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  • 一種主被動混合驅動自適應重力卸載宇航員地面訓練系統的制作方法

    文檔序號:26100851發布日期:2021-07-30 18:11
    一種主被動混合驅動自適應重力卸載宇航員地面訓練系統的制作方法

    本發明屬于航空航天微低重力模擬、體育訓練、健身娛樂、機械工程等技術領域,具體涉及一種主被動混合驅動自適應重力卸載宇航員地面訓練系統。



    背景技術:

    我國載人航天工程發展迅速,空間站建設、在軌建造、在軌維護等需要更多的宇航員進入太空;國際上nasa宣布了載人登陸火星計劃,spacex推出私人運載與星際旅行計劃等,人類的活動逐步拓展到太空。太空的微低重力環境會對人體造成種種負面影響,包括平衡能力變差、肢體運動模式改變、肌肉萎縮等,嚴重影響宇航員的安全、健康和工作效能。為了保證宇航員在空間環境下的健康與效能,確保載人航天任務的順利完成,在地面模擬微低重力環境并進行宇航員訓練尤為重要,我國迫切需要面向微低重力模擬訓練的技術和器械。目前常用的拋物線飛行法、中性浮力法、氣浮法等都不同程度地存在成本高、持續時間短、液體阻力大、空間運動受限等缺點。而懸吊法通過給人體施加若干通過其質心的集中力來抵消全部或部分重力,更為重要的是可以實現復雜的三維空間運動,是目前相對理想的面向人體的卸載方法。但是現有的懸吊系統大都采用單索或少索方案,缺乏多吊點的分布式卸載分析與設計,這必然使得宇航員訓練時存在附加關節力,觸發肌肉力量,從而導致宇航員的微低重力沉浸感降低;同時目前針對單一運動模式的訓練設備較多,如直立行走、跳躍運動等,缺乏面向宇航員自主多運動模式的連續適應性重力卸載訓練裝備的研究。



    技術實現要素:

    基于上述技術問題,本發明的目的在于針對人體連續質量特征提供一種主被動混合驅動自適應重力卸載宇航員地面訓練系統,實現宇航員多姿態、多運動模式、高仿真、高沉浸感和長時間的地面微低重力環境模擬訓練需求。

    本發明采用的技術方案如下:一種主被動混合驅動自適應重力卸載宇航員地面訓練系統,主體由桁車二自由度運動平臺與自適應重力卸載系統組成。

    所述桁車二自由度運動平臺由導軌一,桁車驅動器一,導軌二,桁車驅動器二組成,安裝在桁架結構上,其作用是為自適應重力卸載系統提供在水平面內的二自由度大范圍運動;所述導軌一安裝在桁架兩側橫梁上;所述桁車驅動器一安裝在導軌一上,在自身電機的驅動下可沿導軌一直線運動;所述導軌二兩端通過螺栓分別安裝固定在兩臺桁車驅動器一的底部,兩臺桁車驅動器一沿著導軌一同步直線運動實現導軌二的直線運動;所述桁車驅動器二安裝在導軌二上,在自身電機的驅動下可沿導軌二直線運動;通過桁車驅動器一、桁車驅動器二的運動實現二自由度平動。

    所述自適應重力卸載系統由伺服轉臺,主動恒力系統,被動自適應懸吊系統組成,通過螺栓安裝在桁車二自由度運動平臺上,其作用是為人體提供豎直方向的大范圍運動以及軀干、四肢、頭部的空間姿態調整。

    所述伺服轉臺,主體為扁平圓柱體,通過頂的部法蘭裝配在桁車二自由度運動平臺底部,在驅動系統的控制下可繞偏平圓柱體軸線轉動,軸線垂直于水平面,其作用是為主動恒力系統以及被動自適應懸吊系統7提供在水平面內的轉動自由度。

    所述主動恒力系統,由連接器,主動伺服系統,被動恒力系統一,動滑輪,主吊索組成,通過連接器頂部的法蘭裝配在伺服轉臺底部,其作用是通過主吊索為被動自適應懸吊系統提供豎直向上的恒力以及在豎直方向上的大范圍運動。

    所述由連接器,主體為頂部設計有法蘭,底部設計有螺紋接口的板筋焊接框架結構,其作用是連接主動伺服系統,被動恒力系統一,并保證主動伺服系統,被動恒力系統一的相對位置不變。

    所述主動伺服系統,由連接支架二、相機、直角變速器、齒軸二、螺紋補償環、卷筒二、副吊索三組成。所述連接支架二主體為l型的板狀結構,上端設計由螺紋副用于與其他機構裝配,中間為正方形帶有螺栓孔及軸孔的正方形板狀結構用于與伺服電機和直角變速器的連接固定,下端是帶有螺紋孔的板狀結構,用于安裝相機;所述伺服電機、直角變速器通過螺釘安裝在連接支架二上,伺服電機為直角變速器提供扭矩驅動其輸出軸轉動。所述直角變速器的輸出軸設計為帶有六個滑槽的齒軸二,用于與卷筒二中心的齒環配合,通過齒軸二驅動卷筒二轉動,同時卷筒沿著齒軸二上的滑槽沿軸線方向直線滑動;所述卷筒二中心設計有與齒軸二相配合的齒環結構,用于與齒軸二配合傳遞扭矩,卷筒二的內側轉軸外表面帶有螺紋用于與螺紋補償環內部螺紋配合;所述螺紋補償環為端部帶有法蘭且內部具有螺紋的環裝結構,其端部法蘭通過螺栓與直角變速器的齒軸二根部連接固定,與齒軸二同軸配合,內部螺紋用于與卷筒二的內側轉軸外表面螺紋配合;所述副吊索三纏繞在卷筒二上,通過卷筒的轉動實現對副吊索三的收放;由于卷筒二在收放副吊索三時,繞在卷筒二上的副吊索三圈數會發生變化,所以副吊索三豎直部分相對于卷筒二的位置會沿著齒軸二軸線方向偏移。因此,本發明通過螺紋補償環內部螺紋與卷筒二的內側轉軸外表面的螺紋配合,使卷筒二在轉動過程中沿著齒軸二軸線微動,實現對副吊索三的位置補償,確保副吊索三豎直部軸心線與連接支架二頂端螺紋副軸線始終重合;所述相機安裝在連接支架二底部,通過圖像實時監測吊索相對水平面的垂直度,測量其擺動角度。主動伺服系統通過連接支架二頂部的螺栓與連接器底部螺紋接口配合,安裝在連接器底部。

