一種載荷可連續調節的星球車單輪臺架裝置的製作方法
2023-10-22 21:58:45 2
本發明屬於星球車單輪臺架裝置技術領域，具體涉及一種載荷可連續調節的星球車單輪臺架裝置。
背景技術：
星球車能夠攜帶人員和設備在星球表面行走，是人類進行星球探測的重要工具，其性能的好壞影響很大。因星球表面的物理特性不同於地球表面，所以需要根據該星球表面的特性來設計星球車，以保證設計出的星球車能夠滿足使用要求。所以需要在地球表面通過模擬的方法來對星球車進行試驗和測試。在研究星球車在星球表面行走的沉陷問題上，現有途徑是通過加載不同大小的離散載荷，通過大量實驗測得沉陷量，然後通過曲線擬合來得到沉陷量與載荷大小之間的關係，其缺點是結果不夠精確，且浪費大量的時間和精力。
申請號為201310751504.2的發明專利公開了一種1/6g低重力平衡吊掛裝置的控制系統，它對力傳感器的測量值進行檢測，通過PID控制電動缸的動作來提供固定的拉力。該系統結構複雜，耗能較多，且不能實現載荷的平穩連續變化。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
本發明要解決的技術問題是：為解決準確測量星球車車輪沉陷量與載荷大小之間的關係，如何提供一種載荷可連續調節的星球車單輪臺架裝置，能夠通過少量的試驗準確得到不同輪子的沉陷量與載荷大小之間的關係，為星球車的設計提供依據。
(二)技術方案
為解決上述技術問題，本發明提供一種載荷可連續調節的星球車單輪臺架裝置，其包括：
一對混凝土牆體1、一對臺架導軌2、臺架車體3、沉陷量測量機構4、單輪驅動電機5、減速器6、測試車輪7、盛放土壤的凹槽8、四連杆機構平臺9、一對四連杆機構可動短杆10、一對四連杆機構橫梁11、絕對編碼器12、加載機構電機13、行星齒輪減速箱14、一對導向杆15、絲槓16、螺母17、一對四連杆機構可動長杆18、驅動器19、角度測量機構20、一對四連杆機構轉軸21、第一安裝基板22、第二安裝基板23、第一軸承24、第二軸承25；
平行正對且等高的一對混凝土牆體1上沿著一對混凝土牆體1延伸的方向平行正對且等高地安放一對臺架導軌2；首先構建臺架坐標系，以鉛直方向為Z向，一對臺架導軌2的延伸方向為Y向，與Y-Z平面垂直的方向為X向，由此構建臺架坐標系X-Y-Z；
臺架車體3帶有輪子，能夠沿Y向移動，臺架車體3在Y向的前後水平梁的中間位置分別固定有鋼絲，能夠在兩個伺服電機的牽引下沿著Y向雙向運動；沉陷量測量機構4是一個直線位移傳感器，其固定端固定在臺架車體3上，滑動端在重力的作用下自然垂落到四連杆機構平臺9上，通過測量車輪加載前後四連杆機構平臺在Z向的位移差來計算出沉陷量；
單輪驅動電機5的定子部分固定連接在四連杆機構平臺9上，單輪驅動電機5的轉子部分與減速器6的輸入軸相連，減速器6的外殼固定連接在單輪驅動電機5的定子部分上，測試車輪7固定連接到減速器6的輸出軸上,測試車輪7的軸心和減速器6輸出軸的軸心重合且沿X向。盛放土壤的凹槽8水平布置在一對混凝土牆體1之間的Y向上，且使得測試車輪7在最大沉陷時沉陷量測量機構4不超量程；
四連杆機構平臺9為一矩形平臺機構，其沿Y向的兩端部均設為相同的條狀體，該條狀體長度方向沿X向設置，兩個所述條狀體上各自設有一對連接機構，由此對於某一端部條狀體處的一對連接機構而言，分為X向在前的設為第一連接機構及X向在後的第二連接機構，且所述第一連接機構處於所述條狀體外側，所述第二連接機構處於所述條狀體內側；
所述第一連接機構用於將所述一對四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9端部，即某一條狀體外側，所述第二連接機構用於將所述一對四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9端部，即該條狀體內側；從而對於另一條狀體而言，同樣通過該條狀體上的第一連接機構和第二連接機構，實現另一四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9另一端部外側，以及另一四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9端部內側；
