一种1/6g低重力平衡吊挂装置

摘要

本发明涉及月球车吊挂系统，具体的说是一种1/6g低重力平衡吊挂装置。包括吊索、月面巡视探测器、张力控制吊挂装置、水平跟随平台、转盘、纵向运动大车及横向运动小车，其中纵向运动大车滑动连接于行车轨道上，横向运动小车位于纵向运动大车的下方、并与纵向运动大车滑动连接，转盘的上端与横向运动小车转动连接，下端与水平跟随平台固接，水平跟随平台的下方连接有六个张力控制吊挂装置，各张力控制吊挂装置通过吊索与月面巡视探测器连接。本发明的月面巡视探测器能在月貌环境下，质心发生任何变化时，实时测出吊索的张力变化，实现吊索恒张力控制和快速收放，实现月面巡视探测器的多体吊挂和吊点的实时跟踪，保证其1/6g低重力环境的模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及月球车吊挂系统，具体的说是一种1/6g低重力平衡吊挂装置。

背景技术

目前，重力平衡吊挂装置只是单点吊挂，而没有出现多体吊挂。对于被吊挂物体上有运动部件和静止部件时，单体吊挂达不到实时重力平衡的要求，因此只能采用多体吊挂形式。重力平衡系统吊挂装置的吊挂作用力作用点必须在试验物体质心上。但是试验物体的质心在探测器内部，在不改变试验物体原有结构的情况下很难使吊挂力的作用点通过质心。

国内还没有出现可用的模拟月球环境的1/6g(g为重力加速度)低重力平衡吊挂装置，当月面巡视器在不同的工况下运动时，巡视器上有运动部件和静止部件，因此很难保证始终抵消5/6Mg地球与月球的重力差，实现月面1/6g低重力环境的模拟。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种1/6g低重力平衡吊挂装置。1/6g低重力平衡吊挂装置能保证月面巡视器在不同工况时，采用多体吊挂方式，实时抵消5/6Mg地球与月球的重力差，实现月面1/6g低重力环境的模拟。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种1/6g低重力平衡吊挂装置，包括吊索、月面巡视探测器、张力控制吊挂装置、水平跟随平台、转盘、纵向运动大车及横向运动小车，其中纵向运动大车滑动连接于行车轨道上，所述横向运动小车位于纵向运动大车的下方、并与纵向运动大车滑动连接，所述转盘的上端与横向运动小车转动连接，下端与水平跟随平台固接，所述水平跟随平台的下方连接有六个张力控制吊挂装置，各张力控制吊挂装置通过吊索与月面巡视探测器连接。

所述水平跟随平台包括大平台和设置于大平台上的六个二维跟随小滑台，每个二维跟随小滑台均包括两个上下设置、并相互垂直的直线驱动单元，下方的直线驱动单元与张力控制吊挂装置固连。

所述各直线驱动单元包括伺服电机、滚珠丝杠及导轨滑块，其中伺服电机连接滚珠丝杠，所述导轨滑块通过螺旋副与滚珠丝杠连接。

所述张力控制吊挂装置包括卷扬设备、动滑轮、定滑轮、力传感器、倾角测量机构及张力调整装置，其中卷扬设备、张力调整装置及定滑轮依次安装于水平跟随平台上，所述张力调整装置的输出方向垂直向下、并输出端与动滑轮连接，所述吊索末端吊挂在月面巡视器上，另一端依次穿过倾角测量机构、定滑轮及动滑轮后与卷扬设备连接，所述力传感器安装于所述水平跟随平台上、并与定滑轮串联。

所述张力调整装置包括动滑轮安装架、缓冲弹簧、电动推杆及伺服电动缸，其中伺服电动缸安装于水平跟随平台上，所述伺服电动缸的电动推杆连接活动板，所述动滑轮安装架上设有两个导向柱，每个导向柱上均套设有所述缓冲弹簧，各导向柱的上端与活动板活动连接，所述电动缸动作使电动推杆伸长或收缩，改变缓冲弹簧的变形量，从而使动滑轮上下运动。

所述倾角测量机构包括第一夹轮组、第二夹轮组、外层转动角度测量编码器、内层转动角度测量编码器、第一转动轴、第二转动轴、内层转动块、外层转动块、角度座，其中内层转动块通过第一转动轴可相对转动地安装在外层转动块上，该外层转动块通过第二转动轴可相对转动地与角度座相连，所述内层转动块上安装有上下设置的第一夹轮组和第二夹轮组，外层转动角度测量编码器安装在第二转动轴的一端，内层转动角度测量编码器安装在第一转动轴的一端。

所述吊索通过吊装夹具与月面巡视探测器连接，所述吊装夹具包括车体吊装夹具和摇臂吊装夹具，所述月面巡视探测器车体的前后端均设有车体吊装夹具，所述月面巡视探测器的主摇臂和副摇臂上均设有摇臂吊装夹具。

