一种地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统的制作方法

1.本实用新型涉及试验平台驱动系统技术领域，更为具体地，本实用新型涉及一种地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统。


背景技术：

2.地外天体低重力模拟试验平台是首次火星探测的地面验证试验的关键设施之一，其为火星、月球、行星探测器的悬停、避障点火着陆试验等提供了低重力的模拟环境。当前低重力模拟试验平台的驱动方式主要有以下两种，一种是旋臂式低重力模拟试验平台，其实现方式是在直立支架或立柱上安装旋转机械臂，旋转机械臂上安装平移及升降机构，通过机械臂的旋转和平移、升降机构的联动，实现低重力模拟，该方案的驱动系统比较简单，但是受机械臂及升降、平移机构惯量及结构强度限制，仅适合于几十公斤载荷和数米内空间范围的低重力模拟。另一种是桁车式低重力模拟试验平台，其实现方式是在移动式桁车上安装平移及升降机构，通过桁车、平移机构和升降机构的联动，实现低重力模拟，该方案采用的桁车结构提高了系统的结构强度，可增加平移及升降机构的负载能力以及运动范围，使试验载荷可以达到数百公斤及数十米的低重力模拟空间范围，但是由于桁车结构的增大，其重量通常达到数百吨，使得系统的平移速度及加速度受到限制。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提出一种地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统，通过适当设置索长度，能够实现数十米甚至上百米空间范围内的低重力模拟；在采用适当强度及数量的索驱动下，可以将试验载荷增加到数吨；由于索驱动系统惯量小，系统的平移及升降速度及加速度都可以大幅增加，满足地外天体低重力模拟试验要求。本实用新型能够解决当前低重力模拟试验平台在直立支架或立柱上安装旋转机械臂，旋转机械臂上安装平移及升降机构，通过机械臂的旋转和平移、升降机构的联动，实现低重力模拟时受机械臂及升降、平移机构惯量及结构强度限制，仅适合于几十公斤载荷和数米内空间范围的低重力模拟的问题；其还能够解决在移动式桁车上安装平移及升降机构，通过桁车、平移机构和升降机构的联动，实现低重力模拟时由于桁车结构的增大，其重量通常达到数百吨，使得系统的平移速度及加速度受到限制的问题。
4.本实用新型的技术方案如下：
5.一种地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统，、其包括主提升索驱动系统、上水平索驱动系统和下水平索驱动系统；所述主提升索驱动系统通过两个电机带动圆盘的上斜拉；所述上水平索驱动系统通过一个电机带动圆盘的上水平运动；所述下水平索驱动系统通过两个电机带动圆盘的下斜拉；通过所述下水平索驱动系统的下斜拉将圆盘转运至初始极限位置；所述圆盘为快速随动圆盘。
6.优选地，所述主提升索驱动系统、上水平索驱动系统和下水平索驱动系统均设置在场地地面的机房，各个机房的位置位于塔架塔柱的底端所围成的区域之外。
7.优选地，主提升索驱动系统包括六组驱动单元，每组驱动单元包括双电机、双减速器和双出绳滚筒。
8.优选地，第一拉索通过地外天地低重力模拟试验平台的塔架平台的塔架顶部距离地面第一高度h1处的两个滑轮与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，防止快速随动系统产生倾斜。
9.优选地，主提升索驱动系统通过双电机进行驱动，各个电机分别连接各自的减速器，在减速器和电机之间设置液压制动器，两个减速器的输出轴分别连接至滚筒的两个轴端，以带动滚筒进行转动。
10.优选地，第一拉索的第一端与圆盘连接后，经过塔架平台的内环桁架后，延伸至外环桁架。
11.优选地，在第一拉索经过内环桁架处设置导向滑轮对第一拉索的运动进行导向；在第一拉索经过外环桁架处设置导向滑轮，通过导向滑轮对第一拉索的运动进行导向。
12.优选地，所述下水平索驱动系统的第三拉索通过场地所在平面第三距离h3处水平布置的两个导向滑轮与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，并为快随随动系统提供水平驱动力和增加扭转刚度。
13.优选地，主提升索、上水平索和下水平索为拉索。
