一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置制造方法
【專利摘要】一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，包括基礎(chǔ)框架、繩索、繩索驅(qū)動(dòng)單元、繩索導(dǎo)向裝置、模擬負(fù)載平臺(tái)、傳感器和控制系統(tǒng)，采用九索冗余驅(qū)動(dòng)方案，九根繩索在空間采用“上六下三”方式布局，繩索的伸長(zhǎng)和縮短有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)單元按照控制系統(tǒng)的指令動(dòng)作，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器給出的力和位姿數(shù)據(jù)為每根繩索的長(zhǎng)度和力進(jìn)行閉環(huán)或半閉環(huán)控制，同時(shí)可以采用上方六根繩索控制模擬負(fù)載平臺(tái)位姿和運(yùn)動(dòng)，下方三根繩索進(jìn)行力張緊或補(bǔ)償?shù)目刂?，具備在較大的工作空間內(nèi)模擬零重力或低重力環(huán)境下六自由度運(yùn)動(dòng)的能力，同時(shí)，可以通過(guò)下方三個(gè)繩索或更多繩索的疊加施加干擾力，該裝置的各向同性性能好，且在其他領(lǐng)域如康復(fù)器械等領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。
【專利說(shuō)明】一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于零重力及低重力環(huán)境模擬設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]在對(duì)如月球、火星等地球外的星體進(jìn)行探測(cè)時(shí)，如果探測(cè)器需要從該星體采集樣品后返回地球，需要探測(cè)器在該星體表面發(fā)射升空，該種發(fā)射面臨發(fā)射環(huán)境處在低重力環(huán)境，并且支撐剛性不足、姿態(tài)不確定、羽流干擾等一系列技術(shù)難題，需要大量的分析計(jì)算與實(shí)驗(yàn)?zāi)M，因此一套合理的模擬方法和模擬裝置是十分必要的。
[0003]現(xiàn)有零重力及低重力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備或模擬技術(shù)主要有五類:失重飛行或墜落模擬、浮力平衡重力法、剛性并聯(lián)機(jī)構(gòu)模擬、索機(jī)構(gòu)拖拽模擬、地球表面實(shí)物發(fā)射驗(yàn)證。這些方法中，失重飛行或墜落模擬的方法主要用于零重力模擬但是模擬空間受限制，浮力平衡重力法基于懸浮方法主要用于長(zhǎng)時(shí)間的低(零)重力環(huán)境操作訓(xùn)練但受制于水的阻力動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不足，剛性并聯(lián)機(jī)構(gòu)模擬使用多自由平臺(tái)進(jìn)行航天器對(duì)接模擬但運(yùn)動(dòng)空間小，索機(jī)構(gòu)拖拽只能提供豎直方向的重力或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，地球表面實(shí)物發(fā)射驗(yàn)證時(shí)難以實(shí)現(xiàn)低重力環(huán)境條件，即，現(xiàn)有的零重力及低重力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備或模擬技術(shù)均難以滿足探測(cè)器從其他星體表面發(fā)射進(jìn)而返回地球時(shí)發(fā)射模擬要求。
[0004]索機(jī)構(gòu)拖拽模擬方法具有作業(yè)空間大且能夠?qū)崿F(xiàn)較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，是開(kāi)發(fā)零重力及低重力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一個(gè)重要方向。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)將斜拉平行索系和斜面結(jié)合模擬低重力環(huán)境，用于訓(xùn)練飛行員。另外，可以通過(guò)對(duì)索力進(jìn)行主動(dòng)的伺服控制或采用配重，抵消部分或全部的重力，來(lái)實(shí)現(xiàn)低重力和零重力環(huán)境，這種方案在已有的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)中有所體現(xiàn)(發(fā)明專利申請(qǐng)公布號(hào):CN102145755A、CN102009749A)。