作者:唐晓强等 来源:《实验技术与管理》 发布时间:2023/2/22 14:19:21
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索驱动机构在航天工程领域的应用综述

2023年1月,清华大学唐晓强教授团队和北京空间机电研究所在清华大学主办的学术期刊《实验技术与管理》发表了题为“索驱动机构在航天工程领域的应用综述”的综述文章。

由于索驱动机构具有工作空间大、承载能力强、质量轻的优点,其在航天工程领域得到了大量应用。其应用可以分为两个主要的方面:面向航天器的应用和面向宇航员的应用。航天器在发射之前,需要在地面进行大量的验证试验,其中一部分试验需要模拟太空或地外天体的低重力环境。索驱动机构可以提供大范围的运动,并且可以通过主动施加索力的方式卸载掉航天器的一部分重力。借助低重力环境,航天器能更好地开展空间对接、地外天体着陆、表面行进、表面飞跃、起飞等验证试验。为了适应太空环境,航天员在执行任务前需要在地面进行一系列的训练,如航天器的操作、重力环境适应、空间站内操作训练、地外天体表面行走训练等。在航天员训练方面同样可以借助索驱动机构模拟低重力环境。另外,由于绳索的柔性质量轻的特点,在与人交互时,相比于刚性机器人安全性表现得更好。除了模拟低重力环境以外,索驱动机构还可以用于模拟空间站中虚拟物体的运动特性,从而方便航天员进行空间站内部操作训练,以及提供额外拉力方便航天员进行体能训练等用途。

图1.索驱动机构在航天工程领域的应用举例

本文从面向航天器地面验证试验的应用(如图1(a)(b))和面向航天员训练的应用(如图1(c)(d))两个大类对索驱动机构进行了系统地综述。面向航天器的相关应用又可分为单索机构、单索加二维随动机构、多索平行垂吊机构和多索非平行并联机构。面向航天员的相关应用又可分为低重力环境适应训练、月面环境综合适应训练、空间站内操作训练失重康复训练等

最后,本文对索驱动机构在航天领域的应用进行了展望。

(1)用于地外天体起飞模拟试验。随着航天工程的发展,航天器采样返回的需求逐渐出现。相对于降落,起飞试验的模拟方式更多,加速度更大,对索驱动系统的要求更多。

(2)大型试验场的应用。现有的应用主要针对不同的航天器所需要的实验空间和重力模拟要求,单独开发索驱动机构。将来可开发基于索驱动机构的大型试验场,使不同的航天器和不同的任务需求都能在一个通用的平台上进行试验。

(3)多技术融合。除了单纯使用索驱动机构进行重力环境的模拟以外,融合如VR、AR等其他技术,增加视觉、听觉等其他感知的模拟,能够对地外环境进行更加完整的模拟,达到更好的训练效果。

论文信息:

https://doi.org/10.16791/j.cnki.sjg.2023.01.001

唐晓强,王禹衡,侯森浩,等. 索驱动机构在航天工程领域的应用综述[J]. 实验技术与管理, 2023, 40(1): 001-014.

TANG X Q, WANG Y H, HOU S H, et al. Overