一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置及其工作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置及其工作方法。通过采用串联自由度机构与并联自由度机构相结合的方式实现空间中五自由度的运动，可在正常重力场内实现五个自由度的运动，模拟横向超重、侧向超重、侧向失重、纵向超重、纵向失重等状态。该发明不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为全面的优势。合理的分解自由度，既使机构实现五自由度的运动，又使运动控制简化；实现了空间多功能，多姿态的综合，使训练更加合理、全面。
【专利说明】一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置及其工作方法，具体就是采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟，可分别模拟横向超重、侧向超重、侧向失重、纵向超重、纵向失重等状态，属于深空探测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着国家经济实力和综合国力的增强，越来越多的国家增大了对地球外太空的探索力度；深空探测不仅仅给人类提供一面审视自己的镜子，更给我们带来全新的技术、推动科技进步、彰显综合国力。
[0003]目前，常用的载人航天地面模拟训装置有三类:一类是针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的设备；另一类是为航天员训练航天作业所用的各种飞行模拟器；还有一类是建立各种舱体，内有模拟航天器内部环境的模拟设备。模拟航天中所遇到的特殊环境的模拟训练装置较多。例如，有模拟超重环境的人用离心机，也称人工重力环境模拟器，其超重过载值可根据需要而变，以考验被试者抗重力过载负荷能力；模拟失重环境的失重飞机和模拟失重感觉的大水池；模拟载人航天器着陆冲击时产生冲击力的“冲击塔”等。
[0004]目前国内外对于并联机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析和优化设计以及有限元分析等问题己经有了较为广泛的研究，取得了很多研究成果。20世纪后期，美国波音公司采用并联自由度平台，开发了一款飞行模拟器Flight Simulator OfBoeing737-400，该模拟器可以承担90%的飞行训练任务，而每小时的训练费用仅仅是实际空中飞行的1/40-1/10，效果显著，该模拟器采用并联结构，具有刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，除此之外，并联机构由于运动零件少，有效地改善了伺服控制系统的动态品质，进而允许动平台获得很高的速度和加速度，特别适用于高速控制的场合。
[0005]然而并联自由度机构的巨大优势并不能掩盖串联自由度机构所拥有的独特长处。相较于并联自由度机构，串联自由度机构，在对预期功能进行认真分析的基础上，可将总功能分解为若干个分功能，化繁为简，将总功能分解为易于实现的分功能。根据各子机构的特点，按串联方式进行机构组合从而得到多种机构创新设计方案；再者，串联自由度机构中各个自由度相互独立，无耦合关系，易于控制，可大大简化工作计算量。基于混联五自由度的深空探测模拟系统，不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为全面的优势。
[0006]随着并联机床和并联机构运动模拟器应用领域的扩大，运动精度的提高，并联机构及混联机构应用越来越广泛，与其相关的动力学问题具有很大发展潜力。从控制角度出发，旨在研究并联机器人与混联机构的性能方面的动力学问题，解决控制系统的反馈、稳定及耦合等方面的问题成为研究发展趋势。
【发明内容】
[0007]为了充分发挥并联机构和串联机构的优点，本发明提供了一种基于混联五自由度 的深空探测模拟系统，它不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大 等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具 备更为全面的优势。运用差速器原理实现两个旋转自由度，结构紧凑；基于底部步进电机实 现另一个旋转自由度；基于串联二自由度的移动平台，运动平稳，安全可靠；合理的分解自 由度，即使机构实现五自由度的运动，又使运动控制简化；实现了空间多功能，多姿态的综 合，使训练更加合理、全面。
[0008]本发明针对现有技术的问题，提出了一种新的技术方案:一种基于混联五自由度 的深空探测模拟训练装置是一种采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进 行模拟的设备，它包括上平台和下平台两个部分，上下两个平台通过螺栓联接而成。上平台 为实现转载平台三个旋转自由度(绕X轴旋转、绕y轴旋转、绕z轴旋转)的并联运动机构， 它包括转载平台、差速器装置、右部驱动装置、左部驱动装置和底部驱动装置；下平台为实 现转载平台两个移动自由度(X方向移动、y方向移动)的串联运动机构，它包括X向位移调 节装置和Y向位移调节装置。
[0009]其特征在于通过采用串联自由度机构与并联自由度机构相结合的方式实现空间 中五自由度的运动，可在正常重力场内实现五个自由度的运动，模拟横向超重、侧向超重、 侧向失重、纵向超重、纵向失重等状态。所述转载平台位于整个装置的最上方，通过转载平 台回转轴与差速器装置连接，底部步进电机、左部步进电机和右部步进电机的不同工作状 态会引起差速器装置的不同运动状态，从而实现转载平台的三个自由度的旋转(绕X轴旋 转、绕y轴旋转、绕z轴旋转);X向位移调节装置和Y向位移调节装置能实现转载平台的两个 移动自由度(X方向移动、y方向移动)。差速器装置由两个差速器小锥齿、两个差速器大锥 齿、小锥齿轮固定轴和差速器外壳组成。所述右部驱动装置包括外壳轴承、半轴轴承、半轴 套筒、右半轴、旋转支架、垫片、轴用挡圈、上部大直齿、轴端垫片、弹簧垫片、螺杆、上部小直 齿、电机支座1、右部步进电机和电机支座II。所述左部驱动装置的结构与右部驱动装置完 全相同，关于转载平台回转轴对称分布。所述底部驱动装置包括旋转底盘、底部电机支座、 底部小直齿、底部大直齿、旋转轴套筒、下平台连接平板、旋转轴轴承、轴用挡圈、旋转轴、轴 套1、孔用挡圈、轴套I1、法兰盘、带孔销、开口销和底部步进电机。上平台通过下平台连接 平板与下平台进行连接。所述的下平台为串联运动机构，包括X向位移调节装置和Y向位 移调节装置。通过X向位移调节装置实现X方向的横向移动，通过Y向位移调节装置实现 y方向的纵向移动。
[0010]具体技术方案如下:
[0011]本发明针对现有技术的问题，提出了一种新的技术方案:一种基于混联五自由度 的深空探测模拟训练装置是一种采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进 行模拟的设备，它包括上平台和下平台两个部分，上下两个平台通过螺栓联接而成。上平台 为实现转载平台三个旋转自由度(绕X轴旋转、绕y轴旋转、绕z轴旋转)的并联运动机构， 它包括转载平台、差速器装置、右部驱动装置、左部驱动装置和底部驱动装置；下平台为实 现转载平台两个移动自由度(X方向移动、y方向移动)的串联运动机构，它包括X向位移调 节装置和Y向位移调节装置。[0012]其特征在于通过采用串联自由度机构与并联自由度机构相结合的方式实现空间中五自由度的运动，可在正常重力场内实现五个自由度的运动，模拟横向超重、侧向超重、侧向失重、纵向超重、纵向失重等状态。所述转载平台位于整个装置的最上方，通过转载平台回转轴与差速器装置连接，底部步进电机、左部步进电机和右部步进电机的不同工作状态会引起差速器装置的不同运动状态，从而实现转载平台的三个自由度的旋转(绕X轴旋转、绕I轴旋转、绕Z轴旋转)；X向位移调节装置和Y向位移调节装置能实现转载平台的两个移动自由度(X方向移动、y方向移动)。差速器装置由两个差速器小锥齿、两个差速器大锥齿、小锥齿轮固定轴和差速器外壳组成。两个差速器小锥齿分布于差速器装置的上部和下部，两个差速器大锥齿分布于差速器装置的左部和右部，差速器小锥齿和差速器大锥齿交替排列。两个差速器大锥齿左端和右端分别通过左半轴和右半轴连接，而后通过螺纹连接在上部大直齿上。左右两侧为对称结构，结构完全相同。所述右部驱动装置包括外壳轴承、半轴轴承、半轴套筒、右半轴、旋转支架、垫片、轴用挡圈、上部大直齿、轴端垫片、弹簧垫片、螺杆、上部小直齿、电机支座1、右部步进电机和电机支座II。