专利名称：模拟月球漫步或火星行走的装置及其模拟行走的方法
技术领域：
本发明涉及模拟月球漫步或火星行走的装置及其模拟行走的方法。
背景技术：
自从神洲五号太空飞行及我国宣布登月计划后，国内民间形成了太空热。宣传太空知识也成了当前科普的范围之一。由于月面的重力只有地球的1/6，火星的表面重力是地球表面重力的38％。要在地球表面模拟出月球、火星的表面重力，必须研发一种装置来“去除”一部分地面上的重力。现有的在地球上“去除”一部分地面上的重力的方法大致有1.飞机进行抛物线飞行，机舱内的乘客可以暂时失去体重几时秒钟；2.在水池内利用水的浮力来减轻人体的重量。显然，在科学普及中采用第1种方法飞机作抛物线飞行和第2种方法在水池中利用水的浮力减轻重量这是不现实的。
发明内容
本发明是为了向广大群众普及宇航方面的知识，而提供的一种切实可行的模拟月球漫步或火星行走的装置及模拟行走的方法，本发明采用悬挂吊重装置减轻体重的方法，“去除”一部分地面上的重力，从而实现模拟月球漫步或火星行走的重力情况，让普通人能参与体验到其他星球上的感觉。
本发明采取的技术措施是一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其特征在于，包括机架部件、机械传动部件、以及电子控制部件；所述的机架部件包括总体支撑架，直立在行走场地上；所述的机械传动部件包括通过电机架固定在总体支撑架横杆的伺服电机、与伺服电机的输入端连接的测速发电机、设在伺服电机输出轴的钢索绕盘、设在钢索绕盘的滚筒槽内的钢索、与钢索连接的安全带；
所述的电子控制部件包括电源开关、传感器、编码器、程控器控制的电源柜、程控器、A/D转换器；所述的编码器与伺服电机的输出端连接，该编码器输出位置信号到程控器；所述的测速发电机接收传感器输出的力度信号和加速度信号并将该信号经A/D转换器模数转换后输出到程控器；程控器控制电源柜向伺服电机输出电流及电压，根据该电流及电压，伺服电机轴连接的绳索绕盘收或放。
上述一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其中，所述的编码器由光电双向记数器构成。
上述一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其中，所述的传感器包括力度传感器和加速度传感器。
上述一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其中，所述的程控器由CPU单片机构成。
模拟月球漫步或火星行走的方法，其特点是，参与者穿上吊带后，操作人员按动启动按钮，系统开始工作，包括以下步骤a、称重阶段a-1、在给定时间内，程控器控制电源柜向伺服电机输出电流及电压，根据该电流及电压，伺服电机轴连接的绳索绕盘收圈，绳索将参与者慢慢提升起来；a-2、当参与者完全被提升起来后，电源柜输出给伺服电机的电流为恒值，该恒值电流为参与者的体重电流；a-3、程控器记忆参与者的体重所需电流，并计算出参与者5/6的体重电流；a-4、此后程控器控制伺服电机向相反的方向旋转，慢慢将参与者放下，当达到5/6参与者体重的电流后停止旋转，参与者被绳索吊住，仅脚触地，此时参与者的脚对地面上施加的压力为参与者的1/6体重；a-5、程控器记忆编码器的位置并将该位置作为参与者运动的起始点；b、运动阶段b-1、a步骤完成后，此时电源输出的电流与体重呈平衡状态，随着参与者跳上和蹲下的姿势的变换，人体1/6的重量拉动电机顺时针旋转，绳索放长，始终吊住参与者5/6的体重；b-2、无论参与者蹲下、垫起脚尖使绳索放长或收紧，程控器始终记录编码器的位置信号；b-3、程控器根据加速度信号迅速计算出运动的终止点，电机转到此终止点立即停转并立即反转；b-4、整个模拟行走过程结束。
上述模拟月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的电机反转的转速按自由落体的速度设定电压变量。
上述模拟月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的电机转到运动起始点前开始逐步减速直至此起始点停止。
上述模拟月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的在整个运动中，输入到电机的电流都是恒定的；参与者运动的速度越快加速度越大，电源柜向伺服电机输出的电压就越高，伺服电旋转的就越快。