    所述被動恒力系統一,由直線軸承,滑軌,限位塊,連接器,固定板,氣缸,雙槽動滑輪,鋼索,凸輪組,行星變速器,卷筒一,連接支架一組成。所述直線軸承裝配在滑軌上,可沿滑軌直線運動形成直線滑動副,滑軌底端安裝在連接支架一的矩形槽內,槽的一側設計有對應的安裝板,安裝板上設計有與滑軌上螺孔對應的安裝孔,通過螺栓將滑軌與連接支架一連接固定;所述限位塊安裝在滑軌的頂端用于限制直線軸承沿滑軌運動的范圍,防止直線軸承脫落;所述連接器,主體為u型框架結構,通過螺栓安裝在直線軸承上,端面設計有軸,用于安裝雙槽動滑輪;所述固定板主體結構為中間設計由圓孔的矩形板,采用螺栓裝配在連接器的底部,用于安裝氣缸;所述氣缸缸體通過頸部的螺栓結構裝配在固定板上,可隨著直線軸承沿滑軌上下直線運動,氣缸活塞桿通過鉸鏈裝配在連接支架一上,氣缸為直線軸承提供了一個向上的推力;所述雙槽動滑輪,為具有兩個環形槽的滑輪,各個環形槽可分別容納一根鋼索,雙槽動滑輪安裝在連接器的端部的軸上,可繞此軸軸心線自由轉動;所述行星變速器通過螺栓安裝在連接支架一的底部;所述凸輪組由凸輪一和凸輪二構成,固定安裝在行星變速器的短軸上,可隨著短軸轉動,凸輪一和凸輪二的邊緣設計由線槽用于容納鋼索;所述鋼索共兩條,兩端分別與雙槽動滑輪和凸輪組的凸輪一、凸輪二固定連接;所述卷筒一為中心帶有齒環的卷筒結構,其通過中心的齒環與行星變速器的齒軸一配合裝配在齒軸一上,通過齒軸一驅動卷筒一轉動的同時,卷筒一可沿齒軸一的鍵槽在齒軸一的軸心線滑動;卷筒一的內側轉軸外表面帶有螺紋用于與螺紋補償環內部螺紋配合;所述螺紋補償環為端部帶有法蘭且內部具有螺紋的環裝結構,其端部法蘭通過螺栓與行星變速器的齒軸一根部連接固定,與齒軸一同軸配合,內部螺紋用于與卷筒一的內側轉軸外表面螺紋配合;所述副吊索三兩端分別纏繞在卷筒一和卷筒二上,通過卷筒一和卷筒二的轉動實現對吊索的收放。被動恒力系統一通過連接支架一頂部的連接螺桿與連接器底部螺紋接口配合,安裝在連接器底部。

    所述被動恒力系統一工作原理如下:氣缸的推力迫使直線軸承沿滑軌向上運動,推動雙槽動滑輪遠離凸輪組,使纏繞在雙槽動滑輪和凸輪組上的柔性鋼索張緊,并使鋼索產生一定的拉力。由于雙槽動滑輪為等半徑滑輪且可自由轉動,由力矩平衡原理可知其左右兩側的鋼索所產生的拉力相等;凸輪組內的凸輪一和凸輪二邊緣的線槽為半徑不等的曲線輪廓,雙槽動滑輪兩側的鋼索分別纏繞在凸輪一和凸輪二的線槽內;通過對凸輪一和凸輪二邊緣的曲線輪廓進行設計,控制纏繞在凸輪一和凸輪二上的鋼索中心線到凸輪組的轉軸軸線的距離。由于凸輪一和凸輪二相互獨立邊緣的曲線輪廓互不干擾,可分別靈活控制纏繞在凸輪一和凸輪二上的鋼索中心線到凸輪組的轉軸軸線的距離。因為兩條鋼索的提供的拉力相等,所以當纏繞在凸輪一和凸輪二上的鋼索中心線到凸輪組的轉軸軸線的距離不等時,由力矩平衡原理可知凸輪組將會在行星變速器短軸上產生驅動扭矩;因此對凸輪一和凸輪二邊緣的曲線輪廓進行優化設計,可使凸輪組在行星變速器短軸上產生恒定不變驅動扭矩。凸輪組短軸端輸入恒定的驅動力矩通過行星減速機將轉動形成放大后通過齒軸一驅動卷筒一轉動實現對副吊索三的收放。由于卷筒一在收放副吊索三時,繞在卷筒一上的副吊索三圈數會發生變化,所以同樣存在副吊索三豎直部分相對于卷筒一的位置會沿著齒軸一軸線方向偏移的問題。因此,本發明采用了與主動伺服系統相同的方法,通過螺紋補償環內部螺紋與卷筒一的內側轉軸外表面的螺紋配合,使卷筒一在轉動過程中沿著齒軸一軸線微動,實現對副吊索三的位置補償,確保副吊索三豎直部軸心線與連接支架一的螺紋桿軸線始終重合。這使得在副吊索三的拉力與連接支架一的螺紋桿同軸,不會引發多余的裝配力矩。因此被動恒力系統一通過卷筒一對副吊索三的收放在副吊索三的豎直部分提供了一個可大范圍移動的恒定拉力。

