一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车

1.本发明涉及一种智能跟随气浮车，具体涉及一种三维空间智能跟随功能的气浮车，属于航天机械结构领域。


背景技术：

2.随着空间科学技术的不断发展，无论是近地导航还是深空探测，航天器的研发频率越来越高，系统功能越来越复杂，验证新技术新方案的频次越来越多。然而，航天器的技术风险性高、系统功能复杂、发射成本较高、试验失败损失较大，为了尽可能降低航天器发生故障或失效造成的损失，保证航天器的高可靠性尤为重要。因此，在地面进行尽可能多的基于空间环境的试验模拟是发射任务成功的基本保障。其中较为关键的是地面模拟微重力环境，目前可大致分为地面托举式和悬吊式两种方案。
3.悬吊式方案虽然布置起来更加灵活，但是对于大型空间展开机构往往存在尺寸大，运动复杂的特点。为了满足这类展开机构的展开需要，悬吊式方案需要加工大型磁性基座成本高昂显得较不适宜。若直接采用大型气浮平台尺寸必须足够大，往往需要多块小型平台拼装组成，这对平台的加工和安装均提出了苛刻的技术要求，并且在相邻两块小型平台的接缝处容易产生卡滞现象，影响待试验机构的正常运动。为了满足大型空间展开机构复杂运动的需要，其随动工装一般结构复杂且质量过大，有时甚至为展开机构自身质量的数倍以上，这必然会对展开机构引入较大的附加阻力和附加阻力矩，严重影响试验的精度和准确性。因此，有必要设计一种智能跟随气浮车以解决上述问题。本发明是发明专利[空间智能跟随气浮台，申请号：201010257031.7]的后续专利。依附于先前专利，在上一代空间智能跟随气浮台基础功能的要求下进行了升级改造，设计了一种智能跟随气浮车以满足大型空间展开机构的实验要求。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术中存在的如下问题：(1)加工大型气浮平台或大型磁性基座成本高昂；(2)小型气浮平台拼接在接缝处容易出现卡滞；(3)随动工装结构比较复杂且质量过大给大型空间展开机构引入较大的附加阻力和附加阻力矩，严重影响地面微重力模拟实验的精度。本发明主要目的是提供一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，能够在三维空间上智能跟随大型空间展开机构的运动，从而抵消被测实验对象的重力。本发明无需加工大型气浮平台或磁性基座，既能够满足在地面实验室环境下模拟外层空间力学环境的要求，又不会对展开机构引入过多的附加阻力及附加阻力矩，提高大型空间展开机构地面试验的精度和准确性。
[0005]
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]
本发明公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，包括重力卸载子系统、智能跟随子系统、气源组件和测控子系统。
[0007]
智能跟随子系统包括气浮板后限位条、倾角传感器、气浮板前限位条、支撑辊子、
激光传感器转接板、激光传感器、激光传感器安装板、激光传感器遮光板、上层气足限位块、上层气足、上层力传感器转接工装、上层力传感器、组合托架、丝杠升降台、麦克纳姆车、气浮支撑平台、气浮支撑平台加强筋、下层力传感器、下层力传感器转接工装、下层气足、丝杠、手摇轮、前光轴安装条、麦克纳姆车电气接口、麦克纳姆轮、升降梁、铜套、气浮支撑平台光轴、麦克纳姆车弹簧、麦克纳姆车弹簧杆上盖、后光轴安装板。
[0008]
重力卸载子系统包括定滑轮加强筋、大定滑轮、顶端上方加强筋、小定滑轮、顶端下方加强筋、绳索、气浮滑块、滚轮、组合托架防撞块、气浮导轨、立柱、立柱吊环、配重箱吊环、配重、配重限位块、配重箱弹簧杆端盖、竖直导轨连接板、配重箱弹簧、竖直导轨滑块、立柱后板、竖直导轨、配重箱防撞块。
[0009]
气源组件包括空气过滤器、减压阀、油雾器和供气源。
[0010]
测控子系统包括上位机即人机交互模块和下位机即智能跟随控制模块。
[0011]
所述智能跟随子系统包含x1个支撑辊子，x1个支撑辊子对称安装在组合托架的上面，其中x1≥4。