上述模拟月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的在整个运动中绳索始终吊住参与者5/6的体重。
由于本发明采用了以上的技术方案，采用由程控器控制电源输出的电流和电压值来控制伺服电机的动作、以及由程控器来判断秤重等，再依靠安全带带动参与者上下跳跃，使普通人参与体验到在其他星球上的重力感觉及训练宇航员模拟其他星球重力下行走、运动的过程。
本发明的具体特征性能由以下的实施例及其附图进一步描述。
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明控制行走的电路方框图。
图3是本发明机械传动部件的示意图。
图3是本发明电子控制部件的电路原理示意图。
图5是本发明模拟太空行走的流程图。
具体实施例方式
请参阅图1。本发明一种模拟月球漫步或火星行走的装置，设置在行走场地100上，其包括机架部件1、机械传动部件2、以及电子控制部件3。
机架部件1包括总体支撑架11，该总体支撑架11可以是倒“L”形，也可以是门框形，直立在行走场地上。本实施例为减小使用场地，选择倒“L”形，为加强其受力强度，在其顶部横向部位再设置一连接柱111，使其固定在相关建筑物上。该总体支撑架11的顶部横向部位设置机械传动部件2，在其垂直的柱体部位的适当位置设置电子控制部件3的控制面板4。电子控制部件3控制机械传动部件2的动作。
请参阅图3。机械传动部件2包括通过电机架固定在总体支撑架横杆的伺服电机21、与伺服电机的输入端连接的测速发电机22、设在伺服电机输出轴的钢索绕盘23、缠绕在钢索绕盘的滚筒槽内的钢索24、与钢索连接的安全带25(请配合参见图1)。
请参阅图2，本发明电子控制部件3包括编码器31、程控器32、程控器控制的电源柜33、A/D转换器34。所述的编码器31与伺服电机21的输出端连接，该编码器31由光电双向记数器构成，其输出位置信号到程控器32；所述的测速发电机22输出速度信号经A/D转换器34模数转换后输出到程控器32；程控器控制电源柜33向伺服电机输出电流及电压，根据该电流及电压，伺服电机轴连接的绳索绕盘收或放，带动钢索24上或下。本发明电子控制部件3还包括两个与测速发电机22连接的传感器，该两个传感器是力度传感器35和加速度传感器36。
请参阅图4。图4中a是本发明电子控制部件的实施例电路图，b是一个接插件A的连接示意图，c是另一个接插件B的连接示意图。所述的程控器32内安装运动数学模型、记时器、记数、记忆、数据采集、数据运算、称重指令及运行指令等程序。这些程序安装到程控器比安装到PC机上更可靠，运算速度更快。并且大大降低了制造、使用成本及基本免维护。程控器32的IC与ID端连接伺服电机21；12与4M端连接测速发电机22；15端连接控制开关K1；11与5M端连接速度给定值；14与6M端连接电流给定值。一个接插件A与该程控器的接脚对应的还连接力度传感器35和加速度传感器36，以及位置旋转编码器31。另一个接插件B连接有关的控制开关，包括限位开关K2、启动、停止和急停开关按钮K3，还连接运行指示灯R1和故障指示灯R2。
本发明电子控制部件控制的原理是(1)采用测定伺服电机输入的电流控制伺服电机的转距来取代力传感器，测量参与者体重。当参与者运动时，控制输入伺服电机的电流，来减去参与者体重。
(2)采用控制输入电压控制伺服电机的转速，来跟随参与者上跳速度。
(3)采用计算数学模型来控制参与者上跳的速度及上跳最高点。
本发明采用悬挂吊重的方法，减轻体重，模拟在低重力状态下行走、运动。太空人穿上安全带后，伺服电机在给定时间的控制下旋转，将太空人提升起来，当传感器为定值时，测得太空人的体重。并记忆太空人的体重信号。此时伺服电机向相反的方向旋转，将太空人慢慢放下达到太空人体重的5/6重量时被绳索吊住(此时电机为堵转)。太空人脚着地重量为体重的1/6。此后太空人运动时，拉力传感器的讯号稍一改变，伺服电机就立即做出反应.使绳索始终吊住太空人体重的5/6。
请参阅图5，这是本发明模拟太空行走的流程示意图。下面结合具体的实施例详细描述本发明模拟太空行走的方法参与者穿上吊带后，操作人员按动启动按钮。系统开始工作。
本模拟月球漫步或火星行走的装置由安全吊带、伺服电机、编码器、测速发电机、程控器、控制电源、收钢索的滚筒、保险装置、数学模型及软件组成。参与者例如游客穿上吊带后，操作人员按动启动按钮。系统开始工作。