所述车体吊装夹具包括两个球副和一个转动副，其中两个球副与转动副依次串联在一起，所述吊索与转动副连接。

所述摇臂吊装夹具包括主摇臂吊装夹具和副摇臂吊装夹具，所述主摇臂吊装夹具和副摇臂吊装夹具都包括圆弧导轨和滑块，其中圆弧导轨通过法兰与摇臂连接，所述滑块连接于圆弧导轨上、并沿着圆弧导轨滑动，所述吊索与滑块连接。

所述转盘上端面与连接柱转动连接，所述连接柱与横向运动小车固联，所述转盘通过同步齿形带与减速器连接，所述减速器与转盘伺服电机连接。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的双弧形滑动导轨装置，能在不改变原有重力平衡系统结构的基础上，使吊挂力的作用点在重力平衡系统做任何状态变化时，都作用在重力平衡系统的质心上。

2.本发明填充了国内无月面低重力环境模拟装置的空白，实现了可用于在地面实验系统下模拟月球低重力环境的1/6g低重力平衡四维跟随吊挂装置。

3.本发明的张力控制吊挂装置，在不改变月面巡视器的动力学特性的基础上，只用于补偿5/6Mg重力，无其他附加质量，实现恒力吊挂。

4.本发明成功实现了多体吊挂，真实再现各运动机构间活动连接处的受力情况，保证各吊点铅垂线始终通过被吊体质心，吊挂合力铅垂线始终通过吊挂部件质心，适应质心实时变化。

5.本发明的吊装夹具和水平跟随平台能实现模拟系统吊索的铅垂和吊点跟随月面巡视器在试验场合理范围内运动，具有相应的跟随速度和精度。

6.本发明的转盘可绕垂直地面中心轴的转动，实现月面巡视器不受限制的旋转。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中I处放大图；

图3为图1中II处放大图；

图4为图1的侧视图；

图5为本发明中张力控制吊挂装置的结构示意图；

图6为本发明中倾角测量机构的结构示意图；

图7为图6中A向视图；

图8为本发明中各吊点的运动范围图。

其中：1为吊索，2为月面巡视探测器，3为张力控制吊挂装置，4为转盘，5为纵向运动大车，6为横向运动小车，7为球副，8为转动副，9为主摇臂，10为副摇臂，11为圆弧导轨，12为滑块，13为法兰，14为大平台，15为伺服电机，16为滚珠丝杠，17为导轨滑块，18为转盘伺服电机，19为减速器，20为同步齿形带，21为卷扬设备，22为动滑轮，23为缓冲弹簧，24为电动推杆，25为定滑轮，26为力传感器，27为电动缸，28为第一夹轮组，29为第二夹轮组，30为外层转动角度测量编码器，31为内层转动角度测量编码器，32为夹轮座，33为内层转动块，34为外层转动块，35为角度座，36为第一转动轴，37为第二转动轴，38为左夹轮，39为左夹轮轴，40为右夹轮，41为右夹轮轴，42为隔套，44为支撑板，50为活动板，51为导向柱，52为动滑轮安装架，53为主摇臂及前轮吊点变化范围，54为副摇臂及中后轮吊点变化范围，55为巡视器车体吊点变化范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明包括吊索1、月面巡视探测器2、张力控制吊挂装置3、水平跟随平台、转盘4、纵向运动大车5及横向运动小车6，其中纵向运动大车5滑动连接于行车轨道上，所述横向运动小车6位于纵向运动大车5的下方、并与纵向运动大车5滑动连接，所述转盘4的上端通过连接柱与横向运动小车6转动连接，下端转动面与水平跟随平台固接，所述转盘4通过同步齿形带20与减速器19连接，所述减速器19与转盘伺服电机18连接。所述水平跟随平台的下方连接有六个张力控制吊挂装置3，各张力控制吊挂装置3通过吊索1与月面巡视探测器2连接。所述吊索1通过吊装夹具与月面巡视探测器2连接。

所述水平跟随平台包括大平台14和设置于大平台14上的六个二维跟随小滑台，每个二维跟随小滑台均包括两个上下设置、并相互垂直的直线驱动单元，所述各直线驱动单元均包括伺服电机15、滚珠丝杠16及导轨滑块17，其中伺服电机15连接滚珠丝杠16，所述导轨滑块17通过螺旋副与滚珠丝杠16连接，下方的直线驱动单元与张力控制吊挂装置3固定连接。

如图3所示，所述张力控制吊挂装置3包括卷扬设备21、动滑轮22、定滑轮25、力传感器26、倾角测量机构及张力调整装置，其中卷扬设备21、张力调整装置及定滑轮25依次安装于水平跟随平台上，所述张力调整装置的输出方向垂直向下，张力调整装置的输出端与动滑轮22连接，所述吊索1末端通过吊装夹具吊挂在月面巡视探测器2上，另一端依次穿过倾角测量机构、定滑轮25及动滑轮22后与卷扬设备21连接，所述力传感器26安装于所述水平跟随平台上、并与定滑轮25的末端串联，实时检测吊索1的张力。