[0012]
所述智能跟随子系统包含x2个激光传感器遮光板，x2个激光传感器遮光板两两相互垂直的安装，其中x2≥2。
[0013]
所述智能跟随子系统包含x3个激光传感器，x3个激光传感器通过激光传感器转接板固定在激光传感器安装板上面，其中x3≥3。测控子系统通过获取x3个激光传感器与激光传感器遮光板之间的距离，并进行计算得出平面内物体运动过程中的平移量和旋转量，再将平移量和旋转量解算转换为麦克纳姆车的驱动信号，从而带动智能跟随气浮车运动。所述麦克纳姆车内部包括电机、多级减速器、编码器、ad采集板、传动轴和控制模块。
[0014]
所述激光测距的原理如下：
[0015]
根据几何关系
[0016]d2-l2＝d
3 cosα-l3+(d
3 sinα-x
23
)tanθ
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]
得出任意旋转角度
[0018][0019]
其中：θ为组合托架旋转的任意角度，α为2号和3号激光传感器的安装角度，l2为2号激光传感器与1号激光传感器安装的垂直距离，l3为3号激光传感器与1号激光传感器安装的垂直距离，x
23
为2号激光传感器与3号激光传感器安装的水平距离。
[0020]
所述智能跟随子系统包含x4套上层气足限位块、上层气足、上层力传感器转接工装和上层力传感器，其中x4≥3。上层力传感器、上层力传感器转接工装、上层气足按从下之上的顺序安装在组合托架的上面，为防止组合托架发生倾覆还设置了机械限位保护气浮板前限位条、气浮板后限位条和上层气足限位块，其中，气浮板前限位条和气浮板后限位条布置在组合托架的两侧。
[0021]
所述智能跟随子系统包含x5套下层力传感器、下层力传感器转接工装和下层气足，其中x5≥3。下层气足、下层力传感器转接工装、下层力传感器按从下之上的顺序依次安装均固连在气浮支撑平台的气浮支撑平台加强筋上，气浮支撑平台的前端通过气浮支撑平台光轴和丝杠与麦克纳姆车相连。所述气浮支撑平台采用气浮原理利用下层气足将整个智能跟随气浮车从地面托起，使两者之间形成气膜，以达到零重力实验的目的。通过手摇轮调
节丝杠的上下运动控制麦克纳姆车的升降，进而实现智能跟随气浮车主动模式和被动模式的切换。其中被动模式需要调节手摇轮使麦克纳姆车升起脱离地面，智能跟随气浮车在下层气足的作用下浮于地面，被动跟随大型空间展开机构的运动而运动；主动模式需要调节手摇轮使麦克纳姆车与地面接触且还需与地面保持固定的预压力，以防止麦克纳姆车在跟随运动的过程中发生打滑现象，在主动模式下根据激光传感器的反馈信号，通过测控子系统解算转换为麦克纳姆车的驱动信号，进而驱动智能跟随气浮车主动跟随大型空间展开机构的运动。
[0022]
所述测控子系统通过获取x4套上层力传感器和x5套下层力传感器的信号进行计算，并将计算后的数据回传到上位机，上位机实时显示接收到的数据并把数据存储到数据库中，通过对数据库中的数据进行分析可以得出大型空间展开机构的卸载效率。
[0023]
所述重力卸载子系统包含x6套小定滑轮、大定滑轮、配重箱吊环和滚轮，其中x6≥2。小定滑轮和大定滑轮分别固定在立柱顶端的两侧，配重箱吊环安装在配重箱上面，滚轮安装在组合托架的内侧，滚轮、小定滑轮、大定滑轮、配重箱吊环通过绳索依次连接，进而实现配重箱和组合托架的联动。
[0024]
所述重力卸载子系统包含x7个气浮滑块，x7个气浮滑块均布在气浮导轨的前后两侧，进而实现组合托架在x7个气浮滑块的作用下沿着气浮导轨的上下运动，其中x7≥2。
[0025]
作为优选，在配重箱周边布设缓冲装置，通过缓冲装置减小智能跟随气浮车在运动过程中配重箱的震动，提高地面微重力模拟实验数据的准确性。所述缓冲装置为配重箱弹簧、竖直导轨滑块、竖直导轨或者采用液压缓冲装置。
[0026]
作为优选，配重箱内的配重选择使用多个薄钢板，通过增加或减少薄钢板的数量以配平组合托架一端的质量，提高智能跟随气浮车适配不同空间展开机构的能力。
[0027]
作为优选，下层气足、气浮导轨、气浮滑块、上层气足和支撑辊子应设置防尘装置。
[0028]
作为优选，在气浮导轨的最下端设置有组合托架防撞块，同样地在竖直导轨的最下端也设置有配重箱防撞块，以避免组合托架和配重箱在上下运动至极限位置时与气浮支撑平台发生碰撞，此外还能缓冲因配重箱意外坠落时对气浮支撑平台的冲击。
[0029]
作为优选，配重箱的绳索布置采用左右对称布局，即左右两侧的配重箱吊环与前端组合托架上面左右两侧的滚轮连接同一根绳索，同样地相对应的中间两个配重箱吊环与前端组合托架上面中间两个滚轮连接同一根绳索，通过改变绳索的长度使左右两侧的绳索主要承力，中间的绳索起到安全防护的作用。这种布局若出现意外导致其中一根绳索断裂，左右对称的悬挂布局使得另一根绳索作用的合力仍然竖直向上，防止配重箱发生倾斜或坠落的危险。
[0030]
作为优选，所述组合托架的顶端安装有倾角传感器，通过调节上层力传感器转接工装与上层气足之间的距离使组合托架保持在水平状态。避免由于组合托架未处于水平状态导致与空间展开机构所固连的试验件在重力的作用下产生偏移，增加实验过程中的附加阻力和附加阻力距，降低智能跟随气浮车的卸载效率。
[0031]
本发明公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车的工作方式分为两种，分别为被动模式和主动模式。
[0032]
智能跟随气浮车预先与大型空间展开机构固连，在被动模式下，调整气源组件关闭组合托架上面上层气足的供气开关，打开气浮支撑平台上面下层气足的供气开关，调节
手摇轮使麦克纳姆车升起脱离地面，实现智能跟随气浮车被动跟随大型空间展开机构的运动而运动。在主动模式下，调整气源组件打开组合托架上面上层气足的供气开关，打开气浮支撑平台上面下层气足的供气开关，反向调节手摇轮使麦克纳姆车与地面接触并保持固定的预压力，以防止麦克纳姆车在跟随运动的过程中发生打滑现象，当大型空间展开机构开始运动时，与大型空间展开机构所固连的组合托架同步运动，此时激光传感器、上层力传感器和下层力传感器的数值开始发生变化并实时将它们的信号传递至测控子系统中，测控子系统通过ad采集板采集激光传感器、上层力传感器和下层力传感器的信号，通过解算转换为麦克纳姆车的驱动信号，进行主动跟随大型空间展开机构的运动。当大型空间展开机构进行竖直方向的运动时，通过调整配重的数量来配平气浮导轨的摩擦力，从而实现大型空间展开机构的零重力实验。
[0033]
有益效果：
[0034]
1、本发明公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，不在需要设计加工大型气浮平台或大型磁性基座而是利用智能跟随气浮车的上层气足、下层气足和麦克纳姆车实现跟随大型空间展开机构的运动，降低地面微重力实验的成本。
[0035]
2、本发明公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，采用丝杠和麦克纳姆车实现智能跟随气浮车的主动模式，减小大型空间展开机构随动工装的质量，进而减小大型空间展开机构在实验过程中的附加阻力和附加阻力矩，提高地面微重力模拟实验的精度。
[0036]
3、本发明公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，采用组合托架、气浮导轨、配重箱的协同作用实现大型空间展开机构在竖直方向运动的零重力卸载，此外还在配重箱及组合托架部位布设缓冲装置，减小智能跟随气浮车在跟随大型空间展开机构运动过程中的震动，具有运动平稳、卸载效率高的优点。
[0037]
4、本发明公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，依靠激光传感器、麦克纳姆车、气浮导轨、配重箱和测控子系统的协同作用实现对大型空间展开机构的三维空间智能跟随。
附图说明
[0038]
图1是本技术实施例中一种智能跟随气浮车结构的示意图。
[0039]
图2是本技术实施例中组合式激光传感器结构的示意图。
[0040]
图3是本技术实施例中组合式激光传感器工作原理的示意图。
[0041]
图4是本技术实施例中一种智能跟随气浮车上层部分结构的示意图；
