[发明专利]地面变质心零重力模拟装置及模拟方法

权利要求书

1.地面变质心零重力模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述装置包括基座(1)、下平台(2)、球形气浮轴承座(3)、球形气浮轴承转子(24)、中平台(5)、Z方向运动模组、直线模组固定平台(25)、XY方向运动模组、上平台(17)、质心敏感元件(18)、机械臂连杆和控制器；

球形气浮轴承座(3)固定在基座(1)上，球形气浮轴承转子(24)设置在球形气浮轴承座(3)上，中平台(5)位于球形气浮轴承转子(24)上方，中平台(5)与球形气浮轴承转子(24)之间能够形成气浮；

下平台(2)位于中平台(5)的下方，下平台(2)与中平台(5)通过支撑杆23固定连接，Z方向运动模组设置在下平台(2)上，直线模组固定平台(25)设置在Z方向运动模组上，Z方向运动模组用于带动直线模组固定平台(25)在竖直方向运动；

XY方向运动模组设置在直线模组固定平台(25)上，上平台(17)设置在XY方向运动模组上，XY方向运动模组用于带动上平台(17)在水平面上运动；

质心敏感元件(18)和机械臂连杆设置在上平台(17)上，为一体件；

质心敏感元件(18)的信号输出端与控制器的信号输入端连接，控制器的X、Y方向运动控制信号输出端与XY方向运动模组的X、Y方向运动控制信号输入端连接；

控制器的Z方向运动控制信号输出端与Z方向运动模组的Z方向运动控制信号输入端连接；控制器的喷气控制信号输出端与球形气浮轴承转子(24)的喷气控制信号输入端连接；

在模拟过程中，控制器根据质心敏感元件(18)检测到的质心的变化，控制XY方向运动模组、Z方向运动模组及球形气浮轴承转子(24)喷气，使所述一体件的质心移动至球形气浮轴承转子(24)的中心，实现质心调节；

所述机械臂连杆包括第一段连杆(19)、第二段连杆(20)、第三段连杆(30)和第四段连杆(29)；

机械臂连杆包括第一段连杆(19)、第二段连杆(20)、第三段连杆(30)和第四段连杆(29)；

第一段连杆(19)、第二段连杆(20)、第三段连杆(30)和第四段连杆(29)依次转动连接，第一段连杆(19)固定在上平台(17)上；

XY方向运动模组包括两套X方向直线模组和两套Y方向直线模组；

两套X方向直线模组平行放置在直线模组固定平台(25)上；

每套X方向直线模组上设有两个X方向直线模组滑块，两套X方向直线模组中同一侧的X方向直线模组滑块为一组，每组X方向直线模组滑块上固定一套Y方向直线模组，四个X方向直线模组滑块协同带动两套Y方向直线模组实现X方向运动；每套Y方向直线模组设有两个Y方向直线模组滑块，上平台(17)固定在四个Y方向直线模组滑块上，四个Y方向直线模组滑块协同带动上平台(17)实现Y方向运动；

所述方法包括：

S1、确定质心敏感元件(18)、机械臂连杆、上平台(17)的合质心m_c在坐标系{0}中位置根据求上平台(17)在坐标系{0}下的位移量，根据该位移量控制Z方向运动模组、XY方向运动模组运动，将合质心m_c的位置移动到球形气浮轴承转子(24)的中心；

坐标系{0}为坐标系O₀X₀Y₀Z₀，平面X₀O₀Y₀置于基座(1)下表面，原点O₀位于基座(1)下表面中心，轴X₀与XY方向运动模组中X方向平行，轴Z₀铅锤向上；

S2、对球形气浮轴承座(3)通气，在球形气浮轴承座(3)和球形气浮轴承转子(24)之间形成一层气膜，球形气浮轴承转子(24)连同上平台(17)及质心敏感元件(18)、机械臂连杆被托举在空气中且能够绕球形气浮轴承转子(24)的球心自由转动，实现微重力模拟，机械臂连杆开始工作；

S3、当前控制周期结束的时刻，获取机械臂连杆的角度：和根据和获取当前合质心m_c在坐标系{0}中位置根据计算当前控制周期内X方向直线模组、Y方向直线模组和Z方向运动模组的位移量和并控制其运动，i＝i+1,重复S3；