    所述氣缸的驅動分為純被動式驅動、主被動混合驅動兩種模式。其中純被動式驅動模式為將氣缸的氣體回路徹底關閉,使其成為一個純被動的氣彈簧,氣缸活塞桿往復運動過程中缸體內氣體總量不變,通過氣缸控制封閉空間內的氣體的總量,可使氣缸活塞桿往復運動過程中,氣缸活塞桿運動到相同位置時缸體內氣體壓力成線性比例變化,進而實現對被動恒力系統一輸出的恒拉力大小進行調節。主被動混合驅動模式氣缸的氣體回路沒有被徹底關閉,在純被動式驅動?;A上,對氣缸活塞桿往復運動過程中缸體內氣體總量進行少量的添加或減少,從而克服被動系統中摩擦力對系統輸出恒力的影響,進一步提高副吊索三的恒力輸出精度。

    所述動滑輪,裝配在主動伺服系統和被動恒力系統一所驅動的副吊索三上所述主吊索裝配在動滑輪底部用于為被動自適應懸吊系統提供豎直向上的恒定補償力;

    所述主動恒力系統的工作原理如下:動滑輪裝配在副吊索三上,副吊索三兩端分別纏繞在主動伺服系統、被動恒力系統一的卷筒一、卷筒二上,由主動伺服系統,被動恒力系統一共同驅動;被動恒力系統一通過自身凸輪組實現了恒定扭矩的輸出,在卷筒一上施加恒定驅動扭矩,進而在有效行程內維持副吊索三的拉力恒定不變;動滑輪上下運動過程中被動恒力系統一保證了副吊索三的拉力恒定,進而保證了裝配在動滑輪下端的主吊索的拉力恒定;主動伺服系統通過自身的動力系統驅動卷筒二對副吊索三進行收放,將被動恒力系統一的卷筒一的旋轉始終維持在在有效行程內,彌補了被動恒力系統一恒力補償行程有限的問題。實現對主吊索提供了在豎直方向上的大范圍運動,同時保持了豎直向上的力恒定不變。主動伺服系統底部的相機可對卷筒二對應的副吊索三相對于水平面的傾角進行實時監測,以保持副吊索三相對于水平面豎直為目標,通過控制系統驅動桁車驅動器一、桁車驅動器二、伺服轉臺,實現大范圍二自由度平動及在水平面內的自由轉動。

    所述被動自適應懸吊系統,主要由被動隨動系統、被動恒力系統二、人機連接系統三部分構成,主要作用是分別為人體軀干、四肢、頭部提供垂直與水平面豎直向上的恒定的補償力,同時實現人體多姿態,多運動模式訓練的運動需求。

    所述被動隨動系統,是由零剛度平行四邊形支架不斷串聯構成的樹型可動框架結構;所述平行四邊形支架由頂部球鉸鏈,平行四邊形機構,彈簧,內螺紋桿,絲杠,底端球鉸鏈,連接吊索構成。所述頂部球鉸鏈位于零剛度平行四邊形支架頂部,用于與上一級零剛度平行四邊形支架的底端球鉸鏈連接構成樹型結構;所述彈簧安裝在平行四邊形機構內構成了零剛度平行四邊機構,兩個這樣的零剛度平行四邊機構共同構成了零剛度平行四邊形支架主體框架;所述內螺紋桿通過螺栓固定在零剛度平行四邊形支架主體框架底部;所述絲杠通過螺紋副裝配在內螺紋桿的內部,絲杠末端設計有底端球鉸鏈,用于連接副吊索四。

    所述被動恒力系統二采用了與被動恒力系統一相同結構,通過連接螺桿頂部的球副與零剛度平行四邊形支架的底端球鉸鏈配合,裝配在絲杠末端,主要作用是為副吊索一提供恒定拉力。

    所述人機連接系統由軀干連接機構、萬向人機連接器組成,所述軀干連接機構由平衡梁,副吊索二,固定圈組成,兩兩之間均采用球鉸連接,使軀干可進行空間三自由度轉動;所述萬向人機連接器由u形吊架、殼體、外軸承、液環組成;所述u形吊架主體為u形,頂端與吊索連接,末端設計有鉸鏈,用于與外軸承兩側的鉸鏈配合;所述殼體主體結構為空心圓柱體,用于為液環提供外部約束;所述外軸承安裝在殼體外側,外環上設計有鉸鏈,與u形吊架鉸接共同構成二自由度萬向旋轉機構;所述液環主體為空心環形結構,內部填充液體,安裝在殼體內部,其作用是利用液體的流動性使人體與接觸面上的壓力均勻分布,減輕人體的不適感。