[0042]
图5是本实施例中组合托架结构的示意图。
[0043]
图6是本技术实施例中重力卸载子系统结构的示意图。
[0044]
图7是本技术实施例中重力卸载子系统结构的局部剖视图。
[0045]
图8是本技术实施例中一种智能跟随气浮车底部支撑结构的示意图。
[0046]
图9是本技术实施例中麦克纳姆车结构的示意图。
[0047]
其中：1.1—定滑轮加强筋、1.2—大定滑轮、1.3—顶端上方加强筋、1.4—小定滑轮、1.5—顶端下方加强筋、2—绳索、3—气浮滑块、4.1—气浮板后限位条、4.2—倾角传感器、4.3—气浮板前限位条、4.4—支撑辊子、5—滚轮、6—组合托架防撞块、7—气浮导轨、
8—立柱、9—立柱吊环、10—组合托架、11—丝杠升降台、12—麦克纳姆车、13.1—气浮支撑平台、13.2—气浮支撑平台加强筋、14.1—激光传感器转接板、14.2—激光传感器、14.3—激光传感器安装板、14.4—激光传感器遮光板、15.1—上层气足限位块、15.2—上层气足、15.3—上层力传感器转接工装、15.4—上层力传感器、16.1—配重箱吊环、16.2—配重、16.3—配重限位块、16.4—配重箱弹簧杆端盖、16.5—竖直导轨连接板、16.6—配重箱弹簧、16.7—竖直导轨滑块、17—立柱后板、18.1—下层力传感器、18.2—下层力传感器转接工装、18.3—下层气足、19—竖直导轨、20—配重箱防撞块、21.1—丝杠、21.2—手摇轮、21.3—前光轴安装条、21.4—麦克纳姆车电气接口、21.5—麦克纳姆轮、21.6—升降梁、21.7—铜套、21.8—气浮支撑平台光轴、21.9—麦克纳姆车弹簧、21.10—麦克纳姆车弹簧杆上盖、21.11—后光轴安装板。
具体实施方式
[0048]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0049]
参照图1、图4和图6，本实施例公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，包括智能跟随子系统、重力卸载子系统、气源组件和测控子系统。
[0050]
智能跟随子系统包括气浮板后限位条4.1、倾角传感器4.2、气浮板前限位条4.3、支撑辊子4.4、激光传感器转接板14.1、激光传感器14.2、激光传感器安装板14.3、激光传感器遮光板14.4、上层气足限位块15.1、上层气足15.2、上层力传感器转接工装15.3、上层力传感器15.4、组合托架10、丝杠升降台11、麦克纳姆车12、气浮支撑平台13.1、气浮支撑平台加强筋13.2、下层力传感器18.1、下层力传感器转接工装18.2、下层气足18.3、丝杠21.1、手摇轮21.2、前光轴安装条21.3、麦克纳姆车电气接口21.4、麦克纳姆轮21.5、升降梁21.6、铜套21.7、气浮支撑平台光轴21.8、麦克纳姆车弹簧21.9、麦克纳姆车弹簧杆上盖21.10、后光轴安装板21.11；
[0051]
重力卸载子系统包括定滑轮加强筋1.1、大定滑轮1.2、顶端上方加强筋1.3、小定滑轮1.4、顶端下方加强筋1.5、绳索2、气浮滑块3、滚轮5、组合托架防撞块6、气浮导轨7、立柱8、立柱吊环9、配重箱吊环16.1、配重16.2、配重限位块16.3、配重箱弹簧杆端盖16.4、竖直导轨连接板16.5、配重箱弹簧16.6、竖直导轨滑块16.7、立柱后板17、竖直导轨19、配重箱防撞块20；
[0052]
气源组件包括空气过滤器、减压阀、油雾器和供气源；
[0053]
测控子系统包括上位机即人机交互模块和下位机即智能跟随控制模块。
[0054]
在本实施例中，所述智能跟随子系统包含四个支撑辊子4.4，四个支撑辊子4.4对称安装在组合托架10的上面。所述智能跟随子系统包含四个激光传感器遮光板14.4，四个激光传感器遮光板14.4两两相互垂直的安装。所述智能跟随子系统包含三个激光传感器14.2，三个激光传感器14.2通过激光传感器转接板14.1固定在激光传感器安装板14.3上面。测控子系统通过获取三个激光传感器14.2与激光传感器遮光板14.4之间的距离，并进行计算可得出平面内物体运动过程中的平移量和旋转量，再将平移量和旋转量解算转换为麦克纳姆车12的驱动信号，从而带动智能跟随气浮车运动。所述麦克纳姆车12内部包括电机、多级减速器、编码器、ad采集板、传动轴和控制模块。参照图4，图9。