其中右半轴由其左右两端各两个半轴轴承来支撑定位。外壳轴承来对差速器外壳进行支撑定位。在右半轴的外侧套有半轴套筒。转支架在右半轴的最外侧，通过轴端垫片、弹簧垫片和螺杆与上部大直齿螺纹连接。上部大直齿与上部小直齿外啮合，上部小直齿与右部步进电机的输出轴键连接。右部步进电机固定在电机支座I上，两者的整体再通过电机支座II固接在机架上。所述左部驱动装置的结构与右部驱动装置完全相同，关于转载平台回转轴对称分布。所述底部驱动装置包括旋转底盘、底部电机支座、底部小直齿、底部大直齿、旋转轴套筒、下平台连接平板、旋转轴轴承、轴用挡圈、旋转轴、轴套1、孔用挡圈、轴套I1、法兰盘、带孔销、开口销和底部步进电机。旋转底盘与右部驱动装置和左部驱动装置固联。旋转轴通过法兰盘与旋转底盘连接。旋转轴通过四个旋转轴轴承来支撑定位，在旋转轴的外侧套有旋转轴套筒。底部大直齿与旋转轴通过带孔销和开口销进行连接。底部大直齿与底部小直齿外啮合。底部小直齿与底部步进电机的输出轴键连接。底部步进电机固定在底部步进电机支座上。上平台通过下平台连接平板与下平台进行连接。所述的下平台为串联运动机构，包括X向位移调节装置和Y向位移调节装置。X向位移调节装置位于Y向位移调节装置的下方，两者的中心轴线相互垂直，运动相互独立，没有干涉，可以单独控制。X向位移调节装置，通过脉冲控制其顶端的步进电机，来驱动其底板在导轨上移动，以此来实现X方向的横向移动。Y向位移调节装置，通过脉冲控制其顶端的步进电机，来驱动其底板在导轨上来回移动，以此来实现y方向的横向移动。
[0013]基于混联五自由度的深空探测模拟系统，不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为全面的优势。运用差速器原理实现两个旋转自由度，结构紧凑；基于底部步进电机实现另一个旋转自由度；基于串联二自由度的移动平台，运动平稳，安全可靠；合理的分解自由度，既使机构实现五自由度的运动，又使运动控制简化；实现了空间多功能，多姿态的综合，使训练更加合理、全面。使用步进电机可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，通过控制电动机各相绕组的通电顺序来控制转动方向。[0014]本发明还公开了该基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置的工作方法，包 括:
[0015]当底部步进电机单独工作时，带动底部小直齿转动，通过齿轮传动，底部大直齿转 动，实现了装载平台单纯的z方向的旋转运动；
[0016]当右部步进电机和左部步进电机同方向同转速转动时，并且底部步进电机不工 作，右半轴和左半轴同方向同转速转动，实现了装载平台单纯的y方向的旋转运动；
[0017]当右部步进电机和左部步进电机反方向同转速转动时，并且底部步进电机不工 作，右半轴和左半轴反方向同转速转动时，实现了装载平台单纯的X方向的旋转运动；
[0018]当调节X向位移调节装置时，装载平台就实现了沿X方向的横向移动；当调节Y向 位移调节装置时，装载平台就实现了沿y方向的横向移动；
[0019]当右部步进电机和左部步进电机以任意转速任意方向转动时，并且底部步进电 机，X向位移调节装置和Y向位移调节装置也同时工作时，装载平台就实现了绕X轴、y轴和 z轴旋转以及沿X轴和y轴移动的五个自由度的运动。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]下面结合附图和实施图例对本发明作进一步描述。
[0021]图1为本发明模拟训练装置的正视图；
[0022]图2为本发明模拟训练装置的斜视图；
[0023]图3为本发明的下平台的示意图；
[0024]图4为本发明的上平台的运动简图；
[0025]图5为本发明的左、右半轴的运动简图；
[0026]图6为本发明的控制系统流程图。
[0027]附图中的图例说明:
[0028]1-差速器外壳2_差速器小维齿3—差速器大维齿4一转载平台回转轴5— 小锥齿固定轴 6—外壳轴承 7—半轴轴承 8—半轴套筒 9 一右半轴10—旋转支架 11一垫片 12—轴用挡圈 13—上部大直齿14一轴端垫片 15—弹簧垫片 16—螺杆 17—上部小直齿 18—电机支座I 19一右部步进电机 20—电机支座II 21—旋转底 盘22—底部电机支座 23—底部小直齿24—底部大直齿25—旋转轴套筒26—下平 台连接平板27—旋转轴轴承28—轴用挡圈29—旋转轴30—轴套I 31—孔用挡圈 32—轴套II 33—法兰盘34—带孔销 35—开口销 36—转载平台37—底部步进电 机 38—左部步进电机 39—左半轴 40 — X向位移调节装置 41一 Y向位移调节装置 42一差速器装置43—右部驱动装置44一左部驱动装置45—底部驱动装置46-上平 台47—下平台
【具体实施方式】
[0029]本发明的基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置是一种采用混联机构相结 合的针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的设备，图1和图2分别示出了本发明模拟训 练装置的正视图和斜视图，模拟训练装置包括上平台46和下平台47两个部分，上下两个平 台通过螺栓联接而成。上平台46为实现转载平台36三个旋转自由度(绕X轴旋转、绕y轴旋转、绕Z轴旋转)的并联运动机构，它包括转载平台36、差速器装置42、右部驱动装置43、左部驱动装置44和底部驱动装置45 ;下平台47为实现转载平台36两个移动自由度(x方向移动、y方向移动)的串联运动机构，它包括X向位移调节装置40和Y向位移调节装置41，参见图3。
[0030]本发明通过采用串联自由度机构与并联自由度机构相结合的方式实现空间中五自由度的运动，可在正常重力场内实现五个自由度的运动，模拟横向超重、侧向超重、侧向失重、纵向超重、纵向失重等状态。根据系统的负载特性，运动特性及控制精度要求，选用五台步进电机作为系统的驱动元件，通过单电机或多电机的组合使系统实现混联五自由度运动。根据系统运动的复杂程度，和要求能够发出多路不同频率且相互不干扰的脉冲波，选用MC9S12XS128作为控制器的核心处理器，通过设置其PWM来控制电机。所述转载平台36位于整个装置的最上方，通过转载平台回转轴4与差速器装置42连接，底部步进电机37、左部步进电机38和右部步进电机19的不同工作状态会引起差速器装置42的不同运动状态，从而实现转载平台36的三个自由度的旋转(绕X轴旋转、绕I轴旋转、绕z轴旋转)；X向位移调节装置和Y向位移调节装置能实现转载平台36的两个移动自由度(X方向移动、y方向移动)。动力由差速器装置42传至转载平台回转轴4再到转载平台36。航天员手握转载平台36就可以用来进行深空探测模拟。差速器装置42由两个差速器小锥齿2、两个差速器大锥齿3、小锥齿轮固定轴5和差速器外壳I组成。两个差速器小锥齿2分布于差速器装置42的上部和下部，两个差速器大锥齿3分布于差速器装置42的左部和右部，差速器小锥齿2和差速器大锥齿3交替排列。两个差速器大锥齿3左端和右端分别通过左半轴39和右半轴9连接，它们的动力是由左半轴39和右半轴9传递过来的。而后通过螺纹连接在上部大直齿13上。左右两侧为对称结构，结构完全相同。运用差速器原理来实现两个旋转自由度，其优点是占用空间小、结构紧凑和稳定性好。所述右部驱动装置43包括外壳轴承6、半轴轴承7、半轴套筒8、右半轴9、旋转支架10、垫片U、轴用挡圈12、上部大直齿13、轴端垫片14、弹簧垫片15、螺杆16、上部小直齿17、电机支座118、右部步进电机19和电机支座1120。其中右半轴9由其左右两端各两个半轴轴承7来支撑定位。外壳轴承6来对差速器外壳I进行支撑定位。在右半轴9的外侧套有半轴套筒8。旋转支架10在右半轴9的最外侧，将半轴套筒8固定。右半轴9通过轴端垫片14、弹簧垫片15和螺杆16与上部大直齿13螺纹连接。上部大直齿13与上部小直齿17外啮合，上部小直齿17与右部步进电机19的输出轴键连接。右部步进电机19固定在电机支座118上，两者的整体再通过电机支座1120固接在机架上。右部的动力由右部步进电机19传给上部小直齿17，再传给上部大直齿13，再传给右半轴9，再传给差速器装置42中的差速器大锥齿3，再传给差速器小锥齿2，再传给转载平台36。所述左部驱动装置44的结构与右部驱动装置43完全相同，关于转载平台回转轴4对称分布。所述底部驱动装置45包括旋转底盘21、底部电机支座22、底部小直齿23、底部大直齿24、旋转轴套筒25、下平台连接平板26、旋转轴轴承27、轴用挡圈28、旋转轴29、轴套130、孔用挡圈31、轴套1132、法兰盘33、带孔销34、开口销35和底部步进电机37。旋转底盘21与右部驱动装置43和左部驱动装置44固联。旋转轴29通过法兰盘33与旋转底盘21连接。旋转轴29通过四个旋转轴轴承27来支撑定位，在旋转轴29的外侧套有旋转轴套筒25。底部大直齿24与旋转轴29通过带孔销34和开口销35进行连接。底部大直齿24与底部小直齿23外啮合。底部小直齿23与底部步进电机37的输出轴键连接。底部步进电机37固定在底部电机支座22上。上平台46采用并联机构的优点刚度大， 承载能力强，精度高，末端件惯性小。上平台46通过下平台连接平板26与下平台47进行 连接。
