一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台、传感器和控制系统，采用九索冗余驱动方案，九根绳索在空间采用“上六下三”方式布局，绳索的伸长和缩短有电机驱动的驱动单元按照控制系统的指令动作，控制系统根据传感器给出的力和位姿数据为每根绳索的长度和力进行闭环或半闭环控制，同时可以采用上方六根绳索控制模拟负载平台位姿和运动，下方三根绳索进行力张紧或补偿的控制，具备在较大的工作空间内模拟零重力或低重力环境下六自由度运动的能力，同时，可以通过下方三个绳索或更多绳索的叠加施加干扰力，该装置的各向同性性能好，且在其他领域如康复器械等领域应用的潜力。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台、传感器和控制系统，采用九索冗余驱动方案，九根绳索在空间采用“上六下三”方式布局，绳索的伸长和缩短有电机驱动的驱动单元按照控制系统的指令动作，控制系统根据传感器给出的力和位姿数据为每根绳索的长度和力进行闭环或半闭环控制，同时可以采用上方六根绳索控制模拟负载平台位姿和运动，下方三根绳索进行力张紧或补偿的控制，具备在较大的工作空间内模拟零重力或低重力环境下六自由度运动的能力，同时，可以通过下方三个绳索或更多绳索的叠加施加干扰力，该装置的各向同性性能好，且在其他领域如康复器械等领域应用的潜力。【专利说明】一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置
本专利技术属于零重力及低重力环境模拟设备领域，特别涉及一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置。
技术介绍
在对如月球、火星等地球外的星体进行探测时，如果探测器需要从该星体采集样品后返回地球，需要探测器在该星体表面发射升空，该种发射面临发射环境处在低重力环境，并且支撑刚性不足、姿态不确定、羽流干扰等一系列技术难题，需要大量的分析计算与实验模拟，因此一套合理的模拟方法和模拟装置是十分必要的。 现有零重力及低重力环境模拟实验设备或模拟技术主要有五类:失重飞行或坠落模拟、浮力平衡重力法、刚性并联机构模拟、索机构拖拽模拟、地球表面实物发射验证。这些方法中，失重飞行或坠落模拟的方法主要用于零重力模拟但是模拟空间受限制，浮力平衡重力法基于悬浮方法主要用于长时间的低(零)重力环境操作训练但受制于水的阻力动态响应速度不足，刚性并联机构模拟使用多自由平台进行航天器对接模拟但运动空间小，索机构拖拽只能提供竖直方向的重力或运动补偿，地球表面实物发射验证时难以实现低重力环境条件，即，现有的零重力及低重力环境模拟实验设备或模拟技术均难以满足探测器从其他星体表面发射进而返回地球时发射模拟要求。 索机构拖拽模拟方法具有作业空间大且能够实现较高的动态响应，是开发零重力及低重力环境模拟实验设备的一个重要方向。美国国家航空航天局(NASA)将斜拉平行索系和斜面结合模拟低重力环境，用于训练飞行员。另外，可以通过对索力进行主动的伺服控制或采用配重，抵消部分或全部的重力，来实现低重力和零重力环境，这种方案在已有的中国专利技术专利申请中有所体现(专利技术专利申请公布号:CN102145755A、CN102009749A)。但现有的索机构拖拽模拟装置只能模拟竖直方向的运动状态和受力，无法用于多自由度运动尤其是可能出现在各个方向的发动机推力导致的运动的模拟。如果将多根绳索布局在空间内多个位置，而非仅仅竖直方向，将会是采用索机构拖拽模拟方法进行零重力及低重力环境模拟的一种十分有益的探索。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，用于模拟如月球、火星等星体表面的返回舱发射工况、低重力环境中的宇航员训练，甚至如康复器械等需要重力补偿的应用领域。该索驱动机器人模拟装置通过传感器系统采集每根绳索的拉力和模拟负载平台的位姿，通过控制系统的控制算法对每根索的长度或拉力进行反馈控制，实现在较大的作业范围内模拟零重力或低重力环境下物体的受力及六自由度运动，并且能够实现施加模拟负载平台可能受到的干扰力。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是: 一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，包括基础框架、绳索330、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台500、传感器和控制系统，其中，绳索330共有九根，每根的一端连接在基础框架上，另一端绕过绳索导向装置后连接在模拟负载平台500上，绳索驱动单元根据控制系统的指令控制绳索330的伸长或缩短，传感器测量每根绳索330上的拉力和位移以及模拟负载平台500的位姿，控制系统根据传感器测得的每根绳索330上的拉力和模拟负载平台500的位姿数据对每个绳索330采取长度或力控制以模拟出模拟负载平台500在零重力或低重力环境中的运动。 