    所述被動自適應懸吊系統工作原理如下:零剛度平行四邊形支架兩側的底端球鉸鏈分別裝配有被動恒力系統二,如圖5所示,在零剛度平行四邊形支架兩側的副吊索一中產生大小不等恒定的拉力f2、f1;通過對零剛度平行四邊形支架兩側的裝配的彈簧剛度進行優化配置可在分別底端球鉸鏈處在豎直方向上提供與兩端副吊索一大小相等方向相反的恒定拉力-f2、-f1,使整體在豎直方向上達到平衡狀態。通過轉動內螺紋桿內的絲杠,調節兩側副吊索一到零剛度平行四邊形支架轉心的力臂,達到力矩平衡,即f2·d2=f1·d1;當零剛度平行四邊形支架兩側副吊索一所連接的重力補償目標發生相對運動時會引發兩側副吊索一左右擺動,當副吊索一向左擺動到達f1-l時,對應的力臂為d1-l,由幾何關系可知d1-l>d1,由于被動恒力系統二保持了副吊索一的拉力不變,所以f1-l=f1;則:f1-l·d1-l>f1·d1;因此,此時無法到力矩平衡條件,絲杠將順時針旋轉使副吊索一重新調整到到豎直狀態,達到新的平衡;當副吊索一向右擺動到達f1-r時,對應的力臂為d1-r,由幾何關系可知d1-r<d1,由于被動恒力系統二保持了副吊索一的拉力不變,所以f1-r=f1;則:f1-r·d1-r<f1·d1;因此,此時無法到力矩平衡條件,絲杠將逆時針旋轉使副吊索一重新調整到到豎直狀態,達到新的平衡?;谝陨险{節原理,采用多個零剛度平行四邊形支架不斷串聯構成的樹型可動框架結構,在最底層裝配被動恒力系統二后,即可實現分別為人體軀干、四肢、頭部提供垂直與水平面豎直向上的恒定的補償力,同時實現吊索對軀干、四肢、頭部的跟隨運動,最終將所有載荷匯集到主吊索上,使主吊索的軸心線始終通過人體的中心,避免了現有懸吊技術中吊索對人體空間三自由度姿態調整的力矩干擾,轉動滿足人體多姿態、多運動模式訓練的運動需求。

    本發明與現有懸吊式宇航員地面微低重力模擬訓練設備相比具有如下優點:

    1、本發明一種主被動混合驅動自適應重力卸載宇航員地面訓練系統,其特征在于,包括桁車二自由度運動平臺與自適應重力卸載系統。所述桁車二自由度運動平臺用于實現人體整體在水平面內的二自由度大范圍運動;所述自適應重力卸載系統安裝在桁車二自由度運動平臺上,用于實現人體整體在豎直方向上的大范圍運動、空間三自由度轉動,以及人體自身的軀干、四肢、頭部的小范圍的姿態調整;采用多級運動平臺配合的運動模式針對人體漂浮基狀態整體大范圍運動與局部小范圍運動進行解耦設計,簡化了訓練系統運動機構復雜程度;同時滿足了宇航員多姿態、多運動模式的訓練需求。

    2、本發明的自適應重力卸載系統,其特征還在于,包括伺服轉臺,主動恒力系統,被動自適應懸吊系統;所述伺服轉臺,裝配在桁車二自由度運動平臺底部,為主動恒力系統以及被動自適應懸吊系統提供了在水平面內的轉動自由度。所述主動恒力系統,由連接器,主動伺服系統,被動恒力系統一,動滑輪,主吊索組成,通過連接器頂部的法蘭裝配在伺服轉臺底部,通過主吊索為被動自適應懸吊系統提供豎直向上的恒力以及在豎直方向上的大范圍運動;所述所述被動自適應懸吊系統,主要由被動隨動系統、被動恒力系統二、人機連接系統三部分構成,分別為人體軀干、四肢、頭部提供垂直與水平面豎直向上的恒定的補償力,同時實現人體多姿態,多運動模式訓練的運動需求;自適應重力卸載系統整體通過樹形分叉的方式將集中載荷逐步分散成多點對人體軀、干四肢、頭部等構成的多體系統實時分布重力補償,實現了多運動模式、高仿真、高沉浸感的微低重力模擬訓練需求。

    3、本發明的主動恒力系統,其特征還在于,動滑輪裝配在副吊索三上,副吊索三兩端分別纏繞在主動伺服系統、被動恒力系統一的卷筒一、卷筒二上,由主動伺服系統,被動恒力系統一共同驅動;被動恒力系統一使其卷筒一在有效行程內維持副吊索三的拉力恒定不變;主動伺服系統的卷筒二對副吊索三進行收放,將被動恒力系統一的卷筒一的旋轉始終維持在在有效行程內,彌補了被動恒力系統一恒力補償行程有限的問題;兩者相互配合實現了主吊索在豎直方向上的大范圍運動,同時保持了豎直向上的力恒定不變。

    4、本發明的主動恒力系統中的主動伺服系統底部的相機可對卷筒二對應的副吊索三相對于水平面的傾角進行實時監測,以保持副吊索三相對于水平面豎直為目標,通過控制系統驅動桁車驅動器一、桁車驅動器二、伺服轉臺,實現大范圍二自由度平動及在水平面內的自由轉動,消除了由于常規懸吊系統中吊索兩端相對轉動導致內部的力矩積累的現象。

    5、本發明的主動恒力系統的被動恒力系統一,采用凸輪一和凸輪二構成的凸輪組通過兩根鋼索牽引雙槽動滑輪的方式壓縮氣缸實現恒定扭矩輸出;驅動行星變速器將行程放大,通過卷筒一對副吊索三的收放實現大行程的被動恒力補償。

    6、本發明的被動恒力系統一中的氣缸驅動方法可有純被動式驅動、主被動混合驅動兩種模式;其中純被動式驅動模式是將氣缸的氣體回路徹底關閉,使其成為一個純被動的氣彈簧,氣缸活塞桿往復運動過程中缸體內氣體總量不變,通過氣缸控制封閉空間內的氣體的總量,可使氣缸活塞桿往復運動過程中,氣缸活塞桿運動到相同位置時缸體內氣體壓力成線性比例變化,進而實現對被動恒力系統一輸出的恒拉力大小進行調節;主被動混合驅動模式氣缸的氣體回路沒有被徹底關閉,在純被動式驅動?;A上,對氣缸活塞桿往復運動過程中缸體內氣體總量進行少量的添加或減少,從而克服被動系統中摩擦力對系統輸出恒力的影響,進一步提高副吊索三的恒力輸出精度。