第一步称重阶段；在给定时间内，程控器控制电源柜向伺服电机输出低电流及低电压。此时，因为绳索是松的，电机没有负载，电机慢慢旋转将绳索收紧。(因为没有负载，所以电流增加不上去)。绳索一旦收紧，游客的体重使电机停止旋转，程控器记忆电机上编码器停止旋转位置。随后程控器控制电源柜向伺服电机输出低电压，但电流慢慢增大。电机慢慢旋转并且力矩慢慢增大，将游客慢慢吊起。(因为游客是非刚体的，所以载荷是逐步增加的)。当游客的脚离地后，游客的体重与电机输出的力矩平衡，此时输入到电机内的电流为游客的体重电流。(游客的体重与电机输出的力矩平衡后电源柜输出的电流增加不上去)。程控器将体重电流值减去1/6为运行电流值。此后，电源柜减小输出到电机的电流(小于1/6体重电流值)，电机在游客体重的拉力下慢慢逆旋转，游客慢慢被放下(此时电机为堵逆转)。当电机逆旋转接近位置(1)时，电源柜输出到电机的电流锁定在5/6体重电流值。当游客的脚着地后，游客体重的5/6被绳索吊住，游客的脚承载1/6体重。此后，游客如蹲下，因为位置的变化，人体1/6的重量拉动电机逆旋转，绳索放长，但始终吊住游客5/6的体重。游客如踮起脚尖，体重电流值5/6的堵转电流使电机顺转，绳索收紧，始终吊住参与者5/6的体重。
第二步运动阶段；第一步完成后，系统处于平衡状态。无论游客蹲下、踮起脚尖使绳索放长或收紧，程控器始终记录编码器的位置信号。如游客突然向下或向上运动(产生较大的加速度)，程控器将编码器的位置信号除Δt得出速度信号，然后再除Δt得出加速度信号。速度信号控制电源柜向伺服电机输出电压来控制电机的转速。因为速度是变量，所以控制电机转速的电压也是变量。但控制电机转矩的电流始终5/6的体重值。(电压为变量，电流为常量)。速度信号、加速度信号输入到程控器运动方程，解算出运动的终止点值。电机上的编码器旋转到此终止点值后，(此时游客上跳到最高点)电机立即停转(实际是在此位置，电源柜恢复到游客起跳是的供电状态，小电压、5/6的体重值电流。电机停转是由电机惯性被游客1/6的体重拉住而停止的)。此后，游客从最高点开始向下降，随着下降的距离增大，下降的速度也越来越快。电机被游客1/6的体重拉着逆堵旋转，并且逆堵旋转的转速也越来越快。因为电机是逆堵旋转，所以游客在下降的过程中始终被电机吊住5/6的体重。游客在着地冲击的瞬间为1/6体重的着地冲击。
当游客向上(跳跃)运动时运动的速度越快，其加速度就越大，也就跳的越高。电源柜向伺服电机输出的电压就越高，伺服电机旋转的速度就越快。因为跳跃过程中的速度是高度的函数，随着跳跃的高度的增加，其速度就减小，到跳跃的最高点速度为零。因此，程控器始终跟踪计算游客跳跃过程中每一点的速度(编码器后一个码减去前一个码的差除Δt时间为速度)，来控制电源柜向伺服电机输出的不同的电压值。因此在向上时，绳索始终吊住参与者5/6的体重向上运动。
当游客从最高点向下(降落)运动时电机被游客1/6的体重拉着逆堵旋转的。因为此时电机是恒力矩的，所以拉的速度大，电机逆堵旋转的转速也就越高。因此在向下时，绳索始终吊住参与者5/6的体重向下运动。
本装置在第二步运动阶段时电机始终处于正转状态。其输入到电机的电流为5/6体重值，电压为变量。当游客静止时，电机为堵转不转。当游客上跳时，电机为顺转，转速由程控器控制。当游客下降时，电机为逆堵转，转速游客下降速度决定。
本装置有三大特点秤重和位置同时进行，系统在秤重的过程中记忆了游客的位置参数。因为有位置参数，所以可以进行数学模型计算。
本发明采用的伺服电机始终处于大力矩堵转、逆堵转状态。并将司服电机、钢索绕盘、测速发电机等四部件同轴安装并控制其安装精度。选择钢索绕盘的滚筒槽直径既能在电机的最大转矩范围内吊起100Kg、又能在电机的最大转速范围内吊起物的速度达到5米/秒。因为滚筒的直径选择较大，吊起物的速度较快，但吊起的重量较小。反之，直径选择较小，吊起物的速度较慢，但吊起的重量较大。游客穿上安全带后，可体验在“月球”上漫步时自身重力的感觉。因在“月面”上的重量只有地面上的重量的1/6，本发明装置就是使游客失去5/6的重量。无论游客在″月球″上怎样运动，本发明装置始终跟随太空人的运动，减去游客自身重量的5/6。使游客在月面重量只有自己在地球体重1/6的情况下行走、弹跳，模拟在“月球”上行动的感觉。游客用本装置模拟在月面上随意运动可体验到在地球上没有的感觉。
本发明可以在多范围应用，如科技馆用于游客体验失重减重的感觉、宇航部门用于训练宇航员、影视部门用于拍摄特技片等等。
权利要求
