一种运动操作的可变质量模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种运动操作的可变质量模拟装置及基于该装置实现的模拟方法，属于质量模拟技术领域，包括支撑系统框架、牵引系统、模拟质点及操作端；工作时，通过上位机输入模拟质量，训练者在操作端可以感受到相应负载；基本方法是用空间汇交力系和广义逆解方程组的方法，基于操作端质点运动状态求解绳索输出拉力，并对每一绳索单元进行力闭环控制。支撑系统框架由型材搭建而成。装置中要模拟的变质量点由共点的四根绳索牵引，每根绳索单元都经过张力传感器和加速度传感器后通过固定在框架上的过轮与电机上的绞盘连接。本发明专利技术可用于对空间某一质点进行变质量模拟，从而实现一些忽略体积但要求质量变化工作情况的模拟训练。

【技术实现步骤摘要】
一种运动操作的可变质量模拟装置及方法
本专利技术属于质量模拟
，具体涉及一种运动操作的可变质量模拟装置及基于该装置实现的模拟方法。
技术介绍
目前，许多工作环境需要不同的负载或质量，传统上常常伴随设备的频繁更换或者体积问题。例如，随着科学的发展和人们生活环境的变化，锻炼身体成为人们的需求，然而健身时经常需要负重，频繁更换负重设备成为一大问题；在太空或其他失重环境中，人们会无法训练；还有一些不适应大体积却需要一定质量或负载的工作环境中，人们常常束手无策。设计一种运动操作的变质量模拟装置，用以对训练者进行可调节质量的负重训练，用以在失重环境下对训练者施加负载，用以对解决小空间需要大质量的情况，能够更好地满足人们的需要。目前，国内外相关技术和方法主要为重力模拟方面的，而且它们所介绍的装置均较少采用绳索牵引结构形式。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种运动操作的可变质量模拟装置及基于该装置实现的模拟方法，用于满足人们在各种不同环境下需要的不同质量和负载的需求。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术公开了一种运动操作的可变质量模拟装置，包括支撑系统框架2、牵引系统、模拟质点5及操作端6；其中牵引系统包括绳索单元、过轮1及电机7，绳索单元通过过轮1及电机7固定在支撑系统框架2上，四组绳索单元共点处安装有模拟质点5，操作端6通过绳索与模拟质点5相连接。对于一种运动操作的可变质量模拟装置，所述的牵引系统中包括四组绳索单元：第一绳索单元、第二绳索单元、第三绳索单元及第四绳索单元，每组绳索单元分别连接对应的过轮及电机，第一绳索单元对应第一过轮及第一电机，第二绳索单元对应第二过轮及第二电机，第三绳索单元对应第三过轮及第三电机，第四绳索单元对应第四过轮及第四电机。对于一种运动操作的可变质量模拟装置，所述的绳索单元中包括绳索4，绳索4上安装有传感器组3，传感器组包括张力传感器及加速度传感器；绳索4通过固定在支撑系统框架2上的过轮1与电机7上的绞盘8连接。对于一种运动操作的可变质量模拟装置，所述的模拟质点5与上位机相连，通过上位机设置模拟质点5的质量大小，操作人员通过操作端6感受模拟质点5相应质量的负载。对于一种运动操作的可变质量模拟装置，所述的电机7的输出轴上安装有光电编码器，采集模拟质点空间坐标并反馈至上位机中处理。对于一种运动操作的可变质量模拟装置，所述的电机7为直流电动机。本专利技术还公开了一种运动操作的可变质量模拟方法，通过以下步骤实现：(1)初始化系统，设置系统初始变量；(2)通过上位机设置模拟质点的质量，操作人员操纵操作端运动；(3)操作端产生所需模拟的负载力，模拟质点将模拟质量转化为模拟合力传输到各绳索单元；(4)各绳索单元中的加速度传感器采集对应绳索的加速度大小ai，电机输出轴上的光电编码器采集模拟质点的空间坐标(x,y,z)，并反馈至上位机处理；(5)根据采集的加速度大小ai、模拟质点的空间坐标(x,y,z)及电机位置坐标(ai,bi,ci)，利用空间汇交力系和Moore-Penrose广义逆解方程组求得各绳索单元最优规划力F；(6)上位机将规划力F传输至控制系统，调整各绳索单元对应的电机输出，使得各绳索单元达到所分配的规划力Fi，并通过张力传感器反馈至上位机，形成力闭环控制模式，同时操作人员在操作端感受到相应质量的负载。对于一种运动操作的可变质量模拟方法，所述的步骤(5)具体通过以下步骤实现：(5.1)第一绳索单元、第二绳索单元、第三绳索单元、第四绳索单元中的加速度传感器分别采集对应绳索的加速度为a1,a2,a3,a4；以框架结构的左下角为原点O建立空间直角坐标系O-XYZ，则获得第一电机、第二电机、第三电机、第四电机的位置分别为(a1,b1,c1)，(a2,b2,c2)，(a3,b3,c3)，(a4,b4,c4)；通过光电编码器采集模拟质点的空间坐标为(x,y,z)，则每根绳索与坐标系x，y，z轴的夹角余弦分别为cosαi，cosβi，cosθi，i＝1,2,3,4；(5.2)设第一绳索单元中的绳索与坐标系x，y，z轴的夹角余弦分别为cosα1，cosβ1，cosθ1，则同理求得其他绳索单元的夹角余弦；每根绳索上的加速度可分为aix，aiy，aiz，其中aix＝aicosαi，aiy＝aicosβi，aiz＝aicosθi，i＝1,2,3,4(5.3)通过每根绳索上的加速度可得绳索在坐标轴上的分加速度的和值为：则可得：Fx＝max，Fy＝may，Fz＝maz(5.4)根据力平衡原理可得将其写为矩阵形式：其中F1，F2，F3，F4分别为各绳索牵引力；(5.5)利用Moore-Penrose广义逆求解方法求解上述方程组，设Ax＝b，由于rankA＝m,则A+＝AH(AAH)-1,求解得出最小二乘解通式为：x＝A+b+(E4-A+A)y；其中极小范数最小二乘解为x0＝A+b，则得到每条绳索的最优规划力为F1＝m，F2＝l，F3＝n。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供了一种运动操作的可变质量模拟装置，并提出了一种基于该装置实现的模拟方法，通过空间汇交力系和广义逆解方程组的方法，基于操作端质点运动状态求解绳索输出拉力，实现了对每一绳索驱动单元的力闭环控制，该装置能够对空间某一质点进行变质量模拟，使模拟装置更加安全，方法更加准确，从而实现一些忽略体积但要求质量变化工作情况的模拟训练，满足人们在各种不同环境下需要的不同质量和负载的需求。附图说明图1为本专利技术中运动操作的可变质量模拟装置示意图；图2为本专利技术中运动操作的可变质量模拟方法空间坐标系示意图；图3为本专利技术中控制系统原理示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步描述。结合图1至图3，本专利技术提出了一种运动操作的可变质量模拟装置及基于该装置实现的模拟方法，由支撑系统框架2和一套四根绳索牵引系统组成。支撑系统框架2由型材搭建而成，可根据需要拆卸移动。模拟的质点5由共点的四根绳索4牵引，且四根绳索都连接到通过固定在框架上的过轮1连接到底部直流电动机7的绞盘8上，带有光电编码器的直流电动机进行驱动，力和加速度传感器3用于测量绳索上的拉力Fi和加速度ai，这种绳索牵引形式可以满足很多工作环境要求。