一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置的制作方法

1.本发明属于零重力仿真模拟试验装备领域，尤其是涉及一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置。


背景技术：

2.随着我国航天事业的不断发展，我国建立了空间站等一系列在轨飞行器，在空间站在轨飞行过程中，由于太空垃圾及各种外力的作用，经常会导致空间站外围某些部件松脱或者损坏，因此需要宇航员出舱使用维修工具对空间站外围设备进行维护。宇航员在进行真实空间站在轨维修工作时，处于零重力状态，并且空间站会处于不同的飞行状态，导致宇航员在轨维修过程中产生诸多困难。因此在宇航员在轨维修前，对宇航员进行地面维修训练及维修可实施性论证至关重要。因此，本发明在地面建立宇航员在轨维修零重力模拟装置，模拟宇航员在零重力状态下对空间站外围设备进行维护，对宇航员的维护能力拟进行训练，也论证了宇航员在空间站多种位置姿态状态下对空间站进行维护工作的可实施性，也为宇航员在轨维修体征状态检测测试提供地面平台。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明旨在提出一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，以满足宇航员地面模拟在轨维修空间站的需求，并对宇航员在轨维修进行训练。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
5.一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，包括：
6.桁架支撑系统，所述桁架支撑系统用于支撑维修工具零重力支撑系统和宇航服零重力支撑系统；
7.维修工具零重力支撑系统，所述维修工具零重力支撑系统安装至所述桁架支撑系统顶部一侧，所述维修工具零重力支撑系统用于模拟维修工具的零重力状态；
8.宇航服零重力支撑系统，所述宇航服零重力支撑系统安装至所述桁架支撑系统中部一侧，所述宇航服零重力支撑系统用于减轻试验人员的训练压力以及模拟真实的太空失重状态；
9.宇航员脚限位支撑系统，所述宇航员脚限位支撑系统设置于所述桁架支撑系统底部一侧，所述宇航员脚限位支撑系统用于给宇航员提供身体支撑以及减轻所述宇航服零重力支撑系统的压力；
10.空间站舱体模拟器，所述空间站舱体模拟器设置于所述宇航服零重力支撑系统一侧，所述空间站舱体模拟器用于模拟空间站舱体外壳；
11.六自由度机械臂，所述六自由度机械臂设置于所述空间站舱体模拟器远离所述宇航服零重力支撑系统一侧，且所述六自由度机械臂的输出端连接至所述空间站舱体模拟器，所述六自由度机械臂用于模拟空间站在轨时不同的维修姿态。
12.进一步的，所述维修工具零重力支撑系统和所述宇航服零重力支撑系统位于所述
桁架支撑系统同一侧。
13.进一步的，所述维修工具零重力支撑系统包括安装基板、摇臂基板、轴承座、角接触球轴承一、摇臂轴、摇臂、定滑轮组件、固定螺钉、导轨一、固定座、固定吊环、钢丝绳一、钢丝绳二、配重、滑车组件、动滑轮组件和维修工具本体，所述安装基板一侧安装至桁架支撑系统；所述安装基板另一侧安装所述摇臂基板；所述轴承座安装至摇臂基板；所述轴承座内部开设有容纳角接触球轴承一的容纳空间，所述容纳空间上下两端分别安装一个所述角接触球轴承一，两个所述角接触球轴承一分别用于承受轴向压力和径向压力，所述摇臂轴分别与所述上下端的角接触球轴承一配合，所述摇臂与所述摇臂轴配合，便于所述摇臂绕所述摇臂轴的轴线旋转；所述定滑轮组件安装于所述摇臂下方靠轴线根部处；所述导轨一通过所述固定螺钉连接在所述摇臂下端的安装基面上，所述导轨一与摇臂轴轴线的垂直度通过固定螺钉调节；所述固定座安装于摇臂下方远离轴线端的末端安装面上；所述固定吊环安装于所述固定座上；所述滑车组件套装在导轨一上，便于滑车组件沿导轨一滑动；所述钢丝绳一一端连接配重，所述钢丝绳一另一端连接固定吊环，所述钢丝绳一分别绕过定滑轮组件、动滑轮组件及滑车组件的滑轮本体；所述动滑轮组件被绕过滑轮本体的钢丝绳一拉住，所述动滑轮组件下端栓有钢丝绳二，钢丝绳二末端连接维修工具本体。