    7、本發明得到被動隨動系統的主體為采用多個零剛度平行四邊形支架不斷串聯構成的樹型可動框架結構,在最底層零剛度平行四邊形支架兩側的底端球鉸鏈分別裝配有被動恒力系統二,在零剛度平行四邊形支架兩側的副吊索一中產生大小不等恒定的拉力;分別為人體軀干、四肢、頭部提供垂直與水平面豎直向上的恒定的補償力,同時通過力矩平衡原理實現吊索對軀干、四肢、頭部的跟隨運動,最終將所有載荷匯集到主吊索上,使主吊索的軸心線始終通過人體的中心,避免了現有懸吊技術中吊索對人體空間三自由度姿態調整的力矩干擾。

    附圖說明

    圖1是本發明的總體結構原理圖;

    圖2是本發明的局部運動系統結構原理圖一;

    圖3是本發明的局部運動系統結構原理圖二;

    圖4是本發明的軀干懸吊系統示意圖;

    圖5是本發明被動自適應隨動系統零剛度平行四邊形隨動單元結構示意圖;

    圖6是本發明主動恒力系統驅動原理示意圖;

    圖7是本發明被動恒力系統驅動原理示意圖一;

    圖8是本發明被動恒力系統驅動原理示意圖二;

    圖9是本發明主動伺服系統驅動原理示意圖;

    圖10是本發明主動伺服系統爆炸圖;

    圖11是本發明主動伺服系統驅動軸剖面圖;

    圖12是本發明人體萬向連接器結構示意圖;

    圖13是本發明人體萬向連接器爆炸圖。

    圖中:1、導軌一,2、桁車驅動器一,2、導軌二,4、桁車驅動器二,5、伺服轉臺,6、主動恒力系統,7、被動自適應懸吊系統,8、人體,9、連接器,10、主動伺服系統,11、被動恒力系統一,12、動滑輪,13、主吊索,14、零剛度平行四邊形支架,15、被動恒力系統二,16、副吊索一,17、萬向人機連接器,18、球鉸鏈,19、平衡梁,20、副吊索二,21、固定圈,22、相機,23、副吊索三,24、限位塊,25、直線軸承,26、雙槽動滑輪,27、鋼索,28、連接鉸鏈,29、凸輪組,30、氣缸,31、連接器,32、連接螺桿,33、固定板,34、氣缸活塞桿,35、卷筒一,36、齒軸一,37、行星變速器,38、連接支架一,39、滑軌,40、凸輪一,41、凸輪二,42、連接支架二,43、伺服電機,44、卷筒二,45、齒軸二,46、支教變速器,47、螺紋補償環,48、齒環,49、拉力傳感器,50、u形支架,51、外殼,52、軸承外圈,53、環形氣囊,54、軸承,55、頂部球鉸鏈,56、平行四邊形機構,57、彈簧,58、內螺紋桿,59、絲杠,60、底端球鉸鏈,61、副吊索四。

    具體實施方式

    以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明,即此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明,并不用于限定本發明。

    參閱附圖,本說明書附圖所示的結構、比例、大小等,均僅用以配合說明書所揭示的內容,以供熟悉此技術的人士了解與閱讀,并非用以限定本發明可實施的限定條件,故不具技術上的實質意義,任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整,在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下,均應仍落在本發明所揭示的技術內容能涵蓋的范圍內。同時,本說明書中所引用的位置限定用語,亦僅為便于敘述的明了,而非用以限定本發明可實施的范圍,其相對關系的改變或調整,在無實質變更技術內容下,當亦視為本發明可實施的范疇。

    如圖1所示,是本發明的總體結構原理圖;本發明的主被動混合驅動自適應重力卸載宇航員地面訓練系統,其特征于主體由桁車二自由度運動平臺與自適應重力卸載系統組成。

    所述桁車二自由度運動平臺由導軌一1,桁車驅動器一2,導軌二3,桁車驅動器二4組成,安裝在桁架結構上,其作用是為自適應重力卸載系統提供在水平面內的二自度大范圍運動;所述導軌一1安裝在桁架兩側橫梁上;所述桁車驅動器一2安裝在導軌一上,在自身電機的驅動下可沿導軌一1直線運動;所述導軌二3兩端通過螺栓分別安裝固定在兩臺桁車驅動器一2的底部,兩臺桁車驅動器一沿著導軌一1同步直線運動實現導軌二3的直線運動;所述桁車驅動器二4安裝在導軌二3上,在自身電機的驅動下可沿導軌二3直線運動;通過桁車驅動器一、桁車驅動器二的運動實現二自由度平動。

    如圖2、圖3所示,分別是本發明的局部運動系統結構原理圖一、本發明的局部運動系統結構原理圖一,所述自適應重力卸載系統由伺服轉臺5,主動恒力系統6,被動自適應懸吊系統7組成,通過螺栓安裝在桁車二自由度運動平臺上,其作用是為人體提供豎直方向的大范圍運動以及軀干、四肢、頭部的空間姿態調整。

    所述伺服轉臺5,主體為扁平圓柱體,通過頂的部法蘭裝配在桁車二自由度運動平臺底部,在驅動系統的控制下可繞偏平圓柱體軸線轉動,軸線垂直于水平面,其作用是為主動恒力系統6以及被動自適應懸吊系統7提供在水平面內的轉動自由度。