当人在操作端6拉动，模拟质点跟着运动并产生加速度a，每根绳索上也会产生加速度并可通过加速度传感器测得分别为a1，a2，a3，a4，以框架结构的左下角为原点O建立如图1所示空间直角坐标系O-XYZ，则每个电机的位置坐标已知，分别为(0,0,0)(a,b,0)(0,b,c)(a,0,c),又因为通过编码器可以测得模拟质点的空间位置坐标为(x,y,z)，则可知每根绳索与坐标系x，y，z轴的夹角余弦分别为cosαi，cosβi，cosθi，i＝1,2,3,4。设绳索1与坐标系x，y，z轴的夹角余弦分别为cosα1，cosβ1，cosθ1，则有：同理可以求得其他夹角余弦。则每根绳索上的加速度可分为aix，aiy，aiz，如：a1x＝a1cosα1，a1y＝a1cosβ1，a1z＝a1cosθ1所以可求得四根绳索在坐标轴上分加速度的和值：则可得：Fx＝max，Fy＝may，Fz＝maz根据力平衡原理得：将其写为矩阵形式为：式中F1，F2，F3，F4分别为各绳索牵引力。上式(2)四个未知数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种运动操作的可变质量模拟装置，其特征在于：包括支撑系统框架(2)、牵引系统、模拟质点(5)及操作端(6)；其中牵引系统包括绳索单元、过轮(1)及电机(7)，绳索单元通过过轮(1)及电机(7)固定在支撑系统框架(2)上，四组绳索单元共点处安装有模拟质点(5)，操作端(6)通过绳索与模拟质点(5)相连接。

【技术特征摘要】
1.一种运动操作的可变质量模拟装置，其特征在于：包括支撑系统框架(2)、牵引系统、模拟质点(5)及操作端(6)；其中牵引系统包括绳索单元、过轮(1)及电机(7)，绳索单元通过过轮(1)及电机(7)固定在支撑系统框架(2)上，四组绳索单元共点处安装有模拟质点(5)，操作端(6)通过绳索与模拟质点(5)相连接。2.根据权利要求1所述的一种运动操作的可变质量模拟装置，其特征在于：所述的牵引系统中包括四组绳索单元：第一绳索单元、第二绳索单元、第三绳索单元及第四绳索单元，每组绳索单元分别连接对应的过轮及电机，第一绳索单元对应第一过轮及第一电机，第二绳索单元对应第二过轮及第二电机，第三绳索单元对应第三过轮及第三电机，第四绳索单元对应第四过轮及第四电机。3.根据权利要求1所述的一种运动操作的可变质量模拟装置，其特征在于：所述的绳索单元中包括绳索(4)，绳索(4)上安装有传感器组(3)，传感器组包括张力传感器及加速度传感器；绳索(4)通过固定在支撑系统框架(2)上的过轮(1)与电机(7)上的绞盘(8)连接。4.根据权利要求1所述的一种运动操作的可变质量模拟装置，其特征在于：所述的模拟质点(5)与上位机相连，通过上位机设置模拟质点(5)的质量大小，操作人员通过操作端(6)感受模拟质点(5)相应质量的负载。5.根据权利要求1所述的一种运动操作的可变质量模拟装置，其特征在于：所述的电机(7)的输出轴上安装有光电编码器，采集模拟质点空间坐标并反馈至上位机中处理。6.根据权利要求1所述的一种运动操作的可变质量模拟装置，其特征在于：所述的电机(7)为直流电动机。7.一种运动操作的可变质量模拟方法，其特征在于，通过以下步骤实现：(1)初始化系统，设置系统初始变量；(2)通过上位机设置模拟质点的质量m，操作人员操纵操作端运动；(3)操作端产生所需模拟的负载力，模拟质点将模拟质量转化为模拟合力传输到各绳索单元；(4)各绳索单元中的加速度传感器采集对应绳索的加速度大小ai，电机输出轴上的光电编码器采集模拟质点的空间坐标(x,y,z)，并反馈至上位机处理；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王克义，王万利，王砚麟，赵文艳，张武屹，陈学坤，刘新，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23