14.进一步的，所述滑车组件包括深沟球轴承、滑车座、小轴、滑轮轴、滑轮本体、双滑轮座；所述滑车组件套装在导轨一上；所述深沟球轴承与通过小轴固定在滑车座上，所述深沟球轴承用于在滑车组件在导轨上滑动时起到定位、辅助滑动的功能；所述双滑轮座与滑车座螺栓连接；所述滑轮本体的安装孔内置有深沟球轴承且中间穿过滑轮轴；所述滑轮轴与双滑轮座配合。
15.进一步的，所述宇航服零重力支撑系统包括支撑床身、导轨二、滑块、滑座、升降驱动机构、支撑架、伸缩柱、横吊板、宇航服吊装组件；所述支撑床身安装至所述桁架支撑系统一侧；所述导轨二安装在所述支撑床身上；所述滑块安装在滑座上；所述滑块与导轨二组合成为导轨滑块副；所述升降驱动机构安装在所述支撑床身上，所述升降驱动机构的滚珠螺母与滑座相连接；所述支撑架安装在滑座上，用于随滑座做升降运动；所述伸缩柱穿入支撑架的两侧方管内，所述伸缩柱通过螺栓与支撑架固定；所述横吊板安装在伸缩柱伸出端的连接面上；所述宇航员吊装组件通过钢丝绳与吊环连接在横吊板下方，所述宇航员吊装组件的三脚架两端留有吊装钢丝绳用于吊装宇航服。
16.进一步的，所述升降驱动机构包括固定端轴承座、轴承本体、螺母座、梯形丝杠、游动端轴承座、螺母本体、手轮；所述轴承本体分别安装于所述固定侧轴承座和游动端轴承座内，所述梯形丝杠与所述轴承本体配合，且所述固定端轴承座内轴承本体由锁紧螺母锁紧；所述螺母本体与所述梯形丝杠为梯形螺纹配合，用于传递动力和自锁；所述螺母本体螺接安装于所述螺母座内；所述螺母座安装在滑座上，所述手轮通过轴键配合于梯形丝杠的固定端轴承座侧末端，所述手轮用于带动梯形丝杠转动，实现系统整体的升降。
17.进一步的，所述宇航服吊装组件包括吊环、吊装转接件、轴承上盖、轴承下盖、角接触球轴承二、吊轴、连接螺钉、三角架、吊装钢丝绳、链扣；所述吊环与所述横吊板连接；所述吊装转接件通过钢丝绳与所述吊环连接，所述吊装转接件另一端与所述吊轴连接；所述轴承上盖与所述轴承下盖相配合，所述角接触球轴承二安装于所述轴承上盖的轴承孔内；所述吊轴与所述角接触球轴承二配合，且轴肩靠在角接触球轴承二的内圈；所述吊轴伸出端
为螺纹，与所述吊装转接件相连；所述三脚架通过螺钉与轴承下盖相连；所述三脚架两端连接所述吊装钢丝绳；所述吊装钢丝绳末端连接所述链扣，所述链扣用于连接宇航服。
18.相对于现有技术，本发明所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置具有以下优势：
19.(1)本发明所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，在地面上真实模拟了在空间站不同位姿状态下，宇航员维修空间站外围设备的工作状态。对训练宇航员太空维修作业具有重要意义。并且本发明为国内外首台在地面上可以模拟零重力状态下宇航员对空间站不同位姿工况进行维修的设备。
20.(2)本发明所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，实现了维修工具及宇航服的零重力状态，且利用极坐标的运动方式使得维修工具在零重力状态下可以到达指定范围的任意位置。宇航服达到零重力状态，不仅可以减轻试验人员的训练压力，对试验人员起一定的防护作用，还可以模拟真实的太空失重状态。
21.(3)本发明所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，本发明中应用动滑轮组件，使得维修工具零重力配重重量仅为维修工具自身的一半，降低了系统负载。