[0055]
所述激光测距的原理如下，参照图3：
[0056]
根据几何关系
[0057]d2-l2＝d
3 cosα-l3+(d
3 sinα-x
23
)tanθ
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0058]
可得出任意旋转角度
[0059][0060]
其中：θ为组合托架旋转的任意角度，α为2号和3号激光传感器的安装角度，l2为2号激光传感器与1号激光传感器安装的垂直距离，l3为3号激光传感器与1号激光传感器安装的垂直距离，x
23
为2号激光传感器与3号激光传感器安装的水平距离。在本实施例中取α＝8
°
,l2＝312.1mm,l3＝336.4mm,x
23
＝40.9mm。
[0061]
所述智能跟随子系统包含四套上层气足限位块15.1、上层气足15.2、上层力传感器转接工装15.3和上层力传感器15.4。上层力传感器15.4、上层力传感器转接工装15.3、上层气足15.2按从下之上的顺序安装在组合托架10的上面，为防止组合托架10发生倾覆还设置了机械限位保护气浮板前限位条4.3、气浮板后限位条4.1和上层气足限位块15.1，其中，气浮板前限位条4.3和气浮板后限位条4.1布置在组合托架10的两侧，参照图4。
[0062]
所述智能跟随子系统包含八套下层力传感器18.1、下层力传感器转接工装18.2和下层气足18.3。下层气足18.3、下层力传感器转接工装18.2、下层力传感器18.1按从下之上的顺序依次安装均固连在气浮支撑平台13.1的气浮支撑平台加强筋13.2上，气浮支撑平台13.1的前端通过气浮支撑平台光轴21.8和丝杠21.1与麦克纳姆车12相连。所述气浮支撑平台13.1采用气浮原理利用下层气足18.3将整个智能跟随气浮车从地面托起，使两者之间形成气膜，以达到零重力实验的目的，参照图8。通过手摇轮21.2调节丝杠21.1的上下运动控制麦克纳姆车12的升降，进而实现智能跟随气浮车主动模式和被动模式的切换。其中被动模式需要调节手摇轮21.2使麦克纳姆车12升起脱离地面，智能跟随气浮车在下层气足18.3的作用下浮于地面，被动跟随大型空间展开机构的运动而运动；主动模式需要调节手摇轮21.2使麦克纳姆车12与地面接触且还需与地面保持固定的预压力，以防止麦克纳姆车12在跟随运动的过程中发生打滑现象，在主动模式下根据激光传感器14.2的反馈信号，通过测控子系统解算转换为麦克纳姆车12的驱动信号，进而驱动智能跟随气浮车主动跟随大型空间展开机构的运动，参照图1、图8和图9。
[0063]
所述测控子系统通过获取四套上层力传感器15.4和八套下层力传感器18.1的信号进行计算，并将计算后的数据回传到上位机，上位机实时显示接收到的数据并把数据存储到数据库中，通过对数据库中的数据进行分析可以得出大型空间展开机构的卸载效率。
[0064]
所述重力卸载子系统包含四套小定滑轮1.4、大定滑轮1.2、配重箱吊环16.1和滚轮5。小定滑轮1.4和大定滑轮1.2分别固定在立柱8顶端的两侧，配重箱吊环16.1安装在配重箱上面，滚轮5安装在组合托架10的内侧，滚轮5、小定滑轮1.4、大定滑轮1.2、配重箱吊环16.1通过绳索2依次连接，进而实现配重箱和组合托架10的联动。所述重力卸载子系统包含八个气浮滑块3，八个气浮滑块3按前面四个后面四个的布局分布在气浮导轨7的两侧，进而实现组合托架10在八个气浮滑块3的作用下沿着气浮导轨7的上下运动，参照图6、图7。
[0065]
本实施例公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车的工作方式分为两种，分别为被动模式和主动模式。
[0066]