一對所述四連杆機構橫梁11沿Y向的厚度與所述條狀體沿Y向的厚度相同；所述一對四連杆機構橫梁11上各自設有X向在前的第三連接機構及X向在後的第四連接機構；所述第三連接機構處於所述一對四連杆機構橫梁11外側，所述第四連接機構處於所述一對四連杆機構橫梁11內側；
所述第三連接結構用於將一對四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於一對四連杆機構橫梁11之一的外側，所述第四連接機構用於將所述一對四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於該四連杆機構橫梁11之一的內側；從而對於另一四連杆機構橫梁11之一而言，同樣通過該一對四連杆機構橫梁11之一上的第三連接機構和第四連接機構，實現另外一對四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於另外一對四連杆機構橫梁11之一外側，以及另外一對四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於另外一對四連杆機構橫梁11之一內側；
第一連接機構和第二連接機構沿X向的距離與第三連接機構和第四連接機構沿X向的距離相等；第一連接機構和第三連接機構的距離與第二連接機構和第四連接機構的距離相等；由此，四連杆機構平臺9、一對四連杆機構可動短杆10、一對四連杆機構橫梁11、一對四連杆機構可動長杆18構成平行四邊形結構，由一對四連杆機構可動短杆10構成的平面與由一對四連杆機構可動長杆18構成的平面相互平行，四連杆機構平臺9所在的平面與由一對四連杆機構橫梁11構成的平面相互平行；
所述一對四連杆機構橫梁11沿X向水平固定在臺架車體3上，即與臺架導軌2垂直，根據平行四邊形結構，可保證四連杆機構平臺9一直保持水平，從而實現加載方向為垂向；
一對四連杆機構轉軸21位於一對所述第四連接機構處；
再次建立空間坐標系，以一對四連杆機構轉軸21的連線中點為坐標原點，以一對四連杆機構可動長杆18的延伸方向為X0軸，以一對四連杆機構轉軸21的連線方向為Y0軸，以與X0-Y0平面垂直的方向為Z0軸；
第一安裝基板22和第二安裝基板23分別固定在一對四連杆機構可動長杆18上，且保證第一安裝基板22的平面和第二安裝基板23的平面分別垂直於X0軸；在第一安裝基板22的平面和第二安裝基板23上分別安裝相同的第二軸承25和第一軸承24，且第二軸承25和第一軸承24的旋轉軸心同時在X0軸上；在第二軸承25和第一軸承24之間安裝有絲槓16，絲槓16隻可繞X0軸轉動，在絲槓16上安裝有螺母17，螺母17上有兩個同樣尺寸的光滑的導向孔，所述兩個導向孔中心線位於X0-Y0平面內，且與X0軸平行對稱分布；穿過螺母17上的兩個導向孔的為一對光滑的導向杆15，一對導向杆15的端點分別固定連接在安裝基板22和安裝基板23的相應位置處，從而可以實現在一對導向杆15的約束下，將絲槓16的旋轉運動轉化為螺母17的直線運動；
在一對所述第四連接機構處，一對四連杆機構轉軸21與一對四連杆機構可動長杆18之間是固定連接，一對四連杆機構轉軸21與一對四連杆機構橫梁11之間是軸連接；角度測量機構20的旋轉軸固定連接在一對四連杆機構轉軸21之一上且保證軸心在一條直線上，角度測量機構20的外殼固定在一對四連杆機構橫梁11之一上，由此可以測量一對四連杆機構可動長杆18之一和一對四連杆機構橫梁11之一之間的夾角；
