本发明专利技术提供了一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法，属于微重力模拟控制领域。本发明专利技术气缸活塞的顶部固定有气缸拉压力传感器，滚珠丝杠外侧的丝杠螺母与滚珠丝杠拉压力传感器连接，气缸拉压力传感器和滚柱丝杠拉压力传感器固定在连接平面的底部，连接平面上的中心固定哑铃式三轴气浮转台，哑铃式三轴气浮转台上固定有被模拟对象。本发明专利技术与现有微重力模拟装置相比，该系统采用滚珠丝杠和低摩擦气缸协同的交叉耦合作用进行垂直方向微重力模拟，使用哑铃式三轴气浮转台进行空间微重力模拟，神经网络与终端滑模变结构控制结合进行智能控制，提高了系统的控制精度及鲁棒性、拓展了模拟系统的运动范围和被模拟对象的运动姿态。态。态。
【技术实现步骤摘要】
一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法
[0001]本专利技术是一种仿真技术，涉及气浮台与滚珠丝杠结合的微重力模拟系统，以及Z轴方向上的微重力模拟控制方法，属于微重力模拟控制领域。
技术介绍
[0002]为了确保航天设备在轨飞行中的安全性和可靠性，因此在航天设备的研制和测试阶段需要在地面上进行充分的模拟试验，开发低成本高灵活性的全物理地面微重力模拟系统对于航天技术的发展具有十分重要的意义。随着航天事业的繁荣发展，针对空间微重力模拟系统在航天技术发展中的重要作用。本专利技术提供了一种先进可靠的，基于二维气浮平台、三维气浮转台、气缸、滚珠丝杠相结合的六自由度空间微重力模拟装置，以及Z 轴方向上的有效控制方法。
[0003]空间微重力地面模拟试验的方法经过短短几十年的发展取得了较快的发展，相继出现落塔法、悬吊法、水浮法、气浮法等。落塔法就是通过在微重力塔中执行自由落体运动，物体在作自由落体运动时可以获得很好的微重力状态；抛物飞行法是一种利用抛物线机动飞行来创造微重力和低重力环境的方法；水浮法就是利用水的浮力来抵消空间飞行器重力，利用调整装置来调整漂浮器的浮力，通过使试验目标所受向上的水浮力与向下的重力平衡，进而产生随机平衡漂浮状态的一种微重力模拟方法；悬吊法的主要原理为通过绳索机构及滑轮组，并利用配重来抵消飞行器自身的重力；气悬浮法的主要是通过平面止推气浮轴承，将由气泵经配气箱分压后的气体，经平面止推气浮轴承喷出，利用气体压力，由气膜浮起试验目标飞行器，并通过改变节流孔的润滑气体压力，达到抵消自身重力和载荷的作用，是一种精度很高的微重力模拟方法，也是目前应用最广的方法之一。
[0004]《磁气悬吊微重力模拟系统动力学研究》：提出了一种新型的磁气悬吊微重力模拟装置，由磁悬浮钢板、磁悬浮气足和吊绳三部分组成。通过柔性绳索连接机械臂和磁悬浮气足，磁悬浮气足在钢板上被动跟随机械臂运动，减小微重力模拟装置对机械臂的影响。对机械臂系统的动力学特性影响较小，对改善空间机械臂的运动平稳特性和末端定位精度有重要意义。
[0005]《基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统研究》：设计了一种基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统，通过结构设计和原理分析结果表明，该三维空间展开机械臂展开过程稳定可靠，且微重力模拟展开试验系统对机械臂产生的气浮运动摩擦阻力、垂直方向阻力波动量和展开方向附加阻力均很小，卸载效率高于95％，具有高精度、高卸载效率等特点。
[0006]《微重力落塔精密三自由度电磁释放控制系统》：落塔的工作原理是从一定高度释放舱体，舱体做自由落体或竖直上抛运动，舱体内部物体相对舱体处于失重状态，形成微重力环境。该文提出一种新的释放方式，即使用电磁力有效减小释放过程对载荷舱的初始干扰，并使用PID反馈控制优化设计释放策略。