[0031]所述的下平台47 (参见图3)为串联运动机构，包括X向位移调节装置40和Y向 位移调节装置41。X向位移调节装置40位于Y向位移调节装置41的下方，两者的中心轴 线相互垂直，运动相互独立，没有干涉，可以单独控制。X向位移调节装置40，通过脉冲控 制其顶端的步进电机，来驱动其底板在导轨上移动，以此来实现X方向的横向移动。Y向位 移调节装置41，通过脉冲控制其顶端的步进电机，来驱动其底板在导轨上来回移动，以此来 实现y方向的横向移动。下平台47是基于串联二自由度的移动平台的优点是结构简单，成 本低，控制简单，运动范围大，运动平稳，安全可靠等。
[0032]基于混联五自由度的深空探测模拟系统通过合理的分解自由度，既使机构实现五 自由度的运动，又使运动控制简化；实现了空间多功能，多姿态的综合，使训练更加合理、全 面。
[0033]图4为本发明的上平台46的运动简图，其只是简略地示出了本发明的基于混联五 自由度的深空探测模拟系统的工作流程，具体的工作方法如下:
[0034](I)初始状态就是步进电机不工作，无动力输出时的状态。系统上电初始化后，查 询按键状态，确定执行哪个模式。
[0035](2)当底部步进电机37接收到脉冲信号单独工作时，带动底部小直齿23转动，通 过齿轮传动，底部大直齿24转动，动力再经过旋转轴29和法兰盘33传到旋转底盘21，使旋 转底盘21开始转动，同时带动除了旋转轴套筒25和下平台连接平板26外的所有构件将整 体绕着图4中标示的轴3旋转，我们选定轴3方向即竖直方向为z方向，即装载平台36实 现了单纯的z方向的旋转运动。
[0036](3)当右部步进电机19和左部步进电机38接收到脉冲信号同方向同转速转动时， 此时也就是两个步进电机共模输入(如图5 Ca)所示)，并且底部步进电机37不工作，动力 传到上部小直齿17，上部小直齿17与上部大直齿13外啮合，动力通过齿轮传动传到上部 大直齿13。由于上部大直齿13与半轴(右半轴9和左半轴39)通过轴端垫片14、弹簧垫片 15、和螺杆16与上部大直齿13螺纹连接，动力便传到右半轴9和左半轴39，使得右半轴9 和左半轴39同方向同转速转动时(电机共模输入)，转载平台36，差速器装置42将绕着右 半轴9和左半轴39的中心轴线(即图4中标示的轴2)旋转，我们选定右半轴9和左半轴39 的中心轴线为y方向，即此时装载平台36实现了单纯的y方向的旋转运动。
[0037](4)当右部步进电机19和左部步进电机38接收到脉冲信号反方向同转速转动时， 此时也就是两个步进电机差模输入(如图5 (b)所示)，并且底部步进电机37不工作，动力 传到上部小直齿17，上部小直齿17与上部大直齿13外啮合，动力通过齿轮传动传到上部 大直齿13。由于上部大直齿13与半轴(右半轴9和左半轴39)通过轴端垫片14、弹簧垫片
15、和螺杆16与上部大直齿13螺纹连接，动力便传到右半轴9和左半轴39，使得右半轴9 和左半轴39反方向同转速转动时(电机差模输入)，转载平台回转轴4静止不动，差速器大 锥齿3和半轴套筒8将绕着其自身轴线旋转，当此轴线旋转到与z和y方向都垂直(即X方 向)时，即此时装载平台36实现了单纯的X方向的旋转运动。
[0038](5)当右部步进电机19和左部步进电机38接收到脉冲信号以任意转速任意方向转动时(如图5 (c)所示)，并且底部步进电机37不工作，动力传到上部小直齿17，上部小直齿17与上部大直齿13外啮合，动力通过齿轮传动传到上部大直齿13。由于上部大直齿13与半轴(右半轴9和左半轴39)通过轴端垫片14、弹簧垫片15、和螺杆16与上部大直齿13螺纹连接，动力便传到右半轴9和左半轴39，再传到差速器装置42。由于右部步进电机19和左部步进电机38输出的是任意方向的转速，我们即可以将速度分解为一组共模速度和一组差模速度，此时共模速度使得装载平台36绕y轴旋转，而差模速度使得装载平台36绕其自身轴线(即图4中标示的轴I)旋转，当此轴线旋转到与z和y方向都垂直(即X方向)时，装载平台36绕X轴旋转。即此时装载平台36实现了绕X轴和y轴同时旋转的运动。
[0039](6)当右部步进电机19和左部步进电机38接收到脉冲信号以任意转速任意方向转动时(如图5 (c)所示)，并且底部步进电机37也同时工作时，装载平台36就实现了绕X轴、y轴和z轴同时旋转的运动。
[0040](7)当左右调节下平台47的X向位移调节装置40时，装载平台36就实现了沿x方向的横向移动，通过测距传感器控制运动量，防止底座相撞。
[0041](8)当前后调节下平台47的Y向位移调节装置41时，装载平台36就实现了沿y方向的横向移动，通过测距传感器控制运动量，防止底座相撞。
[0042](9)当右部步进电机19和左部步进电机38接收到脉冲信号以任意转速任意方向转动时(如图5 (C)所示)，并且底部步进电机37，X向位移调节装置40和Y向位移调节装置41也同时工作时，装载平台36就实现了绕X轴、y轴和z轴旋转以及沿x轴和y轴移动的五个自由度的运动。
[0043]图6为本发明的控制系统流程图，通过该控制系统来控制绕X轴、y轴和z轴旋转以及沿X轴和I轴移动的五个自由度的运动。该装置开始运行后，外部中断及定时器中断初始化，通过查询按键状态，判断是哪个模式。定时器中断允许，控制器发出脉冲，控制相应的驱动电机进行工作，并通过数码管显示，检测速度的大小和方向，重新反馈给系统，以此来实现以上所述的工作方法。
[0044]本发明的关键点和欲保护点
[0045]“基于混联五自由度的深空探测模拟系统”不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为全面的优势。运用差速器原理实现两个旋转自由度，结构紧凑；基于底部步进电机实现另一个旋转自由度；基于串联二自由度的移动平台，运动平稳，安全可靠；合理的分解自由度，既使机构实现五自由度的运动，又使运动控制简化；实现了空间多功能，多姿态的综合，使训练更加合理、全面。
[0046](I)本发明是一种采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的设备，它包括上平台46和下平台47两个部分，上下两个平台通过螺栓联接而成。上平台46为转载平台36实现三个旋转自由度(绕X轴旋转、绕I轴旋转、绕z轴旋转)的并联运动机构，它包括转载平台36、差速器装置42、右部驱动装置43、左部驱动装置44和底部驱动装置45 ;下平台47为转载平台36实现两个移动自由度(X方向移动、y方向移动)的串联运动机构，它包括X向位移调节装置40和Y向位移调节装置41。这样不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点，还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为全面的优势。[0047](2)差速器装置42由两个差速器小锥齿2、两个差速器大锥齿3、小锥齿轮固定轴 5和差速器外壳I组成。两个差速器小锥齿2分布于差速器装置42的上部和下部，两个差 速器大锥齿3分布于差速器装置42的左部和右部，差速器小锥齿2和差速器大锥齿3交替 排列。两个差速器大锥齿3左端和右端分别通过左半轴39和右半轴9连接，而后通过螺纹 连接在上部大直齿13上。左右两侧为对称结构，结构完全相同。运用差速器原理实现两个 旋转自由度，结构紧凑。
[0048](3)本发明使用的电机为步进电机包括右部步进电机19、左部步进电机38和底部 步进电机37。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可 以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，通过控制电 动机各相绕组的通电顺序来控制转动方向。所以整个系统在不采用闭环控制的情况下，位 移控制精度可以达到100%。
[0049]本发明的优点
[0050]随着并联机床和并联机构运动模拟器应用领域的扩大，运动精度的提高，并联机 构及混联机构应用越来越广泛，与其相关的动力学问题具有很大发展潜力。从控制角度出 发，旨在研究并联机器人与混联机构的性能方面的动力学问题，解决控制系统的反馈、稳 定及耦合等方面的问题成为研究发展趋势。