所述张力调整装置包括动滑轮安装架52、缓冲弹簧23、电动推杆24及伺服电动缸27，其中伺服电动缸27安装于水平跟随平台上，伺服电动缸27的电动推杆24连接活动板52，所述动滑轮安装架上设有两个导向柱51，每个导向柱51上均套设有缓冲弹簧23，各导向柱51的上端与活动板52活动连接。电动缸27动作使电动推杆24伸长或收缩，改变缓冲弹簧23的变形量，从而使动滑轮22上下运动。

所述倾角测量机构包括第一夹轮组28、第二夹轮组29、外层转动角度测量编码器30、内层转动角度测量编码器31、第一转动轴36、第二转动轴37、内层转动块33、外层转动块34、角度座35，其中内层转动块33通过第一转动轴36可相对转动地安装在外层转动块34上，该外层转动块34通过第二转动轴37可相对转动地与角度座35相连，所述内层转动块33上安装有上下设置的第一夹轮组28和第二夹轮组29，外层转动角度测量编码器30安装在第二转动轴37的一端，内层转动角度测量编码器31安装在第一转动轴36的一端。

所述第一转动轴36的中心轴线与第二转动轴37的中心轴线相互垂直，并交于一点；所述吊索1由两组夹轮之间穿过，并吊索1被夹紧；所述左夹轮38和右夹轮40两端与夹轮座32两块板的内壁之间分别设有套在夹轮轴上的隔套42；所述外层转动块34为方框体，内层转动块33位于外层转动块34内部的中间；所述角度座35具有一顶板，该顶板为一方框，在顶板下方相对的两侧设有垂直于顶板的竖板，第二转动轴37通过轴承安装在竖板上，在夹轮座35的两块板之间设有支撑板44，两组夹轮上下设置、分别位于所述支撑板44的上方及下方。

所述吊装夹具包括车体吊装夹具和摇臂吊装夹具，所述月面巡视探测器2车体的前后端均设有车体吊装夹具，所述月面巡视探测器2的主摇臂9和副摇臂10上均设有摇臂吊装夹具。所述车体吊装夹具包括两个球副7和一个转动副8，其中两个球副7与转动副8依次串联在一起，所述吊索1与转动副8连接。所述摇臂吊装夹具包括主摇臂吊装夹具和副摇臂吊装夹具，所述主摇臂吊装夹具和副摇臂吊装夹具都包括圆弧导轨11和滑块12，其中圆弧导轨11通过法兰13与摇臂连接，所述滑块12连接于圆弧导轨11上、并沿着圆弧导轨11滑动，所述吊索1与滑块12连接。

如图3所示，各吊点的运动区域都为矩形，其中车体吊装夹具的各吊点合力在任意时刻都经过月面巡视探测器2车体的质心，摇臂吊装夹具的吊点铅垂线始终通过吊挂部件质心。根据水平跟随平台上各吊点的位置变化，驱动转盘和行车(纵向运动大车5或横向运动小车6)运动，保证水平跟随平台上各吊挂点始终处于工作行程范围内。

本发明的工作原理为：

本发明的月面巡视探测器在月貌环境下运动，质心发生任何变化时，实时测出吊索的张力变化，实现吊索恒张力控制和快速收放，实现月面巡视探测器的多体吊挂和吊点的实时跟踪，抵消5/6mg地球与月球的重力差，保证月面1/6g低重力环境的模拟。

本发明模拟系统采用六根吊索1六点吊挂的悬挂方式，六个吊点分为两组，一组为两个吊点，用于起吊月面巡视探测器2。两个吊点的合力等于月面巡视探测器2重量的5/6，并且两个吊点对质心没有附加转矩；另一组为四个吊点，分别吊挂摇臂，保证四个摇臂吊点的作用力始终通过摇臂质心。在上述情况下，即使摇臂在运动，摇臂质心在运动，整体月面巡视探测器2的质心在变化，但是通过4+2吊挂的方式，始终平衡掉月球车5/6重力，达到模拟实验环境的目的。

每根吊索1具有三维的自动调节功能，就是实现在限定范围内的X、Y、和Z方向的位移实时调整，保证吊索1始终处于铅垂和张紧状态。通过吊索1检测力传感器26，实时反馈张力的信息，动态调整张力调整装置(缓冲弹簧23和电动缸27)，实现吊索1的恒张力控制；吊索1铅垂控制以吊索1偏离铅垂的角度作为控制目标，采用角度传感器检测吊索1第二个方向的倾斜角度作为反馈，采用伺服电机15和滚珠丝杠16驱动吊索1二维跟随被吊物体，实现吊索1铅垂控制。吊索1的长度变化除电动缸27的恒张力控制外，还具有卷扬设备21的缠绕功能，保证月面巡视探测器2在俯仰和倾斜时对吊索1高度的控制。

当各个吊点整体偏离限定的工作范围时，由转盘4、横向运动小车6和纵向运动大车5带动水平跟随平台实现转向、横向移动和纵向移动，使吊点回归正常的工作范围，从而实现大范围的跟随运动。