    如圖6所示,是本發明主動恒力系統6驅動原理示意圖,所述主動恒力系統6,由連接器9,主動伺服系統10,被動恒力系統一11,動滑輪12,主吊索13組成,通過連接器9頂部的法蘭裝配在伺服轉臺5底部,其作用是通過主吊索13為被動自適應懸吊系統7提供豎直向上的恒力以及在豎直方向上的大范圍運動。

    所述由連接器9,主體為頂部設計有法蘭,底部設計有螺紋接口的板筋焊接框架結構,其作用是連接主動伺服系統10,被動恒力系統一11,并保證主動伺服系統10,被動恒力系統一11的相對位置不變。

    如圖9、圖10、圖11所示,分別是本發明主動伺服系統驅動原理示意圖、本發明主動伺服系統爆炸圖、本發明主動伺服系統驅動軸剖面圖;所述主動伺服系統10,由連接支架二42、相機22、直角變速器46、齒軸二45、螺紋補償環47、卷筒二44、副吊索三23組成。所述連接支架二42主體為l型的板狀結構,上端設計由螺紋副用于與其他機構裝配,中間為正方形帶有螺栓孔及軸孔的正方形板狀結構用于與伺服電機43和直角變速器46的連接固定,下端是帶有螺紋孔的板狀結構,用于安裝相機22;所述伺服電機43、直角變速器46通過螺釘安裝在連接支架二42上,伺服電機43為直角變速器46提供扭矩驅動其輸出軸轉動。所述直角變速器46的輸出軸設計為帶有六個滑槽的齒軸二45,用于與卷筒二44中心的齒環48配合,通過齒軸二45驅動卷筒二44轉動,同時卷筒沿著齒軸二45上的滑槽沿軸線方向直線滑動;所述卷筒二44中心設計有與齒軸二45相配合的齒環48結構,用于與齒軸二45配合傳遞扭矩,卷筒二44的內側轉軸外表面帶有螺紋用于與螺紋補償環47內部螺紋配合;所述螺紋補償環47為端部帶有法蘭且內部具有螺紋的環裝結構,其端部法蘭通過螺栓與直角變速器46的齒軸二45根部連接固定,與齒軸二45同軸配合,內部螺紋用于與卷筒二44的內側轉軸外表面螺紋配合;所述副吊索三23纏繞在卷筒二44上,通過卷筒的轉動實現對副吊索三23的收放;由于卷筒二44在收放副吊索三23時,繞在卷筒二44上的副吊索三23圈數會發生變化,所以副吊索三23豎直部分相對于卷筒二44的位置會沿著齒軸二45軸線方向偏移。因此,本發明通過螺紋補償環47內部螺紋與卷筒二44的內側轉軸外表面的螺紋配合,使卷筒二44在轉動過程中沿著齒軸二45軸線微動,實現對副吊索三23的位置補償,確保副吊索三23豎直部軸心線與連接支架二42頂端螺紋副軸線始終重合;所述相機安裝在連接支架二42底部,通過圖像實時監測吊索相對水平面的垂直度,測量其擺動角度。主動伺服系統10通過連接支架二42頂部的螺栓與連接器9底部螺紋接口配合,安裝在連接器9底部。

    如圖7、圖8所示,分別是本發明被動恒力系統驅動原理示意圖一、本發明被動恒力系統驅動原理示意圖二;所述被動恒力系統一11,由直線軸承25,滑軌39,限位塊24,連接器31,固定板33,氣缸30,雙槽動滑輪26,鋼索27,凸輪組29,行星變速器37,卷筒一35,連接支架一38組成。所述直線軸承25裝配在滑軌39上,可沿滑軌39直線運動形成直線滑動副,滑軌39底端安裝在連接支架一38的矩形槽內,槽的一側設計有對應的安裝板,安裝板上設計有與滑軌39上螺孔對應的安裝孔,通過螺栓將滑軌39與連接支架一38連接固定;所述限位塊24安裝在滑軌39的頂端用于限制直線軸承25沿滑軌39運動的范圍,防止直線軸承25脫落;所述連接器31,主體為u型框架結構,通過螺栓安裝在直線軸承25上,端面設計有軸,用于安裝雙槽動滑輪26;所述固定板33主體結構為中間設計由圓孔的34矩形板,采用螺栓裝配在連接器31的底部,用于安裝氣缸30;所述氣缸30缸體通過頸部的螺栓結構裝配在固定板33上,可隨著直線軸承25沿滑軌39上下直線運動,氣缸活塞桿通過鉸鏈裝配在連接支架一38上,氣缸30為直線軸承25提供了一個向上的推力;所述雙槽動滑輪26,為具有兩個環形槽的滑輪,各個環形槽可分別容納一根鋼索27,雙槽動滑輪26安裝在連接器31的端部的軸上,可繞此軸軸心線自由轉動;所述行星變速器37通過螺栓安裝在連接支架一38的底部;所述凸輪組29由凸輪一40和凸輪二41構成,固定安裝在行星變速器37的短軸上,可隨著短軸轉動,凸輪一40和凸輪二41的邊緣設計由線槽用于容納鋼索27;所述鋼索27共兩條,兩端分別與雙槽動滑輪26和凸輪組29的凸輪一40、凸輪二固定連接;所述卷筒一35為中心帶有齒環的卷筒結構,其通過中心的齒環與行星變速器37的齒軸一36配合裝配在齒軸一36上,通過齒軸一36驅動卷筒一35轉動的同時,卷筒一35可沿齒軸一36的鍵槽在齒軸一36的軸心線滑動;卷筒一35的內側轉軸外表面帶有螺紋用于與螺紋補償環47內部螺紋配合;所述螺紋補償環47為端部帶有法蘭且內部具有螺紋的環裝結構,其端部法蘭通過螺栓與行星變速器37的齒軸一36根部連接固定,與齒軸一36同軸配合,內部螺紋用于與卷筒一35的內側轉軸外表面螺紋配合;所述副吊索三23兩端分別纏繞在卷筒一35和卷筒二44上,通過卷筒一35和卷筒二44的轉動實現對吊索的收放。被動恒力系統一11通過連接支架一38頂部的連接螺桿32與連接器9底部螺紋接口配合,安裝在連接器9底部。

