航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置

摘要

本发明涉及一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置，用于航天员出舱活动地面模拟训练，包括横梁组件(1)、导轨组件(2)、气浮滑块组件(3)、立柱与中心转轴组件(4)、运动小车装置可完成对两套训练服工作过程的起吊，提供航天员在训练过程中的随机活动空间，满足航天员训练过程中的自主随机活动要求，并提供各种安全防护措施，保障训练过程中航天员的安全。(5)与服装吊具(6)组件以及气源与控制组件。本

权利要求

1.一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置，其特征在于：包括横梁组件(1)、导轨组件(2)、气浮滑块组件(3)、立柱与中心转轴组件(4)、运动小车(5)与服装吊具(6)组件以及气源与控制组件，横梁组件(1)采用双梁结构，一端通过气浮滑块组件(3)与立柱连接，另一端通过气浮滑块组件(3)与导轨组件(2)连接；气浮滑块组件(3)位于横梁组件(1)两端；运动小车(5)与服装吊具(6)组件可在横梁组件(1)导轨上滑动；通过气源系统向横梁组件两端气浮滑块供气；通过横梁组件(1)、导轨组件(2)、气浮滑块组件(3)、立柱与中心转轴组件(4)组成的左右移动模拟系统模拟航天员的左右移动；通过运动小车(5)、横梁组件(1)组成的前后移动模拟系统模拟航天员的前后移动；通过服装吊具(6)和控制组件组成的垂直和旋转模拟系统模拟航天员的上下和绕自身旋转运动。

2.根据权利要求1所述的一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置，其特征在于：在四个自由度等效施加作用力。

3.根据权利要求1所述的一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置，其特征在于：所述的横梁组件通过预加结构变形，减少挠度对运动小车运动时的影响。

4.根据权利要求1所述的一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置，其特征在于：所述的气浮滑块组件，底部均布12个斜向下45度直径6mm的出气孔，采用气垫技术实现气浮减阻。

5.根据权利要求1所述的一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置，其特征在于：所述的垂直和旋转模拟系统中，通过交流伺服电机，驱动器，可编程控制器，进行数据采集，形成闭环控制，模拟垂直方向失重状态。

6.根据权利要求1所述的一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置，其特征在于：所述的航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置具有2套可独立灵活运动的横梁组件，每套横梁组件配备1套运动小车与服装吊具组件悬吊1套训练服，可实现两套训练服工作过程的起吊。

说明书

航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置

背景技术

[0002] 航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置是航天员出舱活动地面模拟训练的主要大型设备之一。由于舱外航天服(和人)重约200kg，为了训练过程中的方便，需要将航天服悬吊起来，这样方便移动和操作。另外提供一定范围的活动空间，模拟在无支持漂浮状态下一些操作的力的感觉，如在漂浮状态下开出舱舱门、模拟舱外活动过程中出现故障时的紧急返回等。在整个出舱活动程序训练模拟器系统中起着重要作用。该套训练设备是航天员科研训练中心为神七出舱训练新建的三套大型训练设备之一，该设备是使用最频繁，后续训练延展性强的训练装置，不仅保证了神七航天员的出舱程序训练，同时还为未来的空间对接程序训练任务做好了准备。

[0003] 此套设备的成功研制填补了中国和亚洲载人训练设备的空白，为我国载人航天出舱活动做出了巨大贡献。

[0004] 悬吊移动装置应满足航天员在训练过程中的主要任务为：完成对训练服工作过程的起吊，提供航天员在训练过程中的随机活动时间，满足航天员训练过程中的自主随机活动要求(包括上下、左右、前后、绕自身旋转四个自由度的运动)，并提供各种安全防护措施，保障训练过程中航天员的安全。实现过程中的主要技术难点包括以下几个方面：