22.(4)本发明所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，本发明中升降驱动系统可以实现宇航服升降方向的自由度，伸缩柱在支撑架中伸缩可以实现宇航服的前后移动自由度，宇航员吊装组件可以实现宇航员绕吊装中心线旋转的自由度，本发明具有多自由度调整宇航员位置的优点，也弥补六自由度机械臂为实现各个位姿而产生行程范围不足的缺陷。
附图说明
23.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明实施例所述的整体结构示意图；
25.图2为本发明实施例所述的维修工具零重力支撑系统轴侧示意图；
26.图3为本发明实施例所述的宇航服零重力支撑系统轴侧示意图；
27.图4为本发明实施例所述的滑车组件轴侧示意图；
28.图5为本发明实施例所述的升降驱动机构轴侧示意图；
29.图6为本发明实施例所述的宇航服吊装组件轴侧示意图。
30.附图标记说明：
31.1、桁架支撑系统；
32.2、维修工具零重力支撑系统；2.1、安装基板；2.2、摇臂基板；2.3、轴承座；2.4、角接触球轴承一；2.5、摇臂轴；2.6、摇臂；2.7、定滑轮组件；2.8、固定螺钉；2.9、导轨一；2.10、固定座；2.11、固定吊环；2.12、钢丝绳一；2.13、钢丝绳二；2.14、配重；2.15、滑车组件；2.15.1、深沟球轴承；2.15.2、滑车座；2.15.3、小轴；2.15.4、滑轮轴；2.15.5、滑轮本体；2.15.6、双滑轮座；2.16、动滑轮组件；2.17、维修工具本体；
33.3、宇航服零重力支撑系统；3.1、支撑床身；3.2、导轨二；3.3、滑块；3.4、滑座；3.5、升降驱动机构；3.5.1、固定端轴承座；3.5.2、轴承本体；3.5.3、螺母座；3.5.4、梯形丝杠；3.5.5、游动端轴承座；3.5.6、螺母本体；3.5.7、手轮；3.6、支撑架；3.7、伸缩柱；3.8、横吊
板；3.9、宇航服吊装组件；3.9.1、吊环；3.9.2、吊装转接件；3.9.3、轴承上盖；3.9.4、轴承下盖；3.9.5、角接触球轴承二；3.9.6、吊轴；3.9.7、连接螺钉；3.9.8、三角架；3.9.9、吊装钢丝绳；3.9.10、链扣；
34.4、宇航员脚限位支撑系统；5、空间站舱体模拟器；6、六自由度机械臂。
具体实施方式
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
39.如图1至图6所示，一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，包括：
40.桁架支撑系统1，所述桁架支撑系统1用于支撑维修工具零重力支撑系统2和宇航服零重力支撑系统3；
41.维修工具零重力支撑系统2，所述维修工具零重力支撑系统2安装至所述桁架支撑系统1顶部一侧，所述维修工具零重力支撑系统2用于模拟维修工具的零重力状态；
42.宇航服零重力支撑系统3，所述宇航服零重力支撑系统3安装至所述桁架支撑系统1中部一侧，所述宇航服零重力支撑系统3用于减轻试验人员的训练压力以及模拟真实的太空失重状态；
43.宇航员脚限位支撑系统4，所述宇航员脚限位支撑系统4设置于所述桁架支撑系统1底部一侧，所述宇航员脚限位支撑系统4用于给宇航员提供身体支撑以及减轻所述宇航服零重力支撑系统3的压力；
44.空间站舱体模拟器5，所述空间站舱体模拟器5设置于所述宇航服零重力支撑系统3一侧，所述空间站舱体模拟器5用于模拟空间站舱体外壳；
45.六自由度机械臂6，所述六自由度机械臂6设置于所述空间站舱体模拟器5远离所述宇航服零重力支撑系统3一侧，且所述六自由度机械臂6的输出端连接至所述空间站舱体模拟器5，所述六自由度机械臂6用于模拟空间站在轨时不同的维修姿态。
46.在实际使用时，本技术所涉及到的控制以及控制内部程序逻辑均为现有技术，所
述桁架支撑系统1由球杆组件搭建而成，整体坐落在地面上，作为维修工具支撑系统2、宇航服零重力支撑系统3的机架。