[0051]本发明是一种采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的 设备，可在正常重力场内实现五个自由度的运动，模拟横向超重、侧向超重、侧向失重、纵向 超重、纵向失重等状态。出发点是随着“嫦娥系列”登月计划的推进，以简单、稳定、低成本、 易控制的特点制作航天员深空探测模拟训练装置，可结合视景系统在地面模拟太空中飞行 条件和实际载人航天器运动状态，为航天员提供运动感觉、视觉、听觉和超重负荷等各种感 觉，模拟训练装置可使飞行员在真正进入太空前接受科学合理的模拟训练，使其提前适应 飞离地球时的特殊环境，提高在真实太空环境中的安全保障及作业效率。它的应用价值及 市场前景体现在以下几个方面:飞行员、航天员的选拔和培训；动感影院的体验装置，座椅 运动与电影情节同步使观众身临其境；娱乐体育设施，既使人们感受太空运动，又有利于全 民健康；模拟驾驶。
[0052]本发明不仅可以利用串联机器结构简单，成本低，控制简单，运动范围大等优点， 还可以结合并联机器刚度大，承载能力强，精度高，末端件惯性小等优点，使机构具备更为 全面的优势。运用差速器原理实现两个旋转自由度，结构紧凑；基于底部步进电机实现另一 个旋转自由度；基于串联二自由度的移动平台，运动平稳，安全可靠；合理的分解自由度， 既使机构实现五自由度的运动，又使运动控制简化；实现了空间多功能，多姿态的综合，使 训练更加合理、全面。使用步进电机可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确 定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速 的目的，通过控制电动机各相绕组的通电顺序来控制转动方向。
【权利要求】
1.一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置，其特征在于，它是一种采用混联机构相结合的针对航天中所遇到的特殊环境进行模拟的设备，包括上平台(46)和下平台(47)两个部分，上平台(46)和下平台(47)通过螺栓联接而成，它通过采用串联自由度机构与并联自由度机构相结合的方式实现空间中五自由度的运动，能够在正常重力场内实现五个自由度的运动，模拟横向超重、侧向超重、侧向失重、纵向超重、纵向失重等状态；其中，上平台(46)为实现转载平台(36)三个旋转自由度的并联运动机构，其中，三个旋转自由度分别为绕X轴旋转、绕y轴旋转、绕z轴旋转，上平台(46)包括转载平台(36)、 差速器装置(42 )、右部驱动装置(43 )、左部驱动装置(44 )和底部驱动装置(45 );下平台(47 )为实现转载平台(36 )两个移动自由度的串联运动机构，其中，两个移动自由度分别为X方向移动、y方向移动，下平台(47)包括X向位移调节装置(40)和Y向位移调节装置(41);通过X向位移调节装置(40)实现X方向的横向移动，通过Y向位移调节装置(41)实现y方向的纵向移动。
2.如权利要 求1所述的一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置，其中，转载平台(36)位于整个装置的最上方，通过转载平台回转轴(4)与差速器装置(42)连接，底部步进电机(37 )、左部步进电机(38 )和右部步进电机(19 )的不同工作状态会弓I起差速器装置(42)的不同运动状态，从而实现转载平台(36)的绕X轴旋转、绕y轴旋转以及绕 z轴旋转的三个自由度的旋转；X向位移调节装置(40)和Y向位移调节装置(41)能实现转载平台(36)的X方向移动和y方向移动的两个移动自由度。
3.如权利要求1或2所述的一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置，其中，差速器装置(42)由两个差速器小锥齿(2)、两个差速器大锥齿(3)、小锥齿轮固定轴(5)和差速器外壳(I)组成；两个差速器小锥齿(2)分布于差速器装置(42)的上部和下部， 两个差速器大锥齿(3 )分布于差速器装置(42 )的左部和右部，差速器小锥齿(2 )和差速器大锥齿(3)交替排列；两个差速器大锥齿(3)左端和右端分别通过左半轴(39)和右半轴(9) 连接，而后通过螺纹连接在上部大直齿(13)上；左右两侧为对称结构，结构完全相同。
4.如权利要求1至3中任一项所述的一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置，其中，右部驱动装置(43 )包括外壳轴承(6 )、半轴轴承(7 )、半轴套筒(8 )、右半轴(9 )、旋转支架(10)、垫片(11)、轴用挡圈(12)、上部大直齿(13)、轴端垫片(14)、弹簧垫片(15)、螺杆(16)、上部小直齿(17)、电机支座I (18)、右部步进电机(19)和电机支座II (20);其中右半轴(9)由其左右两端各两个半轴轴承(7)来支撑定位；外壳轴承(6)来对差速器外壳(I) 进行支撑定位；在右半轴(9)的外侧套有半轴套筒(8);旋转支架(10)在右半轴(9)的最外侧，将半轴套筒(8 )固定；右半轴(9 )通过轴端垫片(14)、弹簧垫片(15 )和螺杆(16 )与上部大直齿(13)螺纹连接；上部大直齿(13)与上部小直齿(17)外啮合，上部小直齿(17)与右部步进电机(19)的输出轴键连接；右部步进电机(19)固定在电机支座I (18)上，两者的整体再通过电机支座II (20)固接在机架上；右部的动力由右部步进电机(19)传给上部小直齿(17 )，再传给上部大直齿(13 )，再传给右半轴(9 )，再传给差速器装置(42 )中的差速器大锥齿(3)，再传给差速器小锥齿(2)，再传给转载平台(36);左部驱动装置(44)的结构与右部驱动装置(43 )完全相同，关于转载平台回转轴(4 )对称分布。
5.如权利要求1至4中任一项所述的一种基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置，其中，底部驱动装置(45)包括旋转底盘(21)、底部电机支座(22)、底部小直齿(23)、底部大直齿(24)、旋转轴套筒(25)、下平台连接平板(26)、旋转轴轴承(27)、轴用挡圈(28)、旋转轴(29)、轴套I (30)、孔用挡圈(31)、轴套II (32)、法兰盘(33)、带孔销(34)、开口销(35) 和底部步进电机(37);旋转底盘(21)与右部驱动装置(43)和左部驱动装置(44)固联；旋转轴(29)通过法兰盘(33)与旋转底盘(21)连接；旋转轴(29)通过四个旋转轴轴承(27) 来支撑定位，在旋转轴(29 )的外侧套有旋转轴套筒(25 );底部大直齿(24)与旋转轴(29 )通过带孔销(34)和开口销(35)进行连接；底部大直齿(24)与底部小直齿(23)外啮合；底部小直齿(23)与底部步进电机(37)的输出轴键连接；底部步进电机(37)固定在底部电机支座(22)上；上平台(46)通过下平台连接平板(26)与下平台(47)进行连接。
6.一种如权利要求1至5之一所述的基于混联五自由度的深空探测模拟训练装置的工作方法，包括:当底部步进电机(37)单独工作时，带动底部小直齿(23)转动，通过齿轮传动，底部大直齿(24)转动，实现了装载平台(36)单纯的z方向的旋转运动；当右部步进电机(19)和左部步进电机(38)同方向同转速转动时,并且底部步进电机 (37 )不工作，右半轴(9 )和左半轴(39 )同方向同转速转动，实现了装载平台(36 )单纯的y 方向的旋转运动；当右部步进电机(19)和左部步进电机(38)反方向同转速转动时,并且底部步进电机(37)不工作，右半轴(9)和左半轴(39)反方向同转速转动时，实现了装载平台(36)单纯的 X方向的旋转运动；当调节X向位移调节装置(40)时，装载平台(36)就实现了沿X方向的横向移动；当调节Y向位移调节装置(41)时，装载平台(36)就实现了沿y方向的横向移动；当右部步进电机(19)和左部步进电机(38)以任意转速任意方向转动时，并且底部步进电机(37)，X向位移调节装置(40)和Y向位移调节装置(41)也同时工作时，装载平台(36)就实现了绕X 轴、y轴和z轴旋转以及沿X轴和y轴移动的五个自由度的运动。
【文档编号】G09B9/12GK103440796SQ201310334082
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2013年8月2日
【发明者】张邦基, 金秋谈, 张农, 贺行, 达兴鹏, 彭景福, 赵浩 申请人:湖南大学