[0005] 1)漂浮模拟状态中，四个自由度运动相互协调与效果等同问题。

[0006] 2)复合梁结构的计算和加工精度的要求；

[0007] 3)垂直方向失重状态模拟的实现；

[0008] 4)气浮减阻的实现

[0009] 5)导轨平面的安装调节；

发明内容

[0010] 本发明要解决的问题：

[0011] 克服现有技术的不足，提供一种能够完成对训练服工作过程的起吊、提供航天员在训练过程中的随机活动空间、满足航天员训练过程中的自主随机活动要求(包括上下、左右、前后、绕自身旋转四个自由度的运动)、并提供各种安全防护措施，保障训练过程中航天员的安全的航天员出舱活动程序训练模拟器悬吊移动装置。

[0012] 本发明的技术方案：

[0013] 装置包括横梁组件1、导轨组件2、气浮滑块组件3、立柱与中心转轴组件4、运动小车5与服装吊具6组件以及气源与控制组件，横梁组件1采用双梁结构，一端通过气浮滑块组件3与立柱连接，另一端通过气浮滑块组件3与导轨2连接；气浮滑块组件3位于横梁组件1两端；运动小车5与服装吊具6组件可在横梁组件1导轨上滑动；通过气源系统向横梁组件两端气浮滑块供气；通过横梁组件1、导轨组件2、气浮滑块组件3、立柱与中心转轴组件4组成的左右移动模拟系统模拟航天员的左右移动；通过运动小车5、横梁组件1组成的前后移动模拟系统模拟航天员的前后移动；通过服装吊具6和控制组件组成的垂直和旋转模拟系统模拟航天员的上下和绕自身旋转运动。

[0014] 本发明与现有技术相比的优点：

[0015] 1)本发明通过四个自由度等效施加作用力，使航天员在四个自由度下均能运动，解决了漂浮模拟状态中，四个自由度运动相互协调与效果等同问题。

[0016] 2)本发明进行了复合梁的结构计算，通过预加结构变形，减少挠度对小车运动时的影响。

[0017] 3)控制系统通过交流伺服电机，驱动器，可编程控制器，进行数据采集，形成闭环控制，可以有效的模拟垂直方向的失重状态。

[0018] 4)旋转中心端的两个气浮盘，采用气垫技术，可以大幅减少旋转中心端的阻力，同时有效的增加了旋臂梁的扭转刚度。

[0019] 5)本装置具有2套可独立灵活运动的横梁组件，每套横梁组件配备1套运动小车与服装吊具组件悬吊1套训练服，可实现两套训练服工作过程的起吊。

附图说明

[0020] 图1出舱活动程序训练器悬吊移动装置侧视图

[0021] 图2出舱活动程序训练器悬吊移动装置俯视图

具体实施方式

[0022] 图1为出舱活动程序训练器悬吊移动装置侧视图，包括横梁组件1、导轨组件2、气浮滑块组件3、立柱与中心转轴组件4、运动小车5，服装吊具6，气路7，维修走廊8。图2为出舱活动程序训练器悬吊移动装置俯视图，其中包括中心立柱地基9。

[0023] 该装置按运动方向分为左右移动模拟系统(气浮盘、气浮平台、横梁、立柱)、前后移动模拟系统(运动小车、导轨)、垂向和旋转模拟系统(服装吊具、传感器、减速器伺服电机和控制器)；气源及控制系统和其它辅助系统(布线、安全防护)组成。其功能说明如下：

[0024] 1)左右运动

[0025] 左右运动系统由运动导轨组件、中心立柱、横梁组件及横梁组件两端的气浮滑块组件组成。

[0026] 当气源系统向横梁组件两端气浮滑块正常供气时，气浮滑块下形成高度0.1mm左右的薄气垫层，此时的摩擦力很小，在10N外力的作用下，横梁及横梁下的受训航天员绕中心立柱在导轨组件上面做圆弧旋转运动。

[0027] 2)前后运动

[0028] 前后运动系统由运动小车、滑轮、钢丝绳组成，不需要专门的控制程序。

[0029] 当航天员在辅教帮助施加一个10N的力时，运动小车在力的作用沿横梁运动时，小车在横梁导轨上滑动(摩擦系数0.005)。运动小车与导轨的接触面为滚轮，轮内装有深沟球轴承，由于钢丝绳的总长是不变的，电机和卷筒不工作，所以，钢丝绳在训练服重力的作用下保持垂直且在滑轮间滑动，而垂直方向无运动。从而实现了沿横梁组件的前后移动。

[0030] 3)上下运动

[0031] 上下运动系统由服装吊具、拉力传感器、减速器、卷筒、伺服电机、驱动器和钢丝绳组成。运动的实现靠闭环控制程序来实现。

[0032] 当航天员施加一个垂直方向的力时，控制系统接受到力作用的信息后进行处理，驱动并控制电机启动、停止；电机带动卷筒旋转运动，高度升高或降低，实现带动训练服的垂直运动。运动中，滑轮与钢丝绳间的摩擦力远小于小车与导轨间的摩擦力。

[0033] 一般情况下，运动小车的摩擦力在10N左右，所以电机带动训练服垂直方向移动时，运动小车不会产生沿横梁前后的较大幅度的运动，但受力冲击的作用，会有微小的运动。

[0034] 4)绕自身旋转运动

[0035] 旋转运动通过吊具与拉力传感器间的旋转机构来实现完成，此机构的核心运动部件为推力轴承，在重力和10N绕体轴的力的综合作用，绕体轴的力大于轴承摩擦力，从而实现绕自身旋转运动。

[0036] 装置中关键部件的尺寸参数如下：

[0037] 导轨组件

[0038] 1)气浮平台由两组160°圆弧平台组成，每组平台由5个平台单元组成；每个单元的圆弧角度32°；

[0039] 2)平台的截面宽度为400mm；

[0040] 3)两组平台的圆弧半径分别为7000mm和7500mm；

[0041] 4)平台的厚度为260mm；

[0042] 5)两组平台支架高度分别200mm、700mm；

[0043] 气浮滑块组件

[0044] 1)横梁旋转端气浮盘，单个直径350mm，盘底均布12个斜向下45度直径6mm的出气孔。平均气浮高度0.1mm以上。摩擦系数小于0.001，能够在0.08-0.3MPa内稳定工作，每个垫升浮力大于3000N。

[0045] 2)横梁立柱端气浮盘结构，单个直径240mm，盘底均布12个斜向下45度直径6mm的出气孔。平均气浮高度0.1mm以上。摩擦系数小于0.001，能够在0.08-0.3MPa内稳定工作，每个垫升浮力大于1500N。

[0046] 横梁组件

[0047] 上部横梁长7975mm；

[0048] 下部横梁长7473mm；

[0049] 双梁结构，横梁总宽600mm，高300mm。内缝宽度280mm，用于走线架走线和作为电机减速器的安装空间，同时提供运动小车悬吊滑轮的运动空间

[0050] 系统主要指标如下：

[0051] 1)具有2套可独立灵活运动的横梁组件，每套横梁组件配备1套小车与服装吊具组件悬吊1套训练服；

[0052] 2)训练服可实现三维平移和绕航天员纵轴转动，活动空间不小于：5m×3m×1.5m(长、宽、高)；

[0053] 3)横梁自重产生的弹性挠度小于2mm，在最大工作负载的情况下，横梁产生的总挠度小于5mm；

[0054] 4)横梁自重不超过3500N；

[0055] 5)横梁绕立柱中心转轴的转动角度不小于150°；

[0056] 6)圆弧导轨组件的重量不超过80000N；

[0057] 7)圆弧导轨组件的最小半径为7000mm；

[0058] 8)圆弧导轨的表面粗糙度不大于12.5μm；

[0059] 9)整个导轨面允许拼接，但拼接平面水平度(500mm×500mm范围内)不大于0.1mm；

[0060] 10)导轨接缝处错位不超过0.05mm；

[0061] 11)气垫滑块最小泄流高度不小于0.1mm；

[0062] 12)运动小车与服装吊具组件起吊重量不小于2500N，自身重量小于1000N；

[0063] 13)悬吊物体上下运动的速度最大不超过0.3m/s；

[0064] 14)气浮噪声小于65db(离声源5m处作为测量点)；

[0065] 15)气浮模块耗气量不超过6.5m3/min(标准状态下)。