47.所述宇航员脚限位支撑系统4为宇航员提供身体支撑，减轻减轻宇航服吊装组件3.9的压力，并且可以随着宇航员位置的提升而调节自身高度。
48.所述空间站舱体模拟器5用于模拟空间站舱体外壳，作为宇航员所维修设备载体，并提供安装接口。
49.所述六自由度机械臂6与地基固连，输出端与空间站舱体模拟器5相连接，通过调整六自由度机械臂6位姿，模拟空间站在轨时不同的维修姿态。
50.在本发明一种优先的实施例中，所述维修工具零重力支撑系统2和所述宇航服零重力支撑系统3位于桁架支撑系统1同一侧。
51.在本发明一种优先的实施例中，所述维修工具零重力支撑系统2包括安装基板2.1、摇臂基板2.2、轴承座2.3、角接触球轴承一2.4、摇臂轴2.5、摇臂2.6、定滑轮组件2.7、固定螺钉2.8、导轨一2.9、固定座2.10、固定吊环2.11、钢丝绳一2.12、钢丝绳二2.13、配重2.14、滑车组件2.15、动滑轮组件2.16、维修工具本体2.17。所述安装基板2.1通过螺接固定在桁架支撑系统1上；所述摇臂基板2.2螺接固定在安装基板2.1上；所述轴承座2.3螺接固定在摇臂基板2.2上；所述角接触球轴承一2.4安装于下端轴承座2.3孔内，用于承受轴向压力；所述上端轴承座2.3孔内的角接触球轴承一2.4，用于承受径向压力，所述摇臂轴2.5分别与所述上下端角接触球轴承一2.4配合，所述摇臂2.6与所述摇臂轴2.5配合，使得所述摇臂2.6可绕固定轴线旋转；所述定滑轮组件2.7安装于所述摇臂2.6下方靠轴线根部处；所述导轨一2.9通过所述固定螺钉2.8连接在所述摇臂2.6下端的安装基面上，并通过调节固定螺钉2.8调节导轨一2.9与摇臂轴2.5轴线的垂直度；所述固定座2.10安装于摇臂2.6下方远离轴线端的末端安装面上；所述固定吊环2.11安装于所述固定座2.10上；所述滑车组件2.15套装在导轨一2.9上，可沿导轨一2.9进行化滑动；所述钢丝绳一2.12端连接配重，一端连接固定吊环2.11，分别绕过定滑轮组件2.7、动滑轮组件2.16及滑车组件2.15的滑轮；所述动滑轮组件2.16被绕过其滑轮的钢丝绳拉住，动滑轮组件2.16下端栓有钢丝绳二2.13，钢丝绳二2.13末端连接维修工具本体2.17。
52.所述滑车组件2.15包括深沟球轴承2.15.1、滑车座2.15.2、小轴2.15.3、滑轮轴2.15.4、滑轮本体2.15.5、双滑轮座2.15.6。所述滑车组件2.15套装在导轨一2.9上，其主要作用为随着维修工具本体2.17的前后移动而前后移动变换位置。所述深沟球轴承2.15.1与通过小轴2.15.3固定在滑车座2.15.2上，在滑车组件2.15在导轨上滑动时起到定位、辅助滑动的功能；所述双滑轮座2.15.6与滑车座2.15.2螺接；所述滑轮本体2.15.5的安装孔内置有深沟球轴承且中间穿过滑轮轴2.15.4；所述滑轮轴2.15.4与双滑轮座2.15.6配合，滑轮本体2.15.5为一前一后布置。
53.在本发明一种优先的实施例中，所述宇航服零重力支撑系统3包括支撑床身3.1、导轨二3.2、滑块3.3、滑座3.4、升降驱动机构3.5、支撑架3.6、伸缩柱3.7、横吊板3.8、宇航服吊装组件3.9。所述支撑床身3.1螺接固定在所述桁架支撑系统1上；所述导轨二3.2螺接固定在所述支撑床身3.1上；所述滑块3.3螺接在滑座3.4上；所述滑块3.4与导轨二3.2组合成为导轨滑块副；升降驱动机构3.5螺接固定在所述支撑床身3.1上，其滚珠螺母与滑座3.4螺接，为滑座3.4升降运动提供动力；所述支撑架3.6螺接在滑座3.4上，随滑座3.4做升降运
动，使得宇航员可以适应不同的维修高度；所述伸缩柱3.7穿入支撑架3.6的两侧方管内，可以通过调节伸缩柱3.7的伸缩距离调节宇航员的前后位置，伸缩柱3.7通过螺栓与支撑架3.6固定；所述横吊板3.8螺接固定在伸缩柱3.7伸出端的连接面上；所述宇航员吊装组件3.9通过钢丝绳与吊环连接在横吊板3.8下方，所述宇航员吊装组件3.9的三脚架两端留有吊装钢丝绳用于吊装宇航服。所述宇航服零重力支撑系统的另一项功能为弥补所述六自由度机械臂因实现空间站舱体模拟器各种位姿而导致的行程范围不足的缺陷。