14.优选地，所述拉索为钢丝绳。
15.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
16.本实用新型的地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统，通过适当设置索长度，能够实现数十米甚至上百米空间范围内的低重力模拟；在采用适当强度及数量的索驱动下，可以将试验载荷增加到数吨；由于索驱动系统惯量小，系统的平移及升降速度及加速度都可以大幅增加，满足地外天体低重力模拟试验要求。
附图说明
17.本实用新型上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
18.图1是根据本实用新型的地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统的结构示意图的侧视图。
19.图2是是根据本实用新型的地外天体低重力模拟试验平台的索并联驱动系统俯视图。
20.图3是根据本实用新型的地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统的驱动单元系统图。
21.图4是根据本实用新型的地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统的主提升索驱动系统。
22.图5是根据本实用新型的地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统的上水平索驱动系统。
23.图6是根据本实用新型的地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统的下水平索驱动系统。
24.图7是坐标系示意图。
25.图8a为第一种优化方法的3d视图。
26.图8b为第一种优化方法的前视图。
27.图8c为第一种优化方法的俯视图。
28.图9a为第二种优化方法的3d视图。
29.图9b为第二种优化方法的前视图。
30.图9c为第二种优化方法的俯视图。
31.图10a为第三种优化方法的3d视图。
32.图10b为第三种优化方法的前视图。
33.图10c为第三种优化方法的俯视图。
具体实施方式
34.为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.以下结合附图对本实用新型进行详细说明。
36.如图1至图6所示，地外天体低重力模拟试验平台通过吊绳连接探测器，吊绳跟随探测器运动，保持垂直和拉力恒定，模拟地外天地的低重力环境，通过根据本实用新型实施例的地外天体低重力模拟试验平台索并联驱动系统完成大范围的移动和跟踪。本实用新型的地外天体低重力模拟实验平台索并联驱动系统为快速随动系统提供所需要的工作空间及系统随动需要的速度和加速度。
37.其中，地外天体低重力模拟实验平台设置在包含六个塔架塔柱1的塔架平台的内环桁架中，以试验场地中心半径为第一预设距离的圆周方向上均匀布置六组卷扬机2，每组卷扬机分上、中、下位置，分别从塔架平台的塔架塔柱的三个预设高度的出绳点连接中心的快速随动平台3，组成18索并联驱动系统。所述出绳点包括第一出绳点4、第二出绳点5和第三出绳点6。
38.优选地，第一出绳点4的预设高度为场地所在平面，第二出绳点5的预设高度为塔架顶部的高度的1/2，第三出绳点6的预设高度为塔架平台的塔架顶部的高度。优选地，所述第三出绳点设置在塔架顶部的下表面。优选地，所述塔架顶部为环形桁架，包括外环桁架10和内环桁架11，所述内环桁架和所述外环桁架通过直线桁架进行连接。塔架顶部依靠塔架塔柱1进行支撑，所述塔架塔柱连接至外环桁架。优选地，在塔架塔柱顶部与外环桁架连接处设置斜加强桁架。所述斜加强桁架分别于塔架塔柱与外环桁架的底部进行连接，以对增强结构的连接强度。
39.具体地，根据本实用新型实施例的地外天地低重力模拟试验平台索并联驱动系统包括主提升索驱动系统7、上水平索驱动系统8和下水平索驱动系统9；其中主提升索、上水平索和下水平索为拉索，优选地，所述拉索为钢丝绳。
40.优选地，所述主提升索驱动系统、上水平索驱动系统和下水平索驱动系统均设置在场地地面的机房，各个机房的位置位于塔架塔柱的底端所围成的区域之外。主提升索驱动系统通过两个电机实现圆盘的上斜拉。上水平索驱动系统通过一个电机实现圆盘的上水平运动。下水平索驱动系统通过两个电机实现了圆盘的下斜拉。通过下水平索驱动系统的