但現(xiàn)有的索機(jī)構(gòu)拖拽模擬裝置只能模擬豎直方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力，無(wú)法用于多自由度運(yùn)動(dòng)尤其是可能出現(xiàn)在各個(gè)方向的發(fā)動(dòng)機(jī)推力導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)的模擬。如果將多根繩索布局在空間內(nèi)多個(gè)位置，而非僅僅豎直方向，將會(huì)是采用索機(jī)構(gòu)拖拽模擬方法進(jìn)行零重力及低重力環(huán)境模擬的一種十分有益的探索。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，用于模擬如月球、火星等星體表面的返回艙發(fā)射工況、低重力環(huán)境中的宇航員訓(xùn)練，甚至如康復(fù)器械等需要重力補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用領(lǐng)域。該索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人模擬裝置通過(guò)傳感器系統(tǒng)采集每根繩索的拉力和模擬負(fù)載平臺(tái)的位姿，通過(guò)控制系統(tǒng)的控制算法對(duì)每根索的長(zhǎng)度或拉力進(jìn)行反饋控制，實(shí)現(xiàn)在較大的作業(yè)范圍內(nèi)模擬零重力或低重力環(huán)境下物體的受力及六自由度運(yùn)動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)施加模擬負(fù)載平臺(tái)可能受到的干擾力。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，包括基礎(chǔ)框架、繩索330、繩索驅(qū)動(dòng)單元、繩索導(dǎo)向裝置、模擬負(fù)載平臺(tái)500、傳感器和控制系統(tǒng)，其中，繩索330共有九根，每根的一端連接在基礎(chǔ)框架上，另一端繞過(guò)繩索導(dǎo)向裝置后連接在模擬負(fù)載平臺(tái)500上，繩索驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)控制系統(tǒng)的指令控制繩索330的伸長(zhǎng)或縮短，傳感器測(cè)量每根繩索330上的拉力和位移以及模擬負(fù)載平臺(tái)500的位姿，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器測(cè)得的每根繩索330上的拉力和模擬負(fù)載平臺(tái)500的位姿數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)繩索330采取長(zhǎng)度或力控制以模擬出模擬負(fù)載平臺(tái)500在零重力或低重力環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。
[0008]所述基礎(chǔ)框架包括基礎(chǔ)平臺(tái)101和安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)上的六根等高度的高立柱102及三根等高度的低立柱103，兩兩一組，分為三組，相鄰組之間的距離相等，三根低立柱103分別位于相鄰組的高立柱102之間的中點(diǎn)位置，在基礎(chǔ)平臺(tái)101上位于每根立柱的底端附近均安裝一套繩索驅(qū)動(dòng)單元，繩索驅(qū)動(dòng)單元包括電機(jī)301和連接電機(jī)301的滾筒315，在每根立柱的頂端均安裝一套繩索導(dǎo)向裝置，繩索導(dǎo)向裝置包括滑輪325，每根繩索330的一端連接在滾筒315上，另一端繞過(guò)滑輪325連接在模擬負(fù)載平臺(tái)500上，其中繞過(guò)滑輪325的點(diǎn)位為出索點(diǎn)，六根高立柱102所對(duì)應(yīng)的出索點(diǎn)在水平面內(nèi)的投影位于一個(gè)圓上，三根低立柱103所對(duì)應(yīng)的出索點(diǎn)在水平面內(nèi)的投影位于一個(gè)圓上。
[0009]所述傳感器包括力測(cè)量傳感器和長(zhǎng)度測(cè)量傳感器兩類，其中力測(cè)量傳感器由安裝在每根繩索330與模擬負(fù)載平臺(tái)500之間的拉力傳感器350和/或安裝在電機(jī)301與滾筒315之間的扭矩傳感器組成；長(zhǎng)度測(cè)量傳感器由安裝在電機(jī)301端面或者滾筒315端面的旋轉(zhuǎn)類長(zhǎng)度測(cè)量傳感器和/或安裝在基礎(chǔ)框架和模擬負(fù)載平臺(tái)500之間的數(shù)量不少于6個(gè)的長(zhǎng)度測(cè)量傳感器組成。
[0010]所述九根繩索330中，繞過(guò)六根高立柱102上的繩索導(dǎo)向裝置的六根繩索330連接在模擬負(fù)載平臺(tái)500的上表面，且六個(gè)連接點(diǎn)位于同一個(gè)圓的圓周上且與相應(yīng)的六個(gè)出索點(diǎn)在水平面投影相對(duì)圓心相位偏差60°，同時(shí)，與六根高立柱102的分布相應(yīng)，所述六個(gè)連接點(diǎn)兩兩一組，分為三組，相鄰組之間的距離相等；繞過(guò)三根低立柱103上的繩索導(dǎo)向裝置的三根繩索330連接在模擬負(fù)載平臺(tái)500的下表面，且三個(gè)連接點(diǎn)在同一個(gè)圓的圓周上均勻分布且與相應(yīng)的三個(gè)出索點(diǎn)在水平面投影相對(duì)圓心無(wú)相位差，模擬負(fù)載平臺(tái)500下表面內(nèi)三個(gè)繩索連接點(diǎn)分布相對(duì)于上表面內(nèi)三組繩索連接點(diǎn)的中點(diǎn)分布無(wú)相位差，模擬負(fù)載平臺(tái)500上表面六個(gè)連接點(diǎn)所在圓半徑和下表面三個(gè)連接點(diǎn)所在圓半徑相同或者不同，且下表面三個(gè)連接點(diǎn)所在圓的半徑最小可以為零而上表面六根連接點(diǎn)所在圓的半徑始終大于零。
[0011]同一組高立柱102內(nèi)部的兩個(gè)出索點(diǎn)相對(duì)投影分布圓圓心的夾角不小于3°且不超過(guò)40°，模擬負(fù)載平臺(tái)500上表面上同一組連接點(diǎn)相對(duì)圓心的夾角不小于3°且不超過(guò)
40。。
[0012]所述滑輪325安裝于轉(zhuǎn)向架321上，轉(zhuǎn)向架321安裝于可沿立柱上下移動(dòng)的轉(zhuǎn)向架托架320上。
[0013]所述九根繩索330與模擬負(fù)載平臺(tái)500的連接點(diǎn)直接位于模擬負(fù)載平臺(tái)500上，或者位于加裝于模擬負(fù)載平臺(tái)500外的外框架上。
[0014]所述控制系統(tǒng)根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)、力測(cè)量和長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到模擬負(fù)載平臺(tái)500的位姿、各個(gè)繩索330的長(zhǎng)度以及各個(gè)繩索330上的拉力，同時(shí)根據(jù)零重力或低重力環(huán)境的模擬要求，結(jié)合模擬負(fù)載平臺(tái)500的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出模擬零重力或低重力環(huán)境下模擬負(fù)載平臺(tái)500運(yùn)動(dòng)所需要每個(gè)繩索330施加到模擬負(fù)載平臺(tái)500上的拉力和長(zhǎng)度變化，并利用力和長(zhǎng)度測(cè)量傳感器結(jié)合繩索驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)的電機(jī)310和滾筒315調(diào)整每根繩索330的拉力和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)零重力或低重力環(huán)境的模擬。
[0015]所述九根繩索330同時(shí)采用力位混合控制模式進(jìn)行控制，或者同時(shí)采用力控制模式進(jìn)行控制，或者采用上方六根繩索330采用力位混合控制模式而下方三根繩索330采用力控制模式進(jìn)行控制。
[0016]本發(fā)明中，可以將干擾力分解到下方三根繩索上或分配到更多繩索上，實(shí)現(xiàn)干擾力模擬。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]1.采用九根繩索冗余驅(qū)動(dòng)方案，具有索并聯(lián)機(jī)構(gòu)所驅(qū)動(dòng)的大工作空間、高動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)勢(shì)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)模擬負(fù)載平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)控制，能夠用于返回艙在地外星體表面的發(fā)射模擬。
