T，p＝(x_p,y_p,z_p)^T。a_i，b_i，p的坐标均能从三维模型中测量出来。

如图7，本发明还提供一种着陆姿态模拟装置的制造方法，其中该着陆姿态模拟装置的制造方法包括步骤：

I：在一个基座10和一个支承平台20之间设置三个相互间隔的UPS支链40，其中各个该UPS支链40的上端部通过球铰60和该支承平台20相连接，各个该UPS支链40的下端部通过胡克铰70和该基座10相连接；以及

II：在该基座10和该支承平台20之间设置一个恰约束PU支链30，其中该恰约束PU支链30的上端部通过胡克铰70和该支承平台20相连接，该PU支链30的下端部和该基座10相连接，以制得该着陆姿态模拟装置。

进一步地，该着陆姿态模拟装置的制造方法还包括步骤：

III：沿着该支承平台20的外边沿设置相互间隔的一组支撑腿50，以使各个该支撑腿50的自由端朝向该基座方向。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但该内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。