下斜拉将圆盘转运至初始极限位置。所述圆盘为快速随动圆盘12。
41.优选地，主提升索驱动系统包括六组驱动单元，每组驱动单元包括双电机、双减速器和双出绳滚筒。两根钢丝绳，即第一拉索，通过地外天地低重力模拟试验平台的塔架平台的塔架顶部距离地面第一高度h1处的两个滑轮与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，防止快速随动系统产生倾斜。主提升索驱动系统通过双电机13进行驱动，各个电机分别连接各自的减速器14，在减速器和电机之间设置液压制动器15，两个减速器的输出轴分别连接至滚筒16的两个轴端，以带动滚筒进行转动。优选地，所述电机为伺服电机，其能够带动滚筒进行正向和反向的运动，主提升索并联驱动拉索绕至该第一滚筒上，通过电机的转动，带动第一拉索运动，实现圆盘的相应运动。第一拉索的第一端与圆盘连接后，经过塔架平台的内环桁架后，延伸至外环桁架。在第一拉索经过内环桁架处设置导向滑轮17对第一拉索的运动进行导向。在第一拉索经过外环桁架处设置导向滑轮18，通过导向滑轮对第一拉索的运动进行导向。第一拉索在内环桁架和外环桁架的部分保持直线度。
42.第一拉索到达外环桁架的导向滑轮后，经导向滑轮导向后，沿着塔架塔柱的桁架的内部沿着垂直于场地方向向下延伸至场地所在平面导向滑轮导19，向后沿着场地输送一段距离后，进入地面机房。
43.优选地，第一拉索在场地所处的平面内可以经过多次导向滑轮后，到达位于场地地面的主提升所驱动系统机房，实现对圆盘的上斜拉。
44.上水平索驱动系统包括6组驱动单元，每组驱动单元包括一个电机、一个减速器和双出绳滚筒。两根钢丝绳，即，第二拉索，通过塔架塔柱上距离地面第二高度h2的处于水平布置的两个导向滑轮与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，为快速随动系统提供水平驱动力的同时，增加扭转刚度。优选地，第二拉索的第一端连接至圆盘后，第二拉索通过塔架塔柱上距离地面第二高度h2的处于水平布置的两个导向滑轮20进行导向后沿着塔架塔柱内部沿着垂直于场地方向运动，到达场地所在平面后经导向滑轮导21向后沿着场地输送一段距离后，进入地面的上水平索驱动系统机房。第二拉索绕至该第二滚筒上。第二滚筒依靠电机驱动减速机进行带动，优选地，所述电机为伺服电机，所述电机和所述减速器之间设置液压制动器。
45.所述下水平索驱动系统与上水平索驱动系统结构基本相同，其包括六组驱动单元。双钢丝绳为第三拉索，第三拉索通过场地所在平面第三距离h3处水平布置的两个导向滑轮22与快速随动系统进行连接，构成平行四边形机构，并为快随随动系统提供水平驱动力和增加扭转刚度，其中一组驱动单元采用双电机驱动来增加驱动力，将快速随动系统牵引至探测器转运区，即试验场成像模拟区的边缘。
46.索并联驱动系统张力优化过程如下：
47.以m根绳索具有n自由度索并联系统为研究对象，第一坐标系是局部坐标系p-xyz，坐标原点p位于快速随动圆盘几何对称中心。
48.第二坐标系是全局固定坐标o-xyz，坐标原点0在试场地面驱动系统的对称中心，坐标轴z正向垂直向上，ai为第i根索与塔架的连接点，bi为第i根索与快速随动圆盘的连接点。
49.设ui＝(ux u
y uz)
t
＝(cosα cosβ cosγ)
t
为第i根索张力方向的单位矢量，α，β，γ分别为张力与x，y，z轴的夹角，ri＝(r
x r
y rz)
t
为第i根索力作用点在快速随动圆盘局部坐
标系中的位置矢径，ti为第i根索的拉力，m根索组成的拉力矢量t＝(t
1 t2ꢀ…ꢀ
tm)
t
，则系统的广义力平衡方程为：
[0050][0051]
j为与快速随动圆盘姿态和索张力方向相关的雅可比矩阵，w为索并联系统的广义力，w可以依据牛顿-欧拉法建立索驱动系统的6自由度动力学方程求解：
[0052][0053]
其中m0为圆盘质量，为圆盘加速度，表示圆盘转动角速度，co表示圆盘质心在固定坐标系下的矢量，io为圆盘在固定坐标系下的转动惯量。
[0054]
由于索并联系统只能单向受力，受驱动系统功率限制，同时为了保证绳索不虚牵，绳索张力受拉力下限t
min
与拉力上限t
max
限制，数学表达式为：
[0055]
t
min
≤t≤t
max
[0056]
系统的广义力平衡方程的解为：
[0057]
t＝f
eff
f
nul
＝j