[0019]2.采用九根繩索在空間內(nèi)的“上六下三”布局方案，具有大工作空間且工作空間內(nèi)各向同性性好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)上方六根繩索即可確定模擬負(fù)載平臺(tái)的位姿，下方三個(gè)繩索的控制方式選取更加靈活。
[0020]3.通過(guò)設(shè)計(jì)合理的索力分配算法，可以同時(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的羽流干擾等外擾力。
[0021]4.采用九根繩索的冗余驅(qū)動(dòng)方案，系統(tǒng)安全性高，可以擴(kuò)展用于重力或運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)尼t(yī)療康復(fù)器械領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]附圖1為一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置示意圖。
[0023]附圖2為一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置的繩索驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]附圖3為一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置的上方六個(gè)出索點(diǎn)和六個(gè)繩索連接點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖。
[0025]附圖4為一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置的下方三個(gè)出索點(diǎn)和三個(gè)繩索連接點(diǎn)分布簡(jiǎn)圖。
[0026]附圖5為一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。
[0027]附圖圖標(biāo)說(shuō)明:101-基礎(chǔ)平臺(tái)；102_高立柱；103_低立柱；330_繩索；301_安裝基座；302_安裝托架；303_扭矩傳感器；310_電機(jī)；315_滾筒；320_轉(zhuǎn)向架托架；321_轉(zhuǎn)向架；325_滑輪；350_拉力傳感器；500_模擬負(fù)載平臺(tái)。
[0028]B1, B2, B3, B4, B5, B6上方六個(gè)出索點(diǎn)，B 7、B8、B9T方三個(gè)出索點(diǎn)。
[0029]P1, P2, P3, P4, P5, P』方六個(gè)繩索連接點(diǎn)，P 7、P8、P9下方三個(gè)繩索連接點(diǎn)。
[0030]R1上方六個(gè)繩索連接點(diǎn)所在分布圓半徑。
[0031]Rltl上方六個(gè)出索點(diǎn)所在分布圓半徑。
[0032]R2下方三個(gè)繩索連接點(diǎn)所在分布圓半徑。
[0033]R2tl下方三個(gè)出索點(diǎn)所在分布圓半徑。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0035]本發(fā)明涉及一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置如圖1所示，其【具體實(shí)施方式】如下:該模擬零重力及低重力環(huán)境的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置由基礎(chǔ)框架、繩索330、繩索驅(qū)動(dòng)單元、繩索導(dǎo)向裝置、模擬負(fù)載平臺(tái)500、傳感器和控制系統(tǒng)等部件組成，基礎(chǔ)框架包括基礎(chǔ)平臺(tái)101和安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)上的六根高立柱102及三根低立柱103，每根立柱的根部位置附件安裝有一套繩索驅(qū)動(dòng)單元，如圖2所示，繩索驅(qū)動(dòng)單元由安裝基座301、安裝托架302、電機(jī)310、滾筒315及相關(guān)的連接件組成，共計(jì)九套；每根立柱的頂部位置附近都安裝有一套繩索導(dǎo)向裝置，每套繩索導(dǎo)向裝置由轉(zhuǎn)向架托架320、轉(zhuǎn)向架320、滑輪325及相關(guān)的連接件組成，共計(jì)九套；繩索的一端纏繞在滾筒315上，另一端穿過(guò)繩索導(dǎo)向裝置的滑輪325后連接在模擬負(fù)載平臺(tái)500上；九套繩索導(dǎo)向裝置相對(duì)模擬負(fù)載平臺(tái)構(gòu)成九個(gè)出索點(diǎn)，如圖3和圖4所示，分布為B^B6六點(diǎn)，以及B 