一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103482089103482089A(43)申请公布日2014.01.01(21)申请号201310466806.5(22)申请日2013.10.09(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人贾英民孙施浩贾娇(51)Int.Cl.B64G7/00(2006.01)权权利要求书2页利要求书2页说明书5页说明书5页附图3页附图3页(54)发明名称一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法(57)摘要一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，该系统由无约束连接、竖直恒张力悬挂、水平随动及控制模块组成。无约束连接模块包括连接套、外装框、施力件和低摩擦轴承，使航天器可绕质心做近似无约束转动；竖直恒张力悬挂模块包括力矩电机、齿轮齿条、悬挂吊丝和张力传感器，使航天器运动中受到的吊丝拉力等于重力；水平随动模块包括伺服电机、导轨、同步带和倾角传感器，使悬挂模块跟随航天器水平运动以保证吊丝处于竖直状态；控制模块包括采集卡、驱动器和运动控制卡。本发明可补偿地面试验环境中航天器的重力，进而用于再现其在空间微重力环境下的真实运动，具有运行稳定、补偿彻底等优点，可提供近似无约束六自由度运动的微重力环境。CN103482089ACN1034829ACN103482089A权利要求书1/2页1.一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，其特征是：系统由无约束连接模块、水平随动模块、竖直恒张力悬挂模块及控制模块组成，用以提供地面试验航天器近似无约束六自由度运动的微重力环境。2.根据权利1要求所述的一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，其特征是：所述无约束连接模块包括连接套、外装框、施力件和低摩擦轴承，外装框通过连接套和低摩擦推力球轴承与悬挂吊丝相连，外装框通过施力件和低摩擦深沟球轴承与被补偿航天器相连，使航天器在外装框内绕质心做近似无约束滚动和俯仰的姿态调整运动，航天器与外装框一起绕航天器质心做近似无约束偏航的姿态调整运动。3.根据权利1要求所述的一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，其特征是：所述水平随动模块包括伺服电机、导轨、同步带、二维倾角传感器、移动天车和支撑框架，其中，倒L型支撑框架底部通过固定座固定在地面，倒L型支撑框架顶部安装两根可调整水平位置的连接板，X方向的两根直线导轨安装在连接板上，Y方向的两根直线导轨安装在X方向直线导轨滑块表面上，移动天车安装在Y方向直线导轨上的滑块表面上，通过调整连接板使移动天车表面处于水平状态，移动天车与竖直恒张力悬挂模块相固连，两个伺服电机通过同步带连接可分别带动移动天车和竖直恒张力悬挂模块沿X、Y方向做往复运动，两个对称安装的二维倾角传感器同时测量航天器运动过程中悬挂吊丝偏离竖直方向的两个夹角，将测量数据融合输送给控制模块，通过控制伺服电机运行加速度使航天器运动过程中悬挂吊丝处于竖直状态，保证悬挂吊丝对航天器不产生水平方向干扰力。4.根据权利1要求所述的一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，其特征是：所述竖直恒张力悬挂模块包括力矩电机、齿轮齿条、悬挂吊丝和S型张力传感器，其中，悬挂吊丝一端与齿条固连，另一端与无约束连接模块中的连接套固连，力矩电机通过齿轮连接可驱动齿条、悬挂吊丝和无约束连接模块在竖直方向上做往复运动，S型张力传感器测量航天器运动过程中悬挂吊丝的张力，将测量数据输送给控制模块，通过控制力矩电机运行加速度使航天器运动过程中悬挂吊丝的张力等于航天器和无约束连接模块所受重力之和，保证航天器运动过程中悬挂吊丝的张力始终恒定。5.根据权利1要求所述的一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，其特征是：所述控制模块包括采集卡、驱动器和运动控制卡，其中，采集卡采集S型张力传感器和二维倾角传感器的测量数据作为运动控制器的反馈输入，同时采集卡采集航天器本身运动状态数据（由航天器内装传感器提供）作为运动控制器的前馈输入，经运动控制卡解算和驱动器电流输出使力矩电机和伺服电机达到期望运转速度和加速度，实现航天器运动过程中的悬挂吊丝张力恒定，偏角为零的控制目标。6.根据权利1要求所述的一种无约束悬挂式主动重力补偿系统设计方法，其特征是：该系统的工作步骤如下：(A)通过水平调整连接板调节移动天车的水平度，使移动天车处于水平状态；(B)将航天器通过施力件与外装框相连，调整施力件与航天器连接位置使施力件对航天器的作用力通过航天器质心以达到航天器绕质心转动的随遇平衡状态；(C)打开采集卡和传感器电源，记录航天器初始静止时S型张力传感器和二维倾角传感器的测量输出，将测量值作为控制模块运行的期望值；(D)打开所有电源，启动系统，航天器在自身控制系统作用下在地面实验室环境中完成2CN10