智能跟随气浮车预先与大型空间展开机构固连，在被动模式下，调整气源组件关闭组合托架10上面上层气足15.2的供气开关，打开气浮支撑平台13.1上面下层气足18.3的供气开关，调节手摇轮21.2使麦克纳姆车12升起脱离地面，实现智能跟随气浮车被动跟随大型空间展开机构的运动而运动。在主动模式下，调整气源组件打开组合托架10上面上层气足15.2的供气开关，打开气浮支撑平台13.1上面下层气足18.3的供气开关，反向调节手摇轮21.2使麦克纳姆车12与地面接触并保持固定的预压力，以防止麦克纳姆车12在跟随运动的过程中发生打滑现象，当大型空间展开机构开始运动时，与大型空间展开机构所固连的组合托架10同步运动，此时激光传感器14.2、上层力传感器15.4和下层力传感器18.1的数值开始发生变化并实时将它们的信号传递至测控子系统中，测控子系统通过ad采集板采集激光传感器14.2、上层力传感器15.4和下层力传感器18.1的信号，通过解算转换为麦克纳姆车12的驱动信号，进行主动跟随大型空间展开机构的运动。当大型空间展开机构进行竖直方向的运动时，通过调整配重16.2的数量来配平气浮导轨的摩擦力，从而实现大型空间展开机构的零重力实验。
[0067]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：包括重力卸载子系统、智能跟随子系统、气源组件和测控子系统；智能跟随子系统包括气浮板后限位条(4.1)、倾角传感器(4.2)、气浮板前限位条(4.3)、支撑辊子(4.4)、激光传感器转接板(14.1)、激光传感器(14.2)、激光传感器安装板(14.3)、激光传感器遮光板(14.4)、上层气足限位块(15.1)、上层气足(15.2)、上层力传感器转接工装(15.3)、上层力传感器(15.4)、组合托架(10)、丝杠升降台(11)、麦克纳姆车(12)、气浮支撑平台(13.1)、气浮支撑平台加强筋(13.2)、下层力传感器(18.1)、下层力传感器转接工装(18.2)、下层气足(18.3)、丝杠(21.1)、手摇轮(21.2)、前光轴安装条(21.3)、麦克纳姆车电气接口(21.4)、麦克纳姆轮(21.5)、升降梁(21.6)、铜套(21.7)、气浮支撑平台光轴(21.8)、麦克纳姆车弹簧(21.9)、麦克纳姆车弹簧杆上盖(21.10)、后光轴安装板(21.11)；重力卸载子系统包括定滑轮加强筋(1.1)、大定滑轮(1.2)、顶端上方加强筋(1.3)、小定滑轮(1.4)、顶端下方加强筋(1.5)、绳索(2)、气浮滑块(3)、滚轮(5)、组合托架防撞块(6)、气浮导轨(7)、立柱(8)、立柱吊环(9)、配重箱吊环(16.1)、配重(16.2)、配重限位块(16.3)、配重箱弹簧杆端盖(16.4)、竖直导轨连接板(16.5)、配重箱弹簧(16.6)、竖直导轨滑块(16.7)、立柱后板(17)、竖直导轨(19)、配重箱防撞块(20)；气源组件包括空气过滤器、减压阀、油雾器和供气源；测控子系统包括上位机即人机交互模块和下位机即智能跟随控制模块；所述智能跟随子系统包含x1个支撑辊子(4.4)，x1个支撑辊子(4.4)对称安装在组合托架(10)的上面，其中x1≥4；所述智能跟随子系统包含x2个激光传感器遮光板(14.4)，x2个激光传感器遮光板(14.4)两两相互垂直的安装，其中x2≥2；所述智能跟随子系统包含x3个激光传感器(14.2)，x3个激光传感器(14.2)通过激光传感器转接板(14.1)固定在激光传感器安装板(14.3)上面，其中x3≥3；测控子系统通过获取x3个激光传感器(14.2)与激光传感器遮光板(14.4)之间的距离，并进行计算得出平面内物体运动过程中的平移量和旋转量，再将平移量和旋转量解算转换为麦克纳姆车(12)的驱动信号，从而带动智能跟随气浮车运动；所述麦克纳姆车(12)内部包括电机、多级减速器、编码器、ad采集板、传动轴和控制模块；所述智能跟随子系统包含x4套上层气足限位块(15.1)、上层气足(15.2)、上层力传感器转接工装(15.3)和上层力传感器(15.4)，其中x4≥3；上层力传感器(15.4)、上层力传感器转接工装(15.3)、上层气足(15.2)按从下之上的顺