7?B9三點(diǎn)，這九個(gè)出索點(diǎn)在空間采用“上六下三”方案布局，上方六根高立柱102上的六個(gè)出索點(diǎn)Bp B2、B3, B4, B5, B6在水平面內(nèi)的投影位于同一個(gè)圓上，且六根出索點(diǎn)兩兩一組，分成三組在水平面內(nèi)的投影圓上均勻分布，同一組內(nèi)的兩個(gè)出索點(diǎn)相對(duì)于投影圓心的較小不小于3°且不超過(guò)40°，下方三根低立柱103上的三個(gè)出索點(diǎn)B7、B8, B9在水平面內(nèi)的投影的分布圓上均勻分布，上方六個(gè)出索點(diǎn)所在分布圓半徑Rltl和下方三個(gè)出索點(diǎn)所在分布圓半徑R2ci可以不相同，上方六個(gè)出索點(diǎn)的高度和下方三個(gè)出索點(diǎn)的高度均可調(diào)整；模擬負(fù)載平臺(tái)500上的九個(gè)繩索連接點(diǎn)采用“上六下三”方案布局，其中，上面內(nèi)的六個(gè)連接點(diǎn)P1、P2、P3、P4、P5、P6兩兩一組分成三組，這三組連接點(diǎn)在上面內(nèi)的同一個(gè)圓上均勻分布，每組內(nèi)兩個(gè)連接點(diǎn)相對(duì)于所在分布圓圓心的夾角不小于3°且不超過(guò)40°，下面內(nèi)三個(gè)連接點(diǎn)沿分布圓均勻分布，且下面內(nèi)三個(gè)連接點(diǎn)P7、P8、P9分布相對(duì)上面內(nèi)三組連接點(diǎn)的中點(diǎn)分布無(wú)相位差，下面內(nèi)三個(gè)連接點(diǎn)相對(duì)其分布圓圓心位置與下方三個(gè)出索點(diǎn)相對(duì)其分布圓圓心位置的相位無(wú)偏差，但上面內(nèi)六個(gè)繩索連接點(diǎn)兩兩一組分成三組在其分布圓上相對(duì)圓心位置與上方六個(gè)出索點(diǎn)兩兩一組分成三組在其分布圓上相對(duì)圓心位置的相位偏差60°，下面內(nèi)三個(gè)連接點(diǎn)所在分布圓半徑R2和上面內(nèi)六個(gè)連接點(diǎn)所在分布圓半徑R1可以不相同，下面內(nèi)三個(gè)連接所在分布圓半徑R 2最小可以為零，但是上面內(nèi)六根連接點(diǎn)所在分布圓半徑R1始終大于零；九根繩索與模擬負(fù)載平臺(tái)的連接點(diǎn)可以直接位于模擬負(fù)載平臺(tái)上，也可以為模擬負(fù)載平臺(tái)加裝固定用外框架，九根繩索連接在外框架上，連接點(diǎn)的位置分布要求同上。繩索驅(qū)動(dòng)單元可以都安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)101上，也可以安裝在高立柱102、低立柱103或其他固定裝置上，以安裝方便且避免繩索之間的干涉為限定條件。
[0036]該模擬零重力及低重力環(huán)境的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置的傳感器系統(tǒng)包括力測(cè)量傳感器和長(zhǎng)度測(cè)量傳感器兩類，力測(cè)量傳感器的安裝測(cè)量分直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N，直接測(cè)量是指拉力傳感器350直接安裝在繩索330與模擬負(fù)載平臺(tái)500之間，如圖1，直接測(cè)得繩索330上拉力的大小，間接測(cè)量是指?jìng)鞲衅靼惭b在索的運(yùn)動(dòng)路徑中或驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)，如安裝在電機(jī)310和滾筒315之間的扭矩傳感器303，如圖2，間接測(cè)量得到繩索330上拉力的大小，這兩種測(cè)量索上拉力的方法可以同時(shí)使用也可以單獨(dú)使用，配合控制算法的設(shè)計(jì)使用；長(zhǎng)度測(cè)量傳感器的最終目標(biāo)是得到各個(gè)繩索330的長(zhǎng)度和模擬負(fù)載平臺(tái)500的位姿，長(zhǎng)度測(cè)量傳感器的測(cè)量方法有兩種，一種是安裝在每個(gè)索驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)內(nèi)部(如電機(jī)301端面或者滾筒315端面)的旋轉(zhuǎn)類長(zhǎng)度測(cè)量傳感器直接得到索的長(zhǎng)度進(jìn)而計(jì)算得到模擬負(fù)載平臺(tái)的位姿，另一種是直接安裝在基礎(chǔ)框架和模擬負(fù)載平臺(tái)之間的長(zhǎng)度測(cè)量傳感器測(cè)量長(