和分别表示第i个控制周期，第一段连杆(19)与第二段连杆(20)、第二段连杆(20)与第三段连杆(30)、第三段连杆(30)与第四段连杆(29)的夹角；i＝1,2，……；

S1中确定质心敏感元件(18)、机械臂连杆、上平台(17)的合质心m_c在坐标系{0}中位置包括：

S11、建立坐标系O₀X₀Y₀Z₀、坐标系O₁X₁Y₁Z₁、坐标系O₂X₂Y₂Z₂、坐标系O₃X₃Y₃Z₃和坐标系O₄X₄Y₄Z₄，上平台(17)、质心敏感元件(18)和第一段连杆(19)的质心记为m₁，第二段连杆(20)的质心记为m₂，第三段连杆(30)的质心记为m₃，第四段连杆(29)的质心记为m₄；确定质心m₁的位置在坐标系{1}中的齐次坐标为质心m₂的位置在系{2}中的齐次坐标为质心m₃的位置在系{3}中的齐次坐标为质心m₄的位置在系{4}中的齐次坐标为

坐标系O₀X₀Y₀Z₀中平面X₀O₀Y₀置于基座(1)下表面，原点O₀位于基座(1)下表面中心，轴X₀与X轴直线模组的运动方向平行，轴Z₀铅锤向上，坐标系O₀X₀Y₀Z₀简记为坐标系{0}；

坐标系O₁X₁Y₁Z₁原点O₁位于上平台(17)中心，轴X₁与X轴直线模组的运动方向平行，轴Z₁铅锤向上，坐标系O₁X₁Y₁Z₁简记为坐标系{1}；

坐标系O₂X₂Y₂Z₂的原点为第二段连杆(20)相对第一段连杆(19)的旋转轴线与第三段连杆(30)相对第二段连杆(20)的旋转轴线的交点，轴Z₂与第二段连杆(20)相对第一段连杆(19)的旋转轴线共线，旋转正方向约定为轴Z₂正向，坐标系O₂X₂Y₂Z₂简记为坐标系{2}；

坐标系O₃X₃Y₃Z₃的原点为第三段连杆(30)的轴线与第二段连杆(20)轴线交点，轴Z₃与第三段连杆(30)相对第二段连杆(20)的旋转轴线共线，旋转正方向约定为轴Z₃正向；第三段连杆(30)的轴线与轴X₃共线，轴Z₃与轴Y₂同向且共线，坐标系O₃X₃Y₃Z₃简记为坐标系{3}；

坐标系O₄X₄Y₄Z₄的原点为第四段连杆(29)的轴线与第三段连杆(30)轴线的交点，轴Z₄与第四段连杆(29)相对第三段连杆(30)的旋转轴线共线，旋转正方向约定为轴Z₄正向，轴Z₄与轴X₃垂直相交，轴Z₄与轴Z₃平行，第四段连杆(29)轴线与轴Z₄共线；坐标系O₄X₄Y₄Z₄简记为坐标系{4}；

S12、计算质心m₁的位置在坐标系{0}中的坐标有：

式中：

其中：

α、β、γ为坐标系{1}相对于坐标系{0}的X₁、Y₁、Z₁三个轴转动的转角，[x₁,y₁,z₁]^T为坐标系{1}原点在坐标系{0}中的位置坐标；

S13、计算质心m₂的位置在坐标系{0}中的坐标有：

式中：

其中是当前第二段连杆(20)的转角，[x₂,y₂,z₂]^T为坐标系{2}原点在坐标系{1}中的位置坐标；

S14、计算质心m₃的位置在坐标系{0}中的坐标有：

式中：

其中，θ₃是当前第三段连杆(30)的转角，b₁表示点O₂和点O₃之间的距离；

S15、计算质心m₄的位置在坐标系{0}中的坐标有：

式中：

其中，θ₄是当前第四段连杆(29)的转角，b₂表示点O₃和点O₄沿轴线Z₄的距离，l₁表示点O₃和点O₄沿轴线X₃的距离；

S16、求质心m₁、m₂、m₃、m₄的合质心m_c在坐标系{0}中的位置根据质心合成定理，有：

上平台(17)在坐标系{0}下的位移量有：

式中，h是球形气浮轴承转子(24)的中心相对下平台(2)下表面的高度，球形气浮轴承转子(24)的中心在坐标系{0}下的坐标为[0,0,h]^T。