    所述被動恒力系統一11工作原理如下:氣缸30的推力迫使直線軸承25沿滑軌39向上運動,推動雙槽動滑輪26遠離凸輪組29,使纏繞在雙槽動滑輪26和凸輪組29上的柔性鋼索27張緊,并使鋼索27產生一定的拉力。由于雙槽動滑輪26為等半徑滑輪且可自由轉動,由力矩平衡原理可知其左右兩側的鋼索27所產生的拉力相等;凸輪組29內的凸輪一40和凸輪二41邊緣的線槽為半徑不等的曲線輪廓,雙槽動滑輪26兩側的鋼索27分別纏繞在凸輪一40和凸輪二41的線槽內;通過對凸輪一40和凸輪二41邊緣的曲線輪廓進行設計,控制纏繞在凸輪一40和凸輪二41上的鋼索27中心線到凸輪組29的轉軸軸線的距離。由于凸輪一40和凸輪二41相互獨立邊緣的曲線輪廓互不干擾,可分別靈活控制纏繞在凸輪一40和凸輪二41上的鋼索27中心線到凸輪組29的轉軸軸線的距離。因為兩條鋼索27的提供的拉力相等,所以當纏繞在凸輪一40和凸輪二41上的鋼索27中心線到凸輪組29的轉軸軸線的距離不等時,由力矩平衡原理可知凸輪組29將會在行星變速器37短軸上產生驅動扭矩;因此對凸輪一40和凸輪二41邊緣的曲線輪廓進行優化設計,可使凸輪組29在行星變速器37短軸上產生恒定不變驅動扭矩。凸輪組29短軸端輸入恒定的驅動力矩通過行星減速機37將轉動形成放大后通過齒軸一36驅動卷筒一35轉動實現對副吊索三23的收放。由于卷筒一35在收放副吊索三23時,繞在卷筒一35上的副吊索三23圈數會發生變化,所以同樣存在副吊索三23豎直部分相對于卷筒一35的位置會沿著齒軸一36軸線方向偏移的問題。因此,本發明采用了與主動伺服系統10相同的方法,通過螺紋補償環內部螺紋與卷筒一35的內側轉軸外表面的螺紋配合,使卷筒一35在轉動過程中沿著齒軸一36軸線微動,實現對副吊索三23的位置補償,確保副吊索三23豎直部軸心線與連接支架一38的螺紋桿32軸線始終重合。這使得在副吊索三23的拉力與連接支架一38的螺紋桿同軸,不會引發多余的裝配力矩。因此被動恒力系統一11通過卷筒一35對副吊索三23的收放在副吊索三23的豎直部分提供了一個可大范圍移動的恒定拉力。

    所述氣缸30的驅動分為純被動式驅動、主被動混合驅動兩種模式。其中純被動式驅動模式為將氣缸30的氣體回路徹底關閉,使其成為一個純被動的氣彈簧,氣缸活塞桿34往復運動過程中缸體內氣體總量不變,通過氣缸30控制封閉空間內的氣體的總量,可使氣缸活塞桿34往復運動過程中,氣缸活塞桿34運動到相同位置時缸體內氣體壓力成線性比例變化,進而實現對被動恒力系統一11輸出的恒拉力大小進行調節。主被動混合驅動模式氣缸30的氣體回路沒有被徹底關閉,在純被動式驅動?;A上,對氣缸活塞桿34往復運動過程中缸體內氣體總量進行少量的添加或減少,從未克服被動系統中摩擦力對系統輸出恒力的影響,進一步提高副吊索三23的恒力輸出精度。

    所述動滑輪12,裝配在主動伺服系統10和被動恒力系統一11所驅動的副吊索三23上所述主吊索13裝配在動滑輪12底部用于為被動自適應懸吊系統7的豎直向上的恒定補償力;

    所述主動恒力系統6的工作原理如下:動滑輪12裝配在副吊索三23,副吊索三23兩端分別纏繞在主動伺服系統10、被動恒力系統一11的卷筒一35、卷筒二44上,由主動伺服系統10,被動恒力系統一11共同驅動;被動恒力系統一11通過自身凸輪組29實現了恒定扭矩的輸出,在卷筒一35施加恒定驅動扭矩,進而在有效行程內維持副吊索三23的拉力恒定不變;動滑輪12上下運動過程中被動恒力系統一11保證了副吊索三23的拉力恒定,進而保證了裝配在動滑輪12下端的主吊索13的拉力恒定;主動伺服系統10通過自身的動力系統驅動卷筒二44對副吊索三23進行收放,將被動恒力系統一11的卷筒一35的旋轉始終維持在在有效行程內,彌補了被動恒力系統一11恒力補償行程有限的問題。實現對主吊索13提供了在豎直方向上的大范圍運動,同時保持了豎直向上的力恒定不變。主動伺服系統10底部的相機22可對卷筒二44對應的副吊索三23相對于水平面的傾角進行實時監測,以保持副吊索三23相對于水平面豎直為目標,通過控制系統驅動桁車驅動器一2、桁車驅動器二4、伺服轉臺5,實現大范圍二自由度平動及在水平面內的自由轉動。