zhǎng)度且傳感器的數(shù)量不少于6個(gè)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解算法得到模擬負(fù)載平臺(tái)的位姿和每根索的長(zhǎng)度，這兩種長(zhǎng)度測(cè)量傳感器可以同時(shí)使用也可以單獨(dú)使用，配合控制算法的設(shè)計(jì)使用；控制系統(tǒng)根據(jù)模擬裝置的安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)、力測(cè)量和長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到模擬負(fù)載平臺(tái)500的位姿、各個(gè)繩索330的長(zhǎng)度以及各個(gè)繩索330上的拉力，同時(shí)根據(jù)零重力或低重力環(huán)境的模擬要求，結(jié)合模擬負(fù)載平臺(tái)500的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、加速度)，計(jì)算出模擬零重力或低重力環(huán)境下模擬負(fù)載平臺(tái)500運(yùn)動(dòng)所需要每個(gè)繩索330施加到模擬負(fù)載平臺(tái)500上的拉力和長(zhǎng)度變化，并利用力和長(zhǎng)度測(cè)量傳感器結(jié)合繩索驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)的電機(jī)310和滾筒315調(diào)整每根繩索330的拉力和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)零重力或低重力環(huán)境的模擬。
[0037]如圖5，該模擬零重力及低重力環(huán)境的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置的控制系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)思想為，由所述長(zhǎng)度測(cè)量傳感器的數(shù)據(jù)直接測(cè)得每個(gè)繩索330的長(zhǎng)度或者根據(jù)間接測(cè)量得到的至少6個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)通過(guò)正解解算得到模擬負(fù)載平臺(tái)500的位姿參數(shù)和每個(gè)繩索330的長(zhǎng)度，分析在零重力或低重力環(huán)境下模擬負(fù)載平臺(tái)500處在該計(jì)算得到的位姿參數(shù)下所處的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、加速度)，然后通過(guò)索張緊力優(yōu)化分配算法計(jì)算為實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載平臺(tái)500在零重力或低重力環(huán)境下的受力和下一步運(yùn)動(dòng)每根繩索3300上應(yīng)施加的拉力，得到拉力和繩索的長(zhǎng)度變化指令，結(jié)合電機(jī)上的角度編碼器等位置傳感器以及裝置安裝的直接或間接力測(cè)量傳感器實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)繩索的拉力和長(zhǎng)度變化的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載平臺(tái)500在零重力或低重力環(huán)境下運(yùn)動(dòng)。
[0038]該模擬零重力及低重力環(huán)境的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置的繩索驅(qū)動(dòng)單元，所用電機(jī)310為伺服電機(jī)，可以采用力矩模式控制或者位置模式下的力位混合控制，電機(jī)功率的大小根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行選型，傳動(dòng)系統(tǒng)中可以引入行星齒輪等減速器的環(huán)節(jié)，降低對(duì)電機(jī)功率的要求；電機(jī)310的輸出端或者滾筒的一側(cè)端面可安裝旋轉(zhuǎn)式編碼器等轉(zhuǎn)角測(cè)量傳感器，以測(cè)量出滾筒315的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而得到繩索長(zhǎng)度變化的參數(shù)；繩索驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部可設(shè)計(jì)安裝扭矩傳感器303，以間接得到繩索拉力，以及用于電機(jī)的控制。本發(fā)明中提出的索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置內(nèi)的九根繩索可以同時(shí)采用力位混合控制模式進(jìn)行控制，也可以同時(shí)采用力控制模式進(jìn)行控制，還可以采用上方六根繩索采用力位混合控制模式甚至是位置控制模式而下方三根繩索采用力控制模式進(jìn)行控制。