在第一安裝基板22上固定連接行星齒輪減速箱14的外殼，行星齒輪減速箱14的輸出軸與穿過第一安裝基板22上的孔的絲槓16連接且保證行星齒輪減速箱14的輸出軸的軸心在X0軸上，行星齒輪減速箱14的外殼上固定連接加載機構電機13的外殼，加載機構電機13的轉子一端連接到行星齒輪減速箱14的輸入軸上且保證軸心在一條直線上，加載機構電機13的轉子另一端連接到絕對編碼器12的旋轉軸上且保證軸心在一條直線上，絕對編碼器12除旋轉軸外的部分固定到電機的定子上，驅動器19固定安裝在第一安裝基板22上。
(三)有益效果
與現有技術相比較，本發明具備如下有益效果：
(1)上位機通過控制加載機構電機的連續運動，從而實現了測試車輪與土壤之間載荷的連續變化；
(2)通過將不同重量的配重塊對稱固定在滾珠絲槓的螺母上，從而能夠改變單輪臺架的連續加載的範圍；
(3)加載機構電機的轉軸的旋轉運動通過行星齒輪減速箱和滾珠絲槓的傳遞後轉化為螺母(其上可固定配重塊)的直線運動，電機軸上安裝有絕對位置編碼器，因為存在減速比和導程，螺母的微小直線位移對應到加載機構電機的角位移很大，因而絕對編碼器上的數值變化範圍很大，因驅動器能夠控制加載機構電機位置的精確運動，所以螺母(其上可固定配重塊)的位置控制精度很高，也即單輪臺架的載荷加載精度很高；
(4)能夠實現測試車輪在靜止時沉陷量與所有量程範圍內的載荷之間的關係測試；
(5)能夠實現測試車輪在運動(包括勻速運動、勻變速運動、非勻變速運動)且載荷變化(包括固定載荷、勻速變化載荷、非勻速變化載荷)情況下的沉陷量測量；
(6)通過對加載機構電機的位置控制來控制單輪臺架載荷大小的方式比用力傳感器反饋控制電動缸伸縮的方式節省能量且更穩定。
附圖說明
圖1是本發明的單輪移動臺架示意圖。
圖2是本發明的載荷可連續調節的單輪加載四連杆機構示意圖。
附圖標記說明：
1、一對混泥土牆體；2、一對臺架導軌；3、臺架車體；4、沉陷量測量機構；5、單輪驅動電機；6、減速器；7、測試車輪；8、盛放土壤的凹槽；9、四連杆機構平臺；10、一對四連杆機構可動短杆；11、一對四連杆機構橫梁；12、絕對編碼器；13、加載機構電機；14、行星齒輪減速箱；15、一對導向杆；16、絲槓；17、螺母(其上可固定配重塊)；18、一對四連杆機構可動長杆；19、驅動器；20、角度測量機構；21、一對四連杆機構轉軸；22、安裝基板；23、安裝基板；24、軸承；25、軸承。
具體實施方式
為使本發明的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。
為解決上述技術問題，本發明提供一種載荷可連續調節的星球車單輪臺架裝置，其包括：
一對混凝土牆體1、一對臺架導軌2、臺架車體3、沉陷量測量機構4、單輪驅動電機5、減速器6、測試車輪7、盛放土壤的凹槽8、四連杆機構平臺9、一對四連杆機構可動短杆10、一對四連杆機構橫梁11、絕對編碼器12、加載機構電機13、行星齒輪減速箱14、一對導向杆15、絲槓16、螺母(其上可固定配重塊)17、一對四連杆機構可動長杆18、驅動器19、角度測量機構20、一對四連杆機構轉軸21、第一安裝基板22、第二安裝基板23、第一軸承24、第二軸承25；
圖1和圖2是本發明的結構原理示意圖；平行正對且等高的一對混凝土牆體1上沿著一對混凝土牆體1延伸的方向平行正對且等高地安放一對臺架導軌2；首先構建臺架坐標系，以鉛直方向為Z向，一對臺架導軌2的延伸方向為Y向，與Y-Z平面垂直的方向為X向，由此構建臺架坐標系X-Y-Z；
臺架車體3帶有輪子，能夠沿Y向移動，臺架車體3在Y向的前後水平梁的中間位置分別固定有鋼絲，能夠在兩個伺服電機的牽引下沿著Y向雙向運動；沉陷量測量機構4是一個直線位移傳感器，其固定端固定在臺架車體3上，滑動端在重力的作用下自然垂落到四連杆機構平臺9上，通過測量車輪加載前後四連杆機構平臺在Z向的位移差來計算出沉陷量；
單輪驅動電機5的定子部分固定連接在四連杆機構平臺9上，單輪驅動電機5的轉子部分與減速器6的輸入軸相連，減速器6的外殼固定連接在單輪驅動電機5的定子部分上，測試車輪7固定連接到減速器6的輸出軸上,測試車輪7的軸心和減速器6輸出軸的軸心重合且沿X向。盛放土壤的凹槽8水平布置在一對混凝土牆體1之間的Y向上，且使得測試車輪7在最大沉陷時沉陷量測量機構4不超量程；