1.一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其特征在于，包括机架部件、机械传动部件、以及电子控制部件；所述的机架部件包括总体支撑架，直立在行走场地上；所述的机械传动部件包括通过电机架固定在总体支撑架横杆的伺服电机、与伺服电机的输入端连接的测速发电机、设在伺服电机输出轴的钢索绕盘、设在钢索绕盘的滚筒槽内的钢索、与钢索连接的安全带；所述的电子控制部件包括电源开关、传感器、编码器、程控器控制的电源柜、程控器、A/D转换器；所述的编码器与伺服电机的输出端连接，该编码器输出位置信号到程控器；所述的测速发电机接收传感器输出的力度信号和加速度信号并将该信号经A/D转换器模数转换后输出到程控器；程控器控制电源柜向伺服电机输出电流及电压，根据该电流及电压，伺服电机轴连接的绳索绕盘收或放。
2.根据权利要求1所述的一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其特征在于，所述的编码器由光电双向记数器构成。
3.根据权利要求1所述的一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其特征在于，所述的传感器包括力度传感器和加速度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种模拟月球漫步或火星行走的装置，其特征在于，所述的程控器由CPU单片机构成。
5.模拟月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，参与者穿上吊带后，操作人员按动启动按钮，系统开始工作，包括以下步骤a、称重阶段a-1、在给定时间内，程控器控制电源柜向伺服电机输出电流及电压，根据该电流及电压，伺服电机轴连接的绳索绕盘收圈，绳索将参与者慢慢提升起来；a-2、当参与者完全被提升起来后，电源柜输出给伺服电机的电流为恒值，该恒值电流为参与者的体重电流；a-3、程控器记忆参与者的体重所需电流，并计算出参与者5/6的体重电流；a-4、此后程控器控制伺服电机向相反的方向旋转，慢慢将参与者放下，当达到5/6参与者体重的电流后停止旋转，参与者被绳索吊住，仅脚触地，此时参与者的脚对地面上施加的压力为参与者的1/6体重；a-5、程控器记忆编码器的位置并将该位置作为参与者运动的起始点；b、运动阶段b-1、a步骤完成后，此时电源输出的电流与体重呈平衡状态，随着参与者跳上和蹲下的姿势的变换，人体1/6的重量拉动电机顺时针旋转，绳索放长，始终吊住参与者5/6的体重；b-2、无论参与者蹲下、垫起脚尖使绳索放长或收紧，程控器始终记录编码器的位置信号；b-3、程控器根据加速度信号迅速计算出运动的终止点，电机转到此终止点立即停转并立即反转；b-4、整个模拟行走过程结束。
6.根据权利要求5所述的模拟月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的电机反转的转速按自由落体的速度设定电压变量。
7.根据权利要求5所述的模拟月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的电机转到运动起始点前开始逐步减速直至此起始点停止。
8.根据权利要求5所述的模拟月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的在整个运动中，输入到电机的电流都是恒定的；参与者运动的速度越快加速度越大，电源柜向伺服电机输出的电压就越高，伺服电旋转的就越快。
9.根据权利要求5所述的模拟月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的在整个运动中绳索始终吊住参与者5/6的体重。
全文摘要
本发明公开了一种模拟月球漫步或火星行走的装置及模拟行走的方法，其特点是，装置包括机架部件、机械传动部件、以及电子控制部件；机架部件直立在行走场地上；机械传动部件包括固定在机架的伺服电机、与伺服电机连接的测速发电机、与伺服电机输出轴连接的钢索绕盘、设在钢索绕盘的钢索、与钢索连接的安全带；电子控制部件包括电源开关、编码器、电源柜、程控器、A/D转换器；采用悬挂吊重装置减轻体重的方法，由程控器控制电源柜向伺服电机输出电流及电压，根据该电流及电压，伺服电机轴连接的绳索绕盘收或放。使普通人参与体验到在其他星球上的重力感觉及训练宇航员模拟其他星球重力下行走、运动的过程。
文档编号G05D1/00GK101034292SQ200610024500
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者许永顺, 胡学增, 梁兆正, 吴忠义, 聂承国 申请人:上海科技馆