54.所述升降驱动机构3.5包括固定端轴承座3.5.1、轴承本体3.5.2、螺母座3.5.3、梯形丝杠3.5.4、游动端轴承座3.5.5、螺母本体3.5.6、手轮3.5.7。所述轴承本体3.5.2分别安装于所述固定侧轴承座3.5.1和游动端轴承座3.5.5内，所述梯形丝杠3.5.4与所述轴承本体3.5.2配合，且所述固定端轴承座3.5.1内轴承本体3.5.2由锁紧螺母锁紧；所述螺母本体3.5.6与所述梯形丝杠3.5.4为梯形螺纹配合，主要作用为传递动力和自锁；所述螺母本体3.5.6螺接安装于所述螺母座3.5.3内；所述螺母座3.5.3最终螺接在滑座3.4上，所述手轮3.5.7通过轴键配合于梯形丝杠3.5.4的固定端轴承座3.5.1侧末端，转动手轮3.5.7，则带动梯形丝杠3.5.4转动，实现系统整体的升降。
55.所述宇航服吊装组件3.9包括吊环3.9.1、吊装转接件3.9.2、轴承上盖3.9.3、轴承下盖3.9.4、角接触球轴承二3.9.5、吊轴3.9.6、连接螺钉3.9.7、三角架3.9.8、吊装钢丝绳3.9.9、链扣3.9.10。所述吊环3.9.1与所述横吊板3.8连接；所述吊装转接件3.9.2通过钢丝绳与所述吊环3.9.1连接，所述吊装转接件3.9.2另一端与所述吊轴3.9.6连接；所述轴承上盖3.9.3与所述轴承下盖3.9.4相配合，所述角接触球轴承二3.9.5安装于所述轴承上盖3.9.3的轴承孔内；所述吊轴3.9.6与所述角接触球轴承二3.9.5配合，且轴肩靠在角接触球轴承二3.9.5的内圈；所述吊轴3.9.6伸出端为螺纹，与所述吊装转接件3.9.2相连；所述三脚架3.9.8通过螺钉与轴承下盖3.9.4相连；所述三脚架3.9.8两端连接所述吊装钢丝绳3.9.9；所述吊装钢丝绳3.9.9末端连接所述链扣3.9.10，所述链扣3.9.10则与宇航服连接。所述宇航服吊装组件为宇航员提供转动身体的自由度。
56.实施例1
57.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：球杆桁架系统1由球杆搭建好后置于地面指定位置处，维修工具零重力支撑系统2螺接在球杆桁架支撑系统顶端，所模拟宇航员进行维修的模拟件安装与空间站舱体模拟器5上。在模拟宇航员维修过程中，维修工具零重力支撑系统2主要模拟维修工具的零重力状态，其组件摇臂2.6可绕根部摇臂轴2.5旋转，滑车组件2.15可以沿着导轨一2.9滑移，钢丝绳一2.12靠近摇臂2.6根部的一端连接配重2.14，先后绕过定滑轮组件2.7的滑轮、滑车组件2.15的一个滑轮、动滑轮组件2.16的滑轮、滑车组件2.15的另一个滑轮，最终连接在固定吊环2.11上。动滑轮组件2.16下端连接钢丝绳二2.13，钢丝绳二2.13的末端则连接维修工具本体2.17，在动滑轮组件2.16的作用下，配重2.14的重量为维修工具本体2.17重量的1/2，实现了维修工具本体2.17的零重力效果。宇航员在手持维修工具本体2.17进行维修作业的同时，上端的摇臂2.6及滑车组件2.15跟随维修工具本体2.17移动，使得维修工具本体2.17可以到达导轨一2.9在绕摇臂2.6根部转动时所形成扇形面的任意位置。且维修工具本体2.17可以上下移动。宇航服零重力支撑系统3螺接固定在球杆桁架系统1上，在实际维修过程中，同一空间站位姿状态下，宇航员所维修的模拟件所处的高度位置不一样，因此需要调节宇航员所处的高度位置。另一方
面，为弥补六自由度机械臂6为实现空间站舱体模拟器5的多种姿态而导致的行程不足，手动旋转升降驱动机构3.5的手轮3.5.7，手轮3.5.7带动梯形丝杠3.5.4转动，梯形丝杠3.5.4带动螺母本体3.5.6转动，则由手轮3.5.7的回转运动转化为螺母本体3.5.6的直线运动，而螺母本体3.5.6通过螺母座3.5.3与滑座3.4相连接，继而带动滑座3.4沿着导轨二3.2做升降运动，继而带动支撑架3.6、伸缩杆3.7、宇航服吊装组件3.9做升降运动，相应的宇航服也会达到指定位置。在宇航服调节到指定位置后将宇航员脚限位支撑系统4调节到相应的高度，保证其可以有效地支撑宇航员的重量。宇航员在维修过程中空间站舱体模拟器5会前后移动变换位姿，因此需要宇航员位置前移，伸缩柱3.7可在支撑架3.6内进行伸缩移动，用于吊装宇航服的宇航服吊装组件3.9，通过横吊板3.8连接在两个伸缩住3.7上，可随着伸缩住一同前后移动。宇航员在维修过程中，在维修两侧设备时需要转动身体，随之宇航服应能跟随转动。在宇航服吊装组件3.9中，三脚架3.9.8通过连接螺钉3.9.7与轴承下盖3.9.4连接，而轴承上盖3.9.3中内嵌安装有角接触球轴承二3.9.5，则与之配合的吊轴3.9.6可转动，则轴承上盖3.9.3与轴承下盖3.9.4相对于吊轴3.9.6旋转，而吊轴3.9.6与吊装转接件3.9.2固定连接，则可实现所述宇航员吊装组件3.9具有旋转的自由度。在试验过程中，六自由度机械臂6通过变换姿态，带动空间站舱体模拟器5实现不同的位姿，以模拟不同维修工况下的空间站维修姿态。
58.本发明的优势如下：
59.1.本发明在地面上真实模拟了在空间站不同位姿状态下，宇航员维修空间站外围设备的工作状态。对训练宇航员太空维修作业具有重要意义。并且本发明为国内外首台在地面上可以模拟零重力状态下宇航员对空间站不同位姿工况进行维修的设备；
60.2.本发明实现了维修工具及宇航服的零重力状态，且利用极坐标的运动方式使得维修工具在零重力状态下可以到达指定范围的任意位置。宇航服达到零重力状态，不仅可以减轻试验人员的训练压力，对试验人员起一定的防护作用，还可以模拟真实的太空失重状态；
61.3.本发明中应用动滑轮组件，使得维修工具零重力配重重量仅为维修工具自身的一半，降低了系统负载；
62.4.本发明中升降驱动系统可以实现宇航服升降方向的自由度，伸缩柱在支撑架中伸缩可以实现宇航服的前后移动自由度，宇航员吊装组件可以实现宇航员绕吊装中心线旋转的自由度，本发明具有多自由度调整宇航员位置的优点，也弥补六自由度机械臂为实现各个位姿而产生行程范围不足的缺陷。
63.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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：
1.一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，其特征在于：包括：桁架支撑系统(1)，所述桁架支撑系统(1)用于支撑维修工具零重力支撑系统(2)和宇航服零重力支撑系统(3)；维修工具零重力支撑系统(2)，所述维修工具零重力支撑系统(2)安装至所述桁架支撑系统(1)顶部一侧，所述维修工具零重力支撑系统(2)用于模拟维修工具的零重力状态；宇航服零重力支撑系统(3)，所述宇航服零重力支撑系统(3)安装至所述桁架支撑系统(1)中部一侧，所述宇航服零重力支撑系统(3)用于减轻试验人员的训练压力以及模拟真实的太空失重状态；宇航员脚限位支撑系统(4)，所述宇航员脚限位支撑系统(4)设置于所述桁架支撑系统(1)底部一侧，所述宇航员脚限位支撑系统(4)用于给宇航员提供身体支撑以及减轻所述宇航服零重力支撑系统(3)的压力；空间站舱体模拟器(5)，所述空间站舱体模拟器(5)设置于所述宇航服零重力支撑系统(3)一侧，所述空间站舱体模拟器(5)用于模拟空间站舱体外壳；六自由度机械臂(6)，所述六自由度机械臂(6)设置于所述空间站舱体模拟器(5)远离所述宇航服零重力支撑系统(3)一侧，且所述六自由度机械臂(6)的输出端连接至所述空间站舱体模拟器(5)，所述六自由度机械臂(6)用于模拟空间站在轨时不同的维修姿态。2.根据权利要求1所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，其特征在于：所述维修工具零重力支撑系统(2)和所述宇航服零重力支撑系统(3)位于所述桁架支撑系统(1)同一侧。3.根据权利要求1所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，其特征在于：所述维修工具零重力支撑系统(2)包括安装基板(2.1)、摇臂基板(2.2)、轴承座(2.3)、角接触球轴承一(2.4)、摇臂轴(2.5)、摇臂(2.6)、定滑轮组件(2.7)、固定螺钉(2.8)、导轨一(2.9)、固定座(2.10)、固定吊环(2.11)、钢丝绳一(2.12)、钢丝绳二(2.13)、配重(2.14)、滑车组件(2.15)、动滑轮组件(2.16)和维修工具本体(2.17)，所述安装基板(2.1)一侧安装至桁架支撑系统(1)；所述安装基板(2.1)另一侧安装所述摇臂基板(2.2)；所述轴承座(2.3)安装至摇臂基板(2.2)；所述轴承座(2.3)内部开设有容纳角接触球轴承一(2.4)的容纳空间，所述容纳空间上下两端分别安装一个所述角接触球轴承一(2.4)，两个所述角接触球轴承一(2.4)分别用于承受轴向压力和径向压力，所述摇臂轴(2.5)分别与所述上下端的角接触球轴承一(2.4)配合，所述摇臂(2.6)与所述摇臂轴(2.5)配合，便于所述摇臂(2.6)绕所述摇臂轴(2.5)的轴线旋转；所述定滑轮组件(2.7)安装于所述摇臂(2.6)下方靠轴线根部处；所述导轨一(2.9)通过所述固定螺钉(2.8)连接在所述摇臂(2.6)下端的安装基面上，所述导轨一(2.9)与摇臂轴(2.5)轴线的垂直度通过固定螺钉(2.8)调节；所述固定座(2.10)安装于摇臂(2.6)下方远离轴线端的末端安装面上；所述固定吊环(2.11)安装于所述固定座(2.10)上；所述滑车组件(2.15)套装在导轨一(2.9)上，便于滑车组件(2.15)沿导轨一(2.9)滑动；所述钢丝绳一(2.12)一端连接配重(2.14)，所述钢丝绳一(2.12)另一端连接固定吊环(2.11)，所述钢丝绳一(2.12)分别绕过定滑轮组件(2.7)、动滑轮组件(2.16)及滑车组件(2.15)的滑轮本体(2.15.5)；所述动滑轮组件(2.16)被绕过滑轮本体(2.15.5)的钢丝绳一(2.12)拉住，所述动滑轮组件(2.16)下端栓有钢丝绳二(2.13)，钢丝绳二(2.13)末端连接维修工具本体(2.17)。
4.根据权利要求3所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，其特征在于：所述滑车组件(2.15)包括深沟球轴承(2.15.1)、滑车座(2.15.2)、小轴(2.15.3)、滑轮轴(2.15.4)、滑轮本体(2.15.5)、双滑轮座(2.15.6)；所述滑车组件(2.15)套装在导轨一(2.9)上；所述深沟球轴承(2.15.1)与通过小轴(2.15.3)固定在滑车座(2.15.2)上，所述深沟球轴承(2.15.1)用于在滑车组件(2.15)在导轨上滑动时起到定位、辅助滑动的功能；所述双滑轮座(2.15.6)与滑车座(2.15.2)螺栓连接；所述滑轮本体(2.15.5)的安装孔内置有深沟球轴承(2.15.1)且中间穿过滑轮轴(2.15.4)；所述滑轮轴(2.15.4)与双滑轮座(2.15.6)配合。5.