所述基础框架包括基础平台101和安装在基础平台上的六根等高度的高立柱102及三根等高度的低立柱103，两两一组，分为三组，相邻组之间的距离相等，三根低立柱103分别位于相邻组的高立柱102之间的中点位置，在基础平台101上位于每根立柱的底端附近均安装一套绳索驱动单元，绳索驱动单元包括电机301和连接电机301的滚筒315，在每根立柱的顶端均安装一套绳索导向装置，绳索导向装置包括滑轮325，每根绳索330的一端连接在滚筒315上，另一端绕过滑轮325连接在模拟负载平台500上，其中绕过滑轮325的点位为出索点，六根高立柱102所对应的出索点在水平面内的投影位于一个圆上，三根低立柱103所对应的出索点在水平面内的投影位于一个圆上。 所述传感器包括力测量传感器和长度测量传感器两类，其中力测量传感器由安装在每根绳索330与模拟负载平台500之间的拉力传感器350和/或安装在电机301与滚筒315之间的扭矩传感器组成；长度测量传感器由安装在电机301端面或者滚筒315端面的旋转类长度测量传感器和/或安装在基础框架和模拟负载平台500之间的数量不少于6个的长度测量传感器组成。 所述九根绳索330中，绕过六根高立柱102上的绳索导向装置的六根绳索330连接在模拟负载平台500的上表面，且六个连接点位于同一个圆的圆周上且与相应的六个出索点在水平面投影相对圆心相位偏差60°，同时，与六根高立柱102的分布相应，所述六个连接点两两一组，分为三组，相邻组之间的距离相等；绕过三根低立柱103上的绳索导向装置的三根绳索330连接在模拟负载平台500的下表面，且三个连接点在同一个圆的圆周上均匀分布且与相应的三个出索点在水平面投影相对圆心无相位差，模拟负载平台500下表面内三个绳索连接点分布相对于上表面内三组绳索连接点的中点分布无相位差，模拟负载平台500上表面六个连接点所在圆半径和下表面三个连接点所在圆半径相同或者不同，且下表面三个连接点所在圆的半径最小可以为零而上表面六根连接点所在圆的半径始终大于零。 同一组高立柱102内部的两个出索点相对投影分布圆圆心的夹角不小于3°且不超过40°，模拟负载平台500上表面上同一组连接点相对圆心的夹角不小于3°且不超过 40。。 所述滑轮325安装于转向架321上，转向架321安装于可沿立柱上下移动的转向架托架320上。 所述九根绳索330与模拟负载平台500的连接点直接位于模拟负载平台500上，或者位于加装于模拟负载平台500外的外框架上。 所述控制系统根据安装结构参数、力测量和长度测量结果，计算得到模拟负载平台500的位姿、各个绳索330的长度以及各个绳索330上的拉力，同时根据零重力或低重力环境的模拟要求，结合模拟负载平台500的运动状态，计算出模拟零重力或低重力环境下模拟负载平台500运动所需要每个绳索330施加到模拟负载平台500上的拉力和长度变化，并利用力和长度测量传感器结合绳索驱动单元内的电机310和滚筒315调整每根绳索330的拉力和长度，实现零重力或低重力环境的模拟。 所述九根绳索330同时采用力本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种模拟零重力和低重力的九索驱动机器人装置，其特征在于，包括基础框架、绳索(330)、绳索驱动单元、绳索导向装置、模拟负载平台(500)、传感器和控制系统，其中，绳索(330)共有九根，每根的一端连接在基础框架上，另一端绕过绳索导向装置后连接在模拟负载平台(500)上，绳索驱动单元根据控制系统的指令控制绳索(330)的伸长或缩短，传感器测量每根绳索(330)上的拉力和位移以及模拟负载平台(500)的位姿，控制系统根据传感器测得的每根绳索(330)上的拉力和模拟负载平台(500)的位姿数据对每个绳索(330)采取长度或力控制以模拟出模拟负载平台(500)在零重力或低重力环境中的运动。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：唐晓强，邵珠峰，王伟方，汪劲松，曹凌，季益中，田斯慧，李煜琦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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