[0007]现有技术的缺点及本申请要解决的技术问题
[0008]《磁气悬吊微重力模拟系统动力学研究》一文基于气悬浮气足的吸附特性和通气低阻尼特性提出一种磁气悬吊微重力模拟装置，该装置降低了与飞行器之间的动力学耦合，系统结构简单易实现。但只能实现三维模拟，且Z轴方向使用吊丝悬吊，吊丝与滑轮之间的摩擦以及吊丝颤振导致系统微重力模拟精度较差。
[0009]《基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统研究》一文结合悬吊法和气浮法，设计了一种适用于三维空进展开机械臂的多自由度微重力模拟展开试验系统。同样地，只能实现三自由度微重力模拟，而且由于悬吊系统特点原因，导致被模拟对象的运动范围受到限制。
[0010]《微重力落塔精密三自由度电磁释放控制系统》一文以落塔法为微重力模拟手段，其微重力水平与释放舱体时的动力学条件密切相关。本文基于电磁力快速可控的特点提出一种三自由度的快速悬浮微重力模拟控制系统，采用的PID控制方法，对被控系统建模精确性提出较高要求，系统鲁棒性较低，控制精度不够。
[0011]与上述模拟方法相比，本申请提出了一种气浮平台、滚珠丝杠、三轴气浮转台结合的微重力模拟方法，能够进行六自由度模拟，有效扩大了被模拟对象的运动范围，降低工程实现成本。同时提出Z轴方向上基于神经网络的终端滑模变结构控制，使控制系统鲁棒性强、收敛速度快、控制精度高。
技术实现思路
[0012]本专利技术的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法。
[0013]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0014]一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法，所述六自由度空间微重力模拟装置及控制方法包括
[0015]本专利技术一种六自由度空间微重力模拟装置及控制方法，二维气浮平台由四个水平气足支撑，四个水平气足以正方形配置刚性安装在二维气浮平台上，四个风扇推进器以正方形配置固定在二维气浮平台的下部；
[0016]二维气浮平台的左侧上垂直固定有气缸，气缸活塞的顶部固定有气缸拉压力传感器，二维气浮平台的右侧垂直固定有滚珠丝杠，滚珠丝杠外侧的丝杠螺母与滚柱丝杠拉压力传感器连接，气缸拉压力传感器和滚柱丝杠拉压力传感器固定在连接平面的底部，连接平面上的中心固定哑铃式三轴气浮转台，哑铃式三轴气浮转台上固定有被模拟对象，二维气浮平台上气缸和滚珠丝杠之间设置有控制模块，控制模块通过控制信号线与气缸和滚珠丝杠连接，控制模块通过传感器信号线与气缸拉压力传感器和滚柱丝杠拉压力传感器连接。
[0017]本专利技术一种六自由度空间微重力模拟装置，所述四个水平气足由四个串联的气罐中的压缩空气提供动力，气罐以气浮平台为对称平面对称地安装在气足对应的气浮平台上面，四个气罐分别连接到四个气足致动器，使二维气浮平台围绕其平面旋转轴对称。
[0018]本专利技术一种六自由度空间微重力模拟装置，所述气缸采用具有活塞的低摩擦气缸，六自由度空间微重力模拟装置还包括气压传感器、活塞位移传感器、电源、无线传输模块、台上工控机、比例电磁阀、充气管道、气瓶和电源线，当台下监控计算机给出控制指令
时，台上无线传输模块通过指令信号线将控制指令传输给台上工控机，台上工控机利用活塞位移传感器和位于充气管道与气缸接口处的气压传感器，通过控制板卡输出控制指令电压信号给比例电磁阀；