序安装在组合托架(10)的上面，为防止组合托架(10)发生倾覆还设置了机械限位保护气浮板前限位条(4.3)、气浮板后限位条(4.1)和上层气足限位块(15.1)，其中，气浮板前限位条(4.3)和气浮板后限位条(4.1)布置在组合托架(10)的两侧；所述智能跟随子系统包含x5套下层力传感器(18.1)、下层力传感器转接工装(18.2)和下层气足(18.3)，其中x5≥3；下层气足(18.3)、下层力传感器转接工装(18.2)、下层力传感器(18.1)按从下之上的顺序依次安装均固连在气浮支撑平台(13.1)的气浮支撑平台加强筋(13.2)上，气浮支撑平台(13.1)的前端通过气浮支撑平台光轴(21.8)和丝杠(21.1)与麦克纳姆车(12)相连；所述气浮支撑平台(13.1)采用气浮原理利用下层气足(18.3)将整个智
能跟随气浮车从地面托起，使两者之间形成气膜，以达到零重力实验的目的；通过手摇轮(21.2)调节丝杠(21.1)的上下运动控制麦克纳姆车(12)的升降，进而实现智能跟随气浮车主动模式和被动模式的切换；其中被动模式需要调节手摇轮(21.2)使麦克纳姆车(12)升起脱离地面，智能跟随气浮车在下层气足(18.3)的作用下浮于地面，被动跟随大型空间展开机构的运动而运动；主动模式需要调节手摇轮(21.2)使麦克纳姆车(12)与地面接触且还需与地面保持固定的预压力，以防止麦克纳姆车(12)在跟随运动的过程中发生打滑现象，在主动模式下根据激光传感器(14.2)的反馈信号，通过测控子系统解算转换为麦克纳姆车(12)的驱动信号，进而驱动智能跟随气浮车主动跟随大型空间展开机构的运动；所述测控子系统通过获取x4套上层力传感器(15.4)和x5套下层力传感器(18.1)的信号进行计算，并将计算后的数据回传到上位机，上位机实时显示接收到的数据并把数据存储到数据库中，通过对数据库中的数据进行分析可以得出大型空间展开机构的卸载效率；所述重力卸载子系统包含x6套小定滑轮(1.4)、大定滑轮(1.2)、配重箱吊环(16.1)和滚轮(5)，其中x6≥2；小定滑轮(1.4)和大定滑轮(1.2)分别固定在立柱(8)顶端的两侧，配重箱吊环(16.1)安装在配重箱上面，滚轮(5)安装在组合托架(10)的内侧，滚轮(5)、小定滑轮(1.4)、大定滑轮(1.2)、配重箱吊环(16.1)通过绳索(2)依次连接，进而实现配重箱和组合托架(10)的联动；所述重力卸载子系统包含x7个气浮滑块(3)，x7个气浮滑块(3)均布在气浮导轨(7)的前后两侧，其中x7≥2。2.如权利要求1所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：所述激光测距的原理如下：根据几何关系d
2-l2＝d
3 cosα-l3+(d
3 sinα-x
23
)tanθ
ꢀꢀ
(1)得出任意旋转角度其中：θ为组合托架旋转的任意角度，α为2号和3号激光传感器的安装角度，l2为2号激光传感器与1号激光传感器安装的垂直距离，l3为3号激光传感器与1号激光传感器安装的垂直距离，x
23
为2号激光传感器与3号激光传感器安装的水平距离。3.如权利要求1所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：在配重箱周边布设缓冲装置，通过缓冲装置减小智能跟随气浮车在运动过程中配重箱的震动，提高地面微重力模拟实验数据的准确性；所述缓冲装置为配重箱弹簧(16.6)、竖直导轨滑块(16.7)、竖直导轨(19)或者采用液压缓冲装置。4.如权利要求1所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：配重箱内的配重(16.2)选择使用多个薄钢板，通过增加或减少薄钢板的数量以配平组合托架(10)一端的质量，提高智能跟随气浮车适配不同空间展开机构的能力。5.如权利要求1所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：下层气足(18.3)、气浮导轨(7)、气浮滑块(3)、上层气足(15.2)和支撑辊子(4.4)应设置防尘装置。6.如权利要求1所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：在