(-w) n(j)λ λ∈r
mm
[0058]
式中f
eff
为特解，f
nul
为通解，j

是j的moor-penrose广义逆，j

＝j
t
(jj
t
)-1
，n(j)＝(i-j

j)λ是j的零空间矢量，λ∈r
mm
为任意矢量。
[0059]
由系统的广义力平衡方程的解可知，冗余索并联系统的张力解由特解及通解组成，其中通解并不唯一。为了保证系统运行的平稳，各绳索张力除了受最小、最大张力范围限制外，还要连续平稳，因此在系统工作空间内，必须对张力进行优化控制。
[0060]
第一种优化方法如下所示：将各索张力进行拆分后的表示式为t＝tm tv[0061]
式中tm为要求张力约束的平均值，tm＝(t
min
t
max
)/2；tv为任意索张力向量。
[0062]
由各索张力进行拆分后的表示式可得
[0063]
tv＝t-tm[0064]
jtv＝-w-jtm[0065]
选取索力t与索力中间值tm的差值2范数最小为优化目标
[0066]
min||tv||2＝min||t-tv||2[0067][0068]
得到索力优化结果：
[0069]
t＝tm j

(-w-jtm)
[0070]
cf优化法受tm取值影响，当要提高t
min
时，有可能导致钢索张力超出t
max
，当要降低t
max
时，有可能导致钢索张力小于t
min
，因此cf优化法不能同时限制其张力上限及张力下限，在规定t∈[t
min
，t
max
]条件下，系统力控工作空间(fcws)受到较大的限制。
[0071]
第二种张力优化方法如下所示：以系统18根钢丝绳张力最小方差为目标进行优化，使钢索张力在满足约束方程条件下趋向全部钢索张力的平均值，实现张力平稳连续，其目标函数为
[0072][0073][0074]
与第一种优化方法相比，第二种张力优化方法能够有效降低系统张力上限和提高张力下限，有助于扩大系统的系统力控工作空间范围，但是常规最小方差优化法没不考虑钢索拓扑结构特点，使上、中、下斜拉钢索张力同时趋于平均张力，导致整体张力偏大，限制了系统力控工作空间(fcws)。
[0075]
为克服上述方法的缺点，提出一种新的张力优化方法，将系统18根钢丝绳依据拓朴关系分为上、中、下斜拉各6根钢索为一组的分类张力最小方差优化法进行优化：
[0076][0077][0078]
在设定张力限制前提下，分别对索并联驱动系统的预设工作空间进行优化计算，确定该张力优化策略下的实际工作空间，具体计算方法如下：
[0079]
1)对索并联驱动预设工作空间以合理长度划分网格点；
[0080]
2)提取一个网格点位姿参数x，计算结构矩阵j；
[0081]
3)判断结构矩阵是否满秩，即rank(j)＝n是否成立，如果不满秩，则该位姿点不属于工作空间，如果满秩，进入下一步；
[0082]
4)运用索力优化方法计算得到优化结果，检查索力是否满足t
min
≤t≤t
max
条件，若满足，则该点属于工作空间，若不满足，则该点不属于工作空间；
[0083]
5)返回步骤2)，提取另一网格点重复3)-5)，直到所有网格点计算完毕，即可确定系统工作空间范围。
[0084]
具体地，设地外天体低重力模拟试验平台18根钢丝绳在塔架上出绳滑轮位置ai(r为出绳点平面圆周半径)为
[0085][0086]
圆盘出绳点bi(r为出绳点平面圆周半径)为
[0087][0088]
对低重力试验平台并联驱动预设的20m
×
20m
×
80m工作空间每隔1m划分网格，考虑钢丝绳切线刚度所需预紧力及电机功率上限，设定索张力限制范围[t
min
，t
max
]＝[1
×
104，6
×
104]n，圆盘质量m0＝20t，分别用第一种优化方法、第二种优化方法、第三中优化方法对其fcws进行计算，计算结果如图8a-图10c所示。
[0089]
由图8a-图8c可知，采用第一种优化法计算的fcws似哑铃形状，从其前视及俯视图看，其只能在水平[-5，5]m，垂直方向[0，75]m范围内提供10m
×
10m
×
75m的工作空间；由图9a-图9c可知，第二种优化方法计算的fcws在65m高度上，水平面[-7，7]m区域内中间存在八角形空洞，只能提供20m
×
20m
×
65m工作空间；由图10a-图10c可知，采用第三种优化方法计算的fcws，在水平面[-10，10]m，在垂直方向[0，80]m范围内均满足张力约束条件，能提供20m
×
20m
×
80m工作空间。由此可见，在相同张力限制条件下，第一种方法的fcws最小，第二种优化方法次之，第三种张力优化方法计算的fcws最大，可以满足系统工作空间要求。
[0090]
在低重力试验中，随动平台只有平移运动，ω＝0，同时圆盘对称，质心矢量co＝0，圆盘重m0，得到动力学方程为：
[0091][0092]
其中a为平台加速度，g为重力加速度。根据动力学方程可以确定随动平台在所处
位置运动状态下各钢丝绳的张力大小，通过控制伺服电机位移与张力，可以实现索并联驱动系统随动控制。
[0093]
根据本实用新型的索并联驱动系统包括三套运动控制器，分别控制各自的伺服驱动器和伺服电机以驱动相应的减速器和滚筒，实现拉索，即，钢丝绳跟随快速随动系统，为验证器和圆盘提供水平与垂直驱动力。可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
[0094]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0095]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“至少三个”的含义是两个或两个以上。
[0096]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。