根据权利要求4所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，其特征在于：所述宇航服零重力支撑系统(3)包括支撑床身(3.1)、导轨二(3.2)、滑块(3.3)、滑座(3.4)、升降驱动机构(3.5)、支撑架(3.6)、伸缩柱(3.7)、横吊板(3.8)、宇航服吊装组件(3.9)；所述支撑床身(3.1)安装至所述桁架支撑系统(1)一侧；所述导轨二(3.2)安装在所述支撑床身(3.1)上；所述滑块(3.3)安装在滑座(3.4)上；所述滑块(3.3)与导轨二(3.2)组合成为导轨滑块(3.3)副；所述升降驱动机构(3.5)安装在所述支撑床身(3.1)上，所述升降驱动机构(3.5)的滚珠螺母与滑座(3.4)相连接；所述支撑架(3.6)安装在滑座(3.4)上，用于随滑座(3.4)做升降运动；所述伸缩柱(3.7)穿入支撑架(3.6)的两侧方管内，所述伸缩柱(3.7)通过螺栓与支撑架(3.6)固定；所述横吊板(3.8)安装在伸缩柱(3.7)伸出端的连接面上；所述宇航员吊装组件通过钢丝绳与吊环(3.9.1)连接在横吊板(3.8)下方，所述宇航员吊装组件的三脚架两端留有吊装钢丝绳(3.9.9)用于吊装宇航服。6.根据权利要求5所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，其特征在于：所述升降驱动机构(3.5)包括固定端轴承座(3.5.1)、轴承本体(3.5.2)、螺母座(3.5.3)、梯形丝杠(3.5.4)、游动端轴承座(3.5.5)、螺母本体(3.5.6)、手轮(3.5.7)；所述轴承本体(3.5.2)分别安装于所述固定侧轴承座(2.3)和游动端轴承座(3.5.5)内，所述梯形丝杠(3.5.4)与所述轴承本体(3.5.2)配合，且所述固定端轴承座(3.5.1)内轴承本体(3.5.2)由锁紧螺母锁紧；所述螺母本体(3.5.6)与所述梯形丝杠(3.5.4)为梯形螺纹配合，用于传递动力和自锁；所述螺母本体(3.5.6)螺接安装于所述螺母座(3.5.3)内；所述螺母座(3.5.3)安装在滑座(3.4)上，所述手轮(3.5.7)通过轴键配合于梯形丝杠(3.5.4)的固定端轴承座(3.5.1)侧末端，所述手轮(3.5.7)用于带动梯形丝杠(3.5.4)转动，实现系统整体的升降。7.根据权利要求5所述的一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，其特征在于：所述宇航服吊装组件(3.9)包括吊环(3.9.1)、吊装转接件(3.9.2)、轴承上盖(3.9.3)、轴承下盖(3.9.4)、角接触球轴承二(3.9.5)、吊轴(3.9.6)、连接螺钉(3.9.7)、三角架(3.9.8)、吊装钢丝绳(3.9.9)、链扣(3.9.10)；所述吊环(3.9.1)与所述横吊板(3.8)连接；所述吊装转接件(3.9.2)通过钢丝绳与所述吊环(3.9.1)连接，所述吊装转接件(3.9.2)另一端与所述吊轴(3.9.6)连接；所述轴承上盖(3.9.3)与所述轴承下盖(3.9.4)相配合，所述角接触球轴承二(3.9.5)安装于所述轴承上盖(3.9.3)的轴承孔内；所述吊轴(3.9.6)与所述角接触球轴承二(3.9.5)配合，且轴肩靠在角接触球轴承二(3.9.5)的内圈；所述吊轴(3.9.6)伸出端为螺纹，与所述吊装转接件(3.9.2)相连；所述三脚架通过螺钉与轴承下盖(3.9.4)相连；所述三脚架两端连接所述吊装钢丝绳(3.9.9)；所述吊装钢丝绳(3.9.9)末端连接所述链扣(3.9.10)，所述链扣(3.9.10)用于连接宇航服。

技术总结
本发明提供了一种宇航员在轨维修地面零重力模拟装置，包括桁架支撑系统，维修工具零重力支撑系统，宇航服零重力支撑系统，宇航员脚限位支撑系统，空间站舱体模拟器和六自由度机械臂，且所述六自由度机械臂的输出端连接至所述空间站舱体模拟器，所述六自由度机械臂用于模拟空间站在轨时不同的维修姿态。本发明有益效果：在地面上真实模拟了在空间站不同位姿状态下，宇航员维修空间站外围设备的工作状态。对训练宇航员太空维修作业具有重要意义。并且本发明为国内外首台在地面上可以模拟零重力状态下宇航员对空间站不同位姿工况进行维修的设备。维修的设备。维修的设备。


技术研发人员：高长建 胡政 左祥赟 李广彦 曾磊
受保护的技术使用者：天津航天机电设备研究所
技术研发日：2022.08.31
技术公布日：2023/3/28