[0019]比例电磁阀采用5/3通气比例电磁阀，比例电磁阀的输出端连接气缸的两个气腔，输入端通过充气管道连接气瓶，放气端通往外部与大气压等压。
[0020]本专利技术一种六自由度空间微重力模拟装置，所述六自由度空间微重力模拟装置还包括电机、联轴器、支撑轴承和轴承，电机通过联轴器和轴承与滚珠丝杠连接，放置于滚珠丝杠和丝杠螺母间的滚动体作为中间传动体，借助滚动体在丝杠滚道与螺母滚道间循环往复的螺旋运动，实现将滚珠丝杠的旋转运动转化为丝杠螺母的轴向运动，丝杠螺母与连接平面下的滚珠丝杠拉压力传感器连接。
[0021]本专利技术一种六自由度空间微重力模拟装置，所述六自由度微重力控制方法具体步骤为：
[0022]步骤一：使气缸拉压力传感器和滚珠丝杠拉压力传感器的测量值本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种六自由度微重力模拟装置，其特征在于，二维气浮平台(3)由四个水平气足(2)支撑，四个水平气足(2)以正方形配置刚性安装在二维气浮平台(3)上，四个风扇推进器(17)以正方形配置固定在二维气浮平台(3)的下部；二维气浮平台(3)的左侧上垂直固定有气缸(4)，气缸活塞(5)的顶部固定有气缸拉压力传感器(7)，二维气浮平台(3)的右侧垂直固定有滚珠丝杠(6)，滚珠丝杠(6)外侧的丝杠螺母(1)与滚柱丝杠拉压力传感器(14)连接，气缸拉压力传感器(7)和滚柱丝杠拉压力传感器(14)固定在连接平面(8)的底部，连接平面(8)上的中心固定哑铃式三轴气浮转台(9)，哑铃式三轴气浮转台(9)上固定有被模拟对象(10)，二维气浮平台(3)上气缸(4)和滚珠丝杠(6)之间设置有控制模块(13)，控制模块(13)通过控制信号线(12)与气缸(4)和滚珠丝杠(6)连接，控制模块(13)通过传感器信号线(11)与气缸拉压力传感器(7)和滚柱丝杠拉压力传感器(14)连接。2.根据权利要求1所述的六自由度空间微重力模拟装置，其特征在于，所述四个水平气足(2)由四个串联的气罐中的压缩空气提供动力，气罐以气浮平台为对称平面对称地安装在气足对应的气浮平台上面，四个气罐分别连接到四个气足致动器，使二维气浮平台(3)围绕其平面旋转轴对称。3.根据权利要求1所述的六自由度空间微重力模拟装置，其特征在于，所述气缸(4)采用具有活塞的低摩擦气缸，六自由度空间微重力模拟装置还包括气压传感器(18)、活塞位移传感器(19)、电源(20)、无线传输模块(21)、台上工控机(22)、比例电磁阀(23)、充气管道(24)、气瓶(25)和电源线(26)，当台下监控计算机给出控制指令时，台上无线传输模块(21)通过指令信号线将控制指令传输给台上工控机(22)，台上工控机(22)利用活塞位移传感器(19)和位于充气管道(24)与气缸接口处的气压传感器(18)，通过控制板卡输出控制指令电压信号给比例电磁阀(23)；比例电磁阀(23)采用5/3通气比例电磁阀，比例电磁阀(23)的输出端连接气缸的两个气腔，输入端通过充气管道(24)连接气瓶(25)，放气端通往外部与大气压等压。4.根据权利要求1所述的六自由度空间微重力模拟装置，其特征在于，所述六自由度空间微重力模拟装置还包括电机(33)、联轴器(32)、支撑轴承(28)和轴承(31)，电机(33)通过联轴器(32)和轴承(31)与滚珠丝杠(6)连接，放置于滚珠丝杠(6)和丝杠螺母(1)间的滚动体作为中间传动体，借助滚动体在丝杠滚道与螺母滚道间循环往复的螺旋运动，实现将滚珠丝杠(6)的旋转运动转化为丝杠螺母(1)的轴向运动，丝杠螺母(1)与连接平面(8)下的滚...
【专利技术属性】
技术研发人员：温奇咏，胡潇如，夏红伟，马广程，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。