[0039]該模擬零重力及低重力環(huán)境的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置能夠?qū)崿F(xiàn)模擬負(fù)載平臺(tái)500在零重力或低重力環(huán)境所受的干擾力的施加，干擾力的施加方法可以是分解到下方三根繩索上，也可以使用力分配算法分配到更多甚至全部繩索上。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，包括基礎(chǔ)框架、繩索(330)、繩索驅(qū)動(dòng)單元、繩索導(dǎo)向裝置、模擬負(fù)載平臺(tái)(500)、傳感器和控制系統(tǒng)，其中，繩索(330)共有九根，每根的一端連接在基礎(chǔ)框架上，另一端繞過(guò)繩索導(dǎo)向裝置后連接在模擬負(fù)載平臺(tái)(500)上，繩索驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)控制系統(tǒng)的指令控制繩索(330)的伸長(zhǎng)或縮短，傳感器測(cè)量每根繩索(330)上的拉力和位移以及模擬負(fù)載平臺(tái)(500)的位姿，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器測(cè)得的每根繩索(330)上的拉力和模擬負(fù)載平臺(tái)(500)的位姿數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)繩索(330)采取長(zhǎng)度或力控制以模擬出模擬負(fù)載平臺(tái)(500)在零重力或低重力環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，所述基礎(chǔ)框架包括基礎(chǔ)平臺(tái)(101)和安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)上的六根等高度的高立柱(102)及三根等高度的低立柱(103)，兩兩一組，分為三組，相鄰組之間的距離相等，三根低立柱(103)分別位于相鄰組的高立柱(102)之間的中點(diǎn)位置，在基礎(chǔ)平臺(tái)(101)上位于每根立柱的底端附近均安裝一套繩索驅(qū)動(dòng)單元，繩索驅(qū)動(dòng)單元包括電機(jī)(301)和連接電機(jī)(301)的滾筒(315)，在每根立柱的頂端均安裝一套繩索導(dǎo)向裝置，繩索導(dǎo)向裝置包括滑輪(325)，每根繩索(330)的一端連接在滾筒(315)上，另一端繞過(guò)滑輪(325)連接在模擬負(fù)載平臺(tái)(500)上，其中繞過(guò)滑輪(325)的點(diǎn)位為出索點(diǎn)，六根高立柱(102)所對(duì)應(yīng)的出索點(diǎn)在水平面內(nèi)的投影位于一個(gè)圓上，三根低立柱(103)所對(duì)應(yīng)的出索點(diǎn)在水平面內(nèi)的投影位于一個(gè)圓上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，所述傳感器包括力測(cè)量傳感器和長(zhǎng)度測(cè)量傳感器兩類，其中力測(cè)量傳感器由安裝在每根繩索(330)與模擬負(fù)載平臺(tái)(500)之間的拉力傳感器(350)和/或安裝在電機(jī)(301)與滾筒(315)之間的扭矩傳感器組成；長(zhǎng)度測(cè)量傳感器由安裝在電機(jī)(301)端面或者滾筒(315)端面的旋轉(zhuǎn)類長(zhǎng)度測(cè)量傳感器和/或安裝在基礎(chǔ)框架和模擬負(fù)載平臺(tái)(500)之間的數(shù)量不少于6個(gè)的長(zhǎng)度測(cè)量傳感器組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，所述九根繩索(330)中，繞過(guò)六根高立柱(102)上的繩索導(dǎo)向裝置的六根繩索(330)連接在模擬負(fù)載平臺(tái)(500)的上表面，且六個(gè)連接點(diǎn)位于同一個(gè)圓的圓周上且與相應(yīng)的六個(gè)出索點(diǎn)在水平面投影相對(duì)圓心相位偏差60°，同時(shí)，與六根高立柱(102)的分布相應(yīng)，所述六個(gè)連接點(diǎn)兩兩一組，分為三組，相鄰組之間的距離相等；繞過(guò)三根低立柱(103)上的繩索導(dǎo)向裝置的三根繩索(330)連接在模擬負(fù)載平臺(tái)(500)的下表面，且三個(gè)連接點(diǎn)在同一個(gè)圓的圓周上均勻分布且與相應(yīng)的三個(gè)出索點(diǎn)在水平面投影相對(duì)圓心無(wú)相位差，模擬負(fù)載平臺(tái)(500)下表面內(nèi)三個(gè)繩索連接點(diǎn)分布相對(duì)于上表面內(nèi)三組繩索連接點(diǎn)的中點(diǎn)分布無(wú)相位差，模擬負(fù)載平臺(tái)(500)上表面六個(gè)連接點(diǎn)所在圓半徑和下表面三個(gè)連接點(diǎn)所在圓半徑相同或者不同，且下表面三個(gè)連接點(diǎn)所在圓的半徑最小可以為零而上表面六根連接點(diǎn)所在圓的半徑始終大于零。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，同一組高立柱(102)內(nèi)部的兩個(gè)出索點(diǎn)相對(duì)投影分布圓圓心的夾角不小于3°且不超過(guò)40°，模擬負(fù)載平臺(tái)(500)上表面上同一組連接點(diǎn)相對(duì)圓心的夾角不小于3°且不超過(guò)40。。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4或5所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，所述滑輪(325)安裝于轉(zhuǎn)向架(321)上，轉(zhuǎn)向架(321)安裝于可沿立柱上下移動(dòng)的轉(zhuǎn)向架托架(320)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4或5所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，所述九根繩索(330)與模擬負(fù)載平臺(tái)(500)的連接點(diǎn)直接位于模擬負(fù)載平臺(tái)(500)上，或者位于加裝于模擬負(fù)載平臺(tái)(500)外的外框架上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，所述控制系統(tǒng)根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)參數(shù)、力測(cè)量和長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到模擬負(fù)載平臺(tái)(500)的位姿、各個(gè)繩索(330)的長(zhǎng)度以及各個(gè)繩索(330)上的拉力，同時(shí)根據(jù)零重力或低重力環(huán)境的模擬要求，結(jié)合模擬負(fù)載平臺(tái)(500)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算出模擬零重力或低重力環(huán)境下模擬負(fù)載平臺(tái)(500)運(yùn)動(dòng)所需要每個(gè)繩索(330)施加到模擬負(fù)載平臺(tái)(500)上的拉力和長(zhǎng)度變化，并利用力和長(zhǎng)度測(cè)量傳感器結(jié)合繩索驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)的電機(jī)(310)和滾筒(315)調(diào)整每根繩索(330)的拉力和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)零重力或低重力環(huán)境的模擬。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，所述九根繩索(330)同時(shí)采用力位混合控制模式進(jìn)行控制，或者同時(shí)采用力控制模式進(jìn)行控制，或者采用上方六根繩索(330)采用力位混合控制模式而下方三根繩索(330)采用力控制模式進(jìn)行控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述模擬零重力和低重力的九索驅(qū)動(dòng)機(jī)器人裝置，其特征在于，將干擾力分解到下方三根繩索上或分配到更多繩索上，實(shí)現(xiàn)干擾力模擬。
【文檔編號(hào)】B64G7/00GK104477420SQ201410584138
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】唐曉強(qiáng), 邵珠峰, 王偉方, 汪勁松, 曹凌, 季益中, 田斯慧, 李煜琦 申請(qǐng)人:清華大學(xué)