    如圖2、圖3、圖4所示,分別是本發明的局部運動系統結構原理圖一、本發明的局部運動系統結構原理圖二、本發明的軀干懸吊系統示意圖;所述被動自適應懸吊系統7,主要由被動隨動系統、被動恒力系統二15、人機連接系統三部分構成,主要作用是分別為人體軀干、四肢、頭部提供垂直與水平面豎直向上的恒定的補償力,同時實現人體多姿態,多運動模式訓練的運動需求。

    所述被動隨動系統,是由零剛度平行四邊形支架14不斷串聯構成的樹型可動框架結構;所述平行四邊形支架14由頂部球鉸鏈55,平行四邊形機構56,彈簧57,內螺紋桿58,絲杠59,底端球鉸鏈60,連接吊索61構成。所述頂部球鉸鏈55位于零剛度平行四邊形支架14頂部,用于與上一級零剛度平行四邊形支架14的底端球鉸鏈60連接構成樹型結構;所述彈簧57安裝在平行四邊形機構56內構成了零剛度平行四邊機構,兩個這樣的零剛度平行四邊機構共同構成了零剛度平行四邊形支架14主體框架;所述內螺紋桿58通過螺栓固定在零剛度平行四邊形支架14主體框架底部;所述絲杠59通過螺紋副裝配在內螺紋桿58的內部,絲杠59末端設計有底端球鉸鏈60,用于連接副吊索四61。

    所述被動恒力系統二15采用了與被動恒力系統一11相同結構,通過連接螺桿32頂部的球副與零剛度平行四邊形支架14的底端球鉸鏈60配合,裝配在絲杠59末端,主要作用是為副吊索一16提供恒定拉力。

    如圖4、圖12、圖13所示,分別是本發明的軀干懸吊系統示意圖、本發明人體萬向連接器結構示意圖、本發明人體萬向連接器爆炸圖;所述人機連接系統由軀干連接機構、萬向人機連接器17組成,所述軀干連接機構由平衡19梁,副吊索二20,固定圈21組成,兩兩之間均采用球鉸連接,使軀干可進行空間三自由度轉動;所述萬向人機連接器17由u形吊架50、殼體51、外軸承54、液環53組成;所述u形吊架50主體為u形,頂端與吊索連接,末端設計有鉸鏈,用于與外軸承54兩側的鉸鏈配合;所述殼體51主體結構為空心圓柱體,用于為液環53提供外部約束;所述外軸承54安裝在殼體51外側,外環上設計有鉸鏈,與u形吊架50鉸接共同構成二自由度萬向旋轉機構;所述液環53主體為空心環形結構,內部填充液體,安裝在殼體內部,其作用是利用液體的流動性使人體與接觸面上的壓力均勻分布,減輕人體的不適感。

    如圖5所示,是本發明被動自適應隨動系統零剛度平行四邊形隨動單元結構示意圖;所述被動自適應懸吊系統7工作原理如下:零剛度平行四邊形支架14兩側的底端球鉸鏈60分別裝配有被動恒力系統二15,如圖5所示,在零剛度平行四邊形支架14兩側的副吊索一16中產生大小不等恒定的拉力f2、f1;通過對零剛度平行四邊形支架14兩側的裝配的彈簧剛度進行優化配置可在分別底端球鉸鏈60處在豎直方向上提供與兩端副吊索一16大小相等方向相反的恒定拉力-f2、-f1,使整體在豎直方向上達到平衡狀態。通過轉動調節內螺紋桿58內的絲杠59,調節兩側副吊索一16到在零剛度平行四邊形支架14轉心的力臂,達到力矩平平衡,即f2·d2=f1·d1;當零剛度平行四邊形支架14兩側副吊索一16所連接的重力補償目標發生相對運動時會引發兩側副吊索一16左右擺動,當副吊索一16向左擺動到達f1-l時,對應的力臂為d1-l,由幾何關系可知d1-l>d1,由于被動恒力系統二15保持了副吊索一16的拉力不變,所以f1-l=f1;則:f1-l·d1-l>f1·d1;因此,此時無法到力矩平衡條件,絲杠59將順時針旋轉使副吊索一16重新調整到到豎直狀態,達到新的平衡;當副吊索一16向右擺動到達f1-r時,對應的力臂為d1-r,由幾何關系可知d1-r<d1,由于被動恒力系統二15保持了副吊索一16的拉力不變,所以f1-r=f1;則:f1-r·d1-r<f1·d1;因此,此時無法到力矩平衡條件,絲杠59將逆時針旋轉使副吊索一16重新調整到到豎直狀態,達到新的平衡?;谝陨险{節原理,采用多個零剛度平行四邊形支架14不斷串聯構成的樹型可動框架結構,在最底層裝配被動恒力系統二15后,即可實現分別為人體軀干、四肢、頭部提供垂直與水平面豎直向上的恒定的補償力,同時實現吊索對軀干、四肢、頭部的跟隨運動,最終將所有載荷匯集到主吊索13上,使主吊索13的軸心線始終通過人體的中心,避免了現有懸吊技術中吊索對人體空間三自由度姿態調整的力矩干擾,轉動滿足人體多姿態,多運動模式訓練的運動需求。

    以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解,本發明不受上述實施例的限制,上述實施例和說明書中描述的只是本發明的原理,在不脫離本發明精神和范圍的前提下本發明還會有各種變化和改進,這些變化和改進都落入要求保護的本發明的范圍內。本發明要求的保護范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。

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