四連杆機構平臺9為一矩形平臺機構，其沿Y向的兩端部均設為相同的條狀體，該條狀體長度方向沿X向設置，兩個所述條狀體上各自設有一對連接機構，由此對於某一端部條狀體處的一對連接機構而言，分為X向在前的設為第一連接機構及X向在後的第二連接機構，且所述第一連接機構處於所述條狀體外側，所述第二連接機構處於所述條狀體內側；
所述第一連接機構用於將所述一對四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9端部，即某一條狀體外側，所述第二連接機構用於將所述一對四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9端部，即該條狀體內側；從而對於另一條狀體而言，同樣通過該條狀體上的第一連接機構和第二連接機構，實現另一四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9另一端部外側，以及另一四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於四連杆機構平臺9端部內側；
一對所述四連杆機構橫梁11沿Y向的厚度與所述條狀體沿Y向的厚度相同；所述一對四連杆機構橫梁11上各自設有X向在前的第三連接機構及X向在後的第四連接機構；所述第三連接機構處於所述一對四連杆機構橫梁11外側，所述第四連接機構處於所述一對四連杆機構橫梁11內側；
所述第三連接結構用於將一對四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於一對四連杆機構橫梁11之一的外側，所述第四連接機構用於將所述一對四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於該四連杆機構橫梁11之一的內側；從而對於另一四連杆機構橫梁11之一而言，同樣通過該一對四連杆機構橫梁11之一上的第三連接機構和第四連接機構，實現另外一對四連杆機構可動短杆10之一通過軸連接方式設置於另外一對四連杆機構橫梁11之一外側，以及另外一對四連杆機構可動長杆18之一通過軸連接方式設置於另外一對四連杆機構橫梁11之一內側；
第一連接機構和第二連接機構沿X向的距離與第三連接機構和第四連接機構沿X向的距離相等；第一連接機構和第三連接機構的距離與第二連接機構和第四連接機構的距離相等；由此，四連杆機構平臺9、一對四連杆機構可動短杆10、一對四連杆機構橫梁11、一對四連杆機構可動長杆18構成平行四邊形結構，由一對四連杆機構可動短杆10構成的平面與由一對四連杆機構可動長杆18構成的平面相互平行，四連杆機構平臺9所在的平面與由一對四連杆機構橫梁11構成的平面相互平行；
所述一對四連杆機構橫梁11沿X向水平固定在臺架車體3上，即與臺架導軌2垂直，根據平行四邊形結構，可保證四連杆機構平臺9一直保持水平，從而實現加載方向為垂向；
一對四連杆機構轉軸21位於一對所述第四連接機構處；
再次建立空間坐標系，以一對四連杆機構轉軸21的連線中點為坐標原點，以一對四連杆機構可動長杆18的延伸方向為X0軸，以一對四連杆機構轉軸21的連線方向為Y0軸，以與X0-Y0平面垂直的方向為Z0軸；
第一安裝基板22和第二安裝基板23分別固定在一對四連杆機構可動長杆18上，且保證第一安裝基板22的平面和第二安裝基板23的平面分別垂直於X0軸；在第一安裝基板22的平面和第二安裝基板23上分別安裝相同的第二軸承25和第一軸承24，且第二軸承25和第一軸承24的旋轉軸心同時在X0軸上；在第二軸承25和第一軸承24之間安裝有絲槓16，絲槓16隻可繞X0軸轉動，在絲槓16上安裝有螺母17，螺母17上有兩個同樣尺寸的光滑的導向孔，所述兩個導向孔中心線位於X0-Y0平面內，且與X0軸平行對稱分布；穿過螺母17上的兩個導向孔的為一對光滑的導向杆15，一對導向杆15的端點分別固定連接在安裝基板22和安裝基板23的相應位置處，從而可以實現在一對導向杆15的約束下，將絲槓16的旋轉運動轉化為螺母17的直線運動；
