專利名稱：航天員艙外攀爬活動訓練用的四維抓取力的測力裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多維力測力裝置，特別涉及一種航天員在模擬太空環(huán)境中進行艙外攀爬活動訓練時，用于測量航天員左右手四維抓取力的測力裝置。
背景技術：
飛船在軌道飛行期間，航天員處于微重力環(huán)境下。航天員進行艙外活動時，經(jīng)常需要把一個太空設備裝配到另一個太空設備上，或者從一個工作位置移動到另一個工作位置。在完成上述出艙任務時，最重要的是使身體保持在一定的位置或有效地進行身體移動。 身體移動的最好辦法是頭朝下，面對要移動的方向，手臂把扶住周圍的某些固定物體做攀爬運動。在艙外活動中，航天員的攀爬運動與普通地面上運動員抓取固定物體做攀爬運動存在很大的差別，航天員的手、手腕和手臂的肌力和耐力比心血管功能更為重要。為了保證航天員能順利地完成艙外活動任務，需要對航天員加強地面模擬太空環(huán)境的艙外活動訓練。艙外活動訓練包括航天員身穿艙外航天服，利用軟繩將航天員腰部系住并懸吊于空中，航天員單手或雙手抓持住放置于地面的訓練桿，練習如何通過抓持訓練桿穩(wěn)定自己的身體，防止隨意旋轉(zhuǎn)運動，并將自己的身體保持一個特定的位置和角度；練習如何通過抓持訓練桿向特定的目標和方向移動自己的身體。為配合航天員順利完成上述地面模擬艙外活動攀爬訓練，需要研究航天員在模擬艙外活動攀爬訓練中手臂對物體抓取的生物力學特征，設計一種可以測量航天員左右手四維抓取力的測量裝置。中國專利CN101832834A公開了用于失重環(huán)境下攀爬訓練的抓桿裝置，可以測量失重環(huán)境下人員攀爬訓練時對訓練桿的三維抓取力，與本實用新型相比較，當兩個固定于支架上的三維力傳感器的傳力軸與抓桿剛性連接時，整個抓桿裝置構成超靜定系統(tǒng)，當兩個傳力軸的實際距離與傳力軸在抓桿上的正確安裝距離有細微差別時，在抓桿裝置內(nèi)部，抓桿將對兩個三維力傳感器產(chǎn)生沿Y方向的巨大的內(nèi)力，因此兩個三維力傳感器測得的合力不僅是人員攀爬訓練時對訓練桿的三維抓取力，還包括抓桿對兩個三維力傳感器的作用內(nèi)力，該作用內(nèi)力不好測量并具有可變性，嚴重影響測量精度，且該抓桿裝置不區(qū)分左右手，不可根據(jù)攀爬人員實際需要調(diào)節(jié)抓桿裝置的桿長，和兩個桿長的相對角度，也不能夠測量攀爬訓練時訓練桿受到的沿訓練桿中心軸的扭矩。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種能夠提高測量精度的航天員艙外攀爬活動訓練用的四維抓取力的測力裝置。本實用新型采用如下技術方案—種航天員艙外攀爬活動訓練用的四維抓取力的測力裝置，包括第一抓桿基座和第二抓桿基座，第一抓桿基座與第二抓桿基座轉(zhuǎn)動連接，在第一抓桿基座和第二抓桿基座都設有抓取力測力裝置，抓取力測力裝置由三維力傳感器、轉(zhuǎn)接塊、扭矩傳感器、柱形抓桿、直線軸承機座、直線軸承、二維力傳感器組成，三維力傳感器上的法蘭盤與轉(zhuǎn)接塊下表面連接，轉(zhuǎn)接塊側面與扭矩傳感器的基體連接，三維力傳感器的標定軸與扭矩傳感器的標定軸垂直，柱形抓桿一端套設在扭矩傳感器的標定軸上，并與扭矩傳感器的標定軸通過銷子剛性連接，直線軸承過盈配合裝配于直線軸承基座內(nèi)部，直線軸承內(nèi)圈裝在柱形抓桿的另一端上，且直線軸承與柱形抓桿滑動連接，直線軸承機座下表面與二維力傳感器的法蘭盤連接。當航天員進行攀爬訓練時，設柱形抓桿受到航天員手臂抓取力為Fx、Fy、Fz，沿Y方向扭矩為My，三維力傳感器測得三個方向分力為fxl、Fyl、Fzl，二維力傳感器測得兩個方向分力為Fx2、Fy2，扭矩傳感器測得Y方向扭矩為Myl，則航天員手臂抓取力為Fx、Fy、Fz可表示為Fx=Fx1+Fx2,Fy=Fyl+Fy2,Fz=Fzl， My=Myl。同現(xiàn)有技術比較，本實用新型的優(yōu)點是1)兩個抓取力測力裝置分別固定于第一抓桿基座、第二抓桿基座的上表面，可以同時分別測量航天員爬桿訓練中左手、右手對柱形抓桿的四維抓取力，第一抓桿基座與第二抓桿基座通過轉(zhuǎn)動副套合，可以相互沿著轉(zhuǎn)軸進行相對轉(zhuǎn)動，使得本實用新型裝置可以根據(jù)航天員體型和抓取抓桿姿勢的實際需要調(diào)節(jié)兩個柱形抓桿的相對角度；2)直線軸承內(nèi)圈裝在柱形抓桿上，外圈裝在直線軸承機座上，直線軸承機座下表面與二維力傳感器的法蘭盤連接，將二維力傳感器的基體的底盤固定在二維力傳感器安裝孔的不同位置，可以根據(jù)航天員體型大小和實際需要調(diào)節(jié)柱形抓桿的長度；3)直線軸承與柱形抓桿沿軸向滑動連接，避免了超靜定系統(tǒng)的產(chǎn)生，柱形抓桿不會對二維力傳感器與三維力傳感器產(chǎn)生沿Y方向的內(nèi)力，保證了測量精度，否則，若二維力傳感器與三維力傳感器均與柱形抓桿剛性連接，形成超靜定系統(tǒng)，在對裝置實際加工安裝時，由于機械誤差、安裝方式等原因，三維力傳感器的標定軸與二維力傳感器的標定軸的實際距離與上述兩個傳力軸在抓桿上的正確安裝距離不可避免會有細微差別，則在裝置內(nèi)部，柱形抓桿會對三維力傳感器和二維力傳感器產(chǎn)生沿Y方向的內(nèi)力，該內(nèi)力值通常較大，使得三維力傳感器和二維力傳感器測得力值不僅包括航天員對訓練桿的抓取力，還包括柱形抓桿會對三維力傳感器和二維力傳感器產(chǎn)生沿Y方向的內(nèi)力，嚴重影響了裝置對四維抓取力的測量；4)直線軸承與柱形抓桿除軸向滑動連接外，還有周向滑動連接，使得安裝在柱形抓桿另一端的扭矩傳感器可以準確測量航天員對抓桿的扭矩。
圖I是本實用新型的結構示意圖。圖2是本實用新型抓取裝置結構示意圖。圖3是本實用新型三維力傳感器示意圖。圖4是本實用新型扭矩傳感器示意圖。圖5是本實用新型二維力傳感器示意圖。圖6是本實用新型直線軸承和直線軸承機座示意圖。圖7是本實用新型第一抓桿基座和第二抓桿基座示意圖。圖8是本實用新型的抓取裝置結構立體圖。
具體實施方式
一種航天員艙外攀爬活動訓練用的四維抓取力的測力裝置，第一抓桿基座I和第二抓桿基座2，第一抓桿基座I與第二抓桿基座2轉(zhuǎn)動連接，在第一抓桿基座I和第二抓桿基座2都設有抓取力測力裝置，該抓取力測力裝置由三維力傳感器301、轉(zhuǎn)接塊302、扭矩傳感器303、柱形抓桿304、直線軸承機座305、直線軸承306、二維力傳感器307組成，三維力傳感器301上的法蘭盤3013與轉(zhuǎn)接塊302下表面連接，轉(zhuǎn)接塊302側面與扭矩傳感器的基體3031連接，三維力傳感器的標定軸3012與扭矩傳感器的標定軸3032垂直，柱形抓桿304一端套設在扭矩傳感器標定軸3032上，并與扭矩傳感器的標定軸3032通過銷子剛性連接，直線軸承306過盈配合裝配于直線軸承基座305內(nèi)部,直線軸承306內(nèi)圈裝在柱形抓桿304的另一端上，且直線軸承306與柱形抓桿304滑動連接，直線軸承機座305下表面與二維力傳感器的法蘭盤3073連接。
以下結合附圖及具體實施例對本實用新型作進一步說明。 參照圖I，為本實用新型的立體結構示意圖，抓取力測量裝置由第一抓桿基座1，第二抓桿基座2、第一抓取力測力裝置4、第二抓取力測力裝置3組成。抓取力測力裝置結構參照圖2，由三維力傳感器301、轉(zhuǎn)接塊302、扭矩傳感器303、柱形抓桿304、直線軸承機座305、直線軸承306、二維力傳感器307組成。參照圖3，三維力傳感301包括三維力傳感器的基體3011、三維力傳感器的標定軸3012、三維力傳感器的法蘭盤3013。參照圖4，二維力傳感器307包括二維力傳感器的基體3071、二維力傳感器的標定軸3072、二維力傳感器的法蘭盤3073。參照圖5，扭矩傳感器303包括扭矩傳感器的基體3031與扭矩傳感器的標定軸3032。三維力傳感器的法蘭盤3013與轉(zhuǎn)接塊302下表面連接，轉(zhuǎn)接塊302側面與扭矩傳感器的基體3031連接，三維力傳感器的標定軸3012與扭矩傳感器的標定軸3032保持垂直，柱形抓桿304 —段套設在扭矩傳感器的標定軸3032上，并與扭矩傳感器的標定軸3032通過銷子剛性連接。參照圖6，直線軸承306過盈配合裝配于直線軸承基座305內(nèi)部。參照圖2，直線軸承306內(nèi)圈裝在柱形抓桿304上，直線軸承306與柱形抓桿304滑動連接，直線軸承機座305下表面與二維力傳感器法蘭盤3073連接。參照圖7,第一抓桿基座I上一端有第一三維力傳感器安裝孔101,用于將三維力傳感器基體3011的底盤固定在第一抓桿基座I的一端，另一端有第一二維力傳感器安裝孔102，將二維力傳感器基體3071的底盤固定在第一二維力傳感器安裝孔102的不同位置，可以將二維力傳感器307固定在第一抓桿基座I的另一端的不同位置；第二抓桿基座2上一端有第二三維力傳感器安裝孔201，用于將三維力傳感器基體3011的底盤固定在第二抓桿基座2的一端，另一端有第二二維力傳感器安裝孔202，將二維力傳感器基體3071的底盤固定在第二二維力傳感器安裝孔202的不同位置，可以將二維力傳感器307固定在第二抓桿基座2的另一端的不同位置。使兩個抓取裝置分別固定于第一抓桿基座I和第二抓桿基座
2。第一抓桿基座I與第二抓桿基座2轉(zhuǎn)動連接，可以沿著轉(zhuǎn)軸進行相對轉(zhuǎn)動。航天員艙外攀爬活動訓練用的四維抓取力的測力裝置測力原理參照圖8，當航天員進行攀爬訓練時，設柱形抓桿304受到航天員手臂抓取力為Fx、Fy、Fz，沿Y方向扭矩為My，三維力傳感器測得三個方向分力為Fxl、Fyl、Fzl，二維力傳感器測得兩個方向分力為Fx2、Fy2，扭矩傳感器測得Y方向扭矩為Myl，則航天員手臂抓取力為Fx、Fy、Fz可表示為[0028]Fx=Fx1+Fx2,Fy=Fyl+Fy2,Fz=Fzl,My=Myl。
權利要求1.一種航天員艙外攀爬活動訓練用的四維抓取力的測力裝置，其特征在于，包括 第一抓桿基座(I)和第二抓桿基座 (2 )，第一抓桿基座(I)與第二抓桿基座(2 )轉(zhuǎn)動連接，在第一抓桿基座(I)和第二抓桿基座(2)都設有抓取力測力裝置，所述的抓取力測力裝置由三維力傳感器(301)、轉(zhuǎn)接塊(302)、扭矩傳感器(303)、柱形抓桿(304)、直線軸承機座(305)、直線軸承(306)、二維力傳感器(307)組成，三維力傳感器(301)上的法蘭盤(3013)與轉(zhuǎn)接塊(302 )下表面連接，轉(zhuǎn)接塊(302 )側面與扭矩傳感器的基體(3031)連接，三維力傳感器的標定軸(3012)與扭矩傳感器的標定軸(3032)垂直，柱形抓桿(304)—端套設在扭矩傳感器標定軸(3032)上，并與扭矩傳感器的標定軸(3032)通過銷子剛性連接，所述的直線軸承(306)過盈配合裝配于直線軸承基座(305)內(nèi)部，直線軸承(306)內(nèi)圈裝在柱形抓桿(304)的另一端上，且直線軸承(306)與柱形抓桿(304)滑動連接，直線軸承機座(305)下表面與二維力傳感器的法蘭盤(3073)連接。
專利摘要一種航天員艙外攀爬活動訓練用的四維抓取力的測力裝置，第一抓桿基座與第二抓桿基座轉(zhuǎn)動連接，在第一抓桿基座和第二抓桿基座都設有抓取力測力裝置，該抓取力測力裝置由三維力傳感器、轉(zhuǎn)接塊、扭矩傳感器、柱形抓桿、直線軸承機座、直線軸承、二維力傳感器組成，三維力傳感器上的法蘭盤與轉(zhuǎn)接塊下表面連接，轉(zhuǎn)接塊側面與扭矩傳感器的基體連接，三維力傳感器的標定軸與扭矩傳感器的標定軸垂直，柱形抓桿一端套設在扭矩傳感器標定軸上，并與扭矩傳感器的標定軸剛性連接，直線軸承過盈配合裝配于直線軸承基座內(nèi)部，直線軸承內(nèi)圈裝在柱形抓桿的另一端上，且直線軸承與柱形抓桿滑動連接，直線軸承機座下表面與二維力傳感器的法蘭盤連接。
文檔編號A63B69/00GK202582805SQ201120306559
公開日2012年12月5日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權日2011年8月22日
發(fā)明者宋愛國, 馬俊青, 茅晨, 吳涓, 崔建偉, 徐寶國, 李會軍 申請人:東南大學