气浮导轨(7)的最下端设置有组合托架防撞块(6)，同样地在竖直导轨(19)的最下端也设置有配重箱防撞块(20)，以避免组合托架(10)和配重箱在上下运动至极限位置时与气浮支撑平台(13.1)发生碰撞，此外还能缓冲因配重箱意外坠落时对气浮支撑平台(13.1)的冲击。7.如权利要求1所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：配重箱的绳索(2)布置采用左右对称布局，即左右两侧的配重箱吊环(16.1)与前端组合托架(10)上面左右两侧的滚轮(5)连接同一根绳索(2)，同样地相对应的中间两个配重箱吊环(16.1)与前端组合托架(10)上面中间两个滚轮(5)连接同一根绳索(2)，通过改变绳索(2)的长度使左右两侧的绳索(2)主要承力，中间的绳索(2)起到安全防护的作用；这种布局若出现意外导致其中一根绳索(2)断裂，左右对称的悬挂布局使得另一根绳索(2)作用的合力仍然竖直向上，防止配重箱发生倾斜或坠落的危险。8.如权利要求1所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：所述组合托架(10)的顶端安装有倾角传感器(4.2)，通过调节上层力传感器转接工装(15.3)与上层气足(15.2)之间的距离使组合托架(10)保持在水平状态；避免由于组合托架(10)未处于水平状态导致与空间展开机构所固连的试验件在重力的作用下产生偏移，增加实验过程中的附加阻力和附加阻力距，降低智能跟随气浮车的卸载效率。9.如权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，其特征在于：智能跟随气浮车预先与大型空间展开机构固连，在被动模式下，调整气源组件关闭组合托架(10)上面上层气足(15.2)的供气开关，打开气浮支撑平台(13.1)上面下层气足(18.3)的供气开关，调节手摇轮(21.2)使麦克纳姆车(12)升起脱离地面，实现智能跟随气浮车被动跟随大型空间展开机构的运动而运动；在主动模式下，调整气源组件打开组合托架(10)上面上层气足(15.2)的供气开关，打开气浮支撑平台(13.1)上面下层气足(18.3)的供气开关，反向调节手摇轮(21.2)使麦克纳姆车(12)与地面接触并保持固定的预压力，以防止麦克纳姆车(12)在跟随运动的过程中发生打滑现象，当大型空间展开机构开始运动时，与大型空间展开机构所固连的组合托架(10)同步运动，此时激光传感器(14.2)、上层力传感器(15.4)和下层力传感器(18.1)的数值开始发生变化并实时将它们的信号传递至测控子系统中，测控子系统通过ad采集板采集激光传感器(14.2)、上层力传感器(15.4)和下层力传感器(18.1)的信号，通过解算转换为麦克纳姆车(12)的驱动信号，进行主动跟随大型空间展开机构的运动；当大型空间展开机构进行竖直方向的运动时，通过调整配重(16.2)的数量来配平气浮导轨的摩擦力，从而实现大型空间展开机构的零重力实验。

技术总结
本发明公开的一种用于大型空间展开机构的智能跟随气浮车，属于航天机械结构领域。本发明包括重力卸载子系统、智能跟随子系统、气源组件和测控子系统。本发明利用智能跟随气浮车的上层气足、下层气足和麦克纳姆车实现跟随大型空间展开机构的运动。本发明采用丝杠和麦克纳姆车实现智能跟随气浮车的主动模式，减小大型空间展开机构随动工装的质量，进而减小附加阻力和附加阻力矩，提高地面微重力模拟实验的精度。本发明采用组合托架、气浮导轨、配重箱的协同作用实现大型空间展开机构在竖直方向运动的零重力卸载，此外还在配重箱及组合托架部位布设缓冲装置，减小智能跟随气浮车在跟随运动过程中的震动，具有运动平稳、卸载效率高的优点。的优点。的优点。


技术研发人员：宋晓东 张天赐 雷海鸣 孙志成
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/6/7