在一對所述第四連接機構處，一對四連杆機構轉軸21與一對四連杆機構可動長杆18之間是固定連接，一對四連杆機構轉軸21與一對四連杆機構橫梁11之間是軸連接；角度測量機構20的旋轉軸固定連接在一對四連杆機構轉軸21之一上且保證軸心在一條直線上，角度測量機構20的外殼固定在一對四連杆機構橫梁11之一上，由此可以測量一對四連杆機構可動長杆18之一和一對四連杆機構橫梁11之一之間的夾角；
在第一安裝基板22上固定連接行星齒輪減速箱14的外殼，行星齒輪減速箱14的輸出軸與穿過第一安裝基板22上的孔的絲槓16連接且保證行星齒輪減速箱14的輸出軸的軸心在X0軸上，行星齒輪減速箱14的外殼上固定連接加載機構電機13的外殼，加載機構電機13的轉子一端連接到行星齒輪減速箱14的輸入軸上且保證軸心在一條直線上，加載機構電機13的轉子另一端連接到絕對編碼器12的旋轉軸上且保證軸心在一條直線上，絕對編碼器12除旋轉軸外的部分固定到電機的定子上，驅動器19固定安裝在第一安裝基板22上。
該發明裝置具有如下功能：
(一)上位機通過控制兩個伺服電機，通過鋼絲拖動臺架車體3以不同的速度正反向運動到Y向的不同位置處，從而實現測試車輪在Y向的運動。
(二)在上位機命令的控制下，單輪驅動電機5可以以不同的速度正反向運動到不同的位置，單輪驅動電機5的動力輸出軸經過減速器6減速後驅動測試車輪7以不同的速度正反向運動到不同的位置。從而實現測試車輪7的運動，結合臺架車體3的運動，能夠實現不同滑轉率和滑移率下的試驗研究。
(三)驅動器19接收絕對編碼器12的反饋信息，並根據上位機的控制指令控制加載機構電機13帶動行星齒輪減速箱14旋轉，行星齒輪減速箱14與絲槓16連接，將旋轉運動傳遞給絲槓16；絲槓16和螺母17是一對滾珠絲槓副，螺母17在一對導向杆15的作用下將絲槓16的旋轉運動轉化為螺母(其上可固定配重塊)17的直線運動，螺母17的位置變化將會導致對一對四連杆機構轉軸21的力矩發生變化，在一個以一對四連杆機構轉軸21為中心的力矩平衡系統中，土壤對測試車輪7的作用力必然發生變化，這樣就實現了通過控制加載機構電機13的連續運動，實現了螺母17的連續運動，從而實現了對測試車輪7的連續可控加載。上位機能夠實時讀取驅動器19和絕對編碼器12的信息。
(四)上位機通過讀取角度測量機構20的數據，從而能夠測量一對四連杆機構可動長杆18之一和一對四連杆機構橫梁11之一之間的夾角，通過對該夾角變化的分析能夠判斷測試車輪7是否接觸到盛放土壤的凹槽8中的土壤。
該發明裝置能夠進行如下測試：
(一)測試車輪7靜止，沉陷量與所有量程範圍內的載荷之間的關係測試
此時臺架車體3靜止，單輪驅動電機5靜止，上位機控制加載機構電機13驅動螺母17從載荷最小的位置緩慢變化到載荷最大的位置，在這個過程中隨時記錄沉陷量測量機構4和絕對編碼器12的反饋值，從而得到沉陷量與載荷之間的關係曲線。
(二)測試在固定載荷下，沉陷量與車輪7運動之間的關係測試
此時上位機控制加載機構電機13驅動螺母17到達指定的固定載荷對應的位置處，臺架車體3在伺服電機拖動下運動(包括勻速運動、勻變速運動、非勻變速運動等)，單輪驅動電機5驅動測試車輪7與臺架車體3同速運動，記錄沉陷量測量機構4的反饋值，從而得到在固定載荷下沉陷量隨運動變化的關係曲線。
(三)測試車輪7運動且載荷變化情況下的沉陷量曲線。
上位機控制伺服電機拖動臺架車體3運動(包括勻速運動、勻變速運動、非勻變速運動等)，單輪驅動電機5驅動測試車輪7與臺架車體3同速運動，上位機控制加載機構電機13驅動螺母17，從起始載荷對應的位置，速度為對應載荷變化(包括勻速變化載荷、勻變速變化載荷、非勻速變化載荷)的速度，運動到最終載荷對應的位置，記錄沉陷量測量機構4的反饋值，從而實現在車輪運動且載荷變化情況下的沉陷量測量。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變形，這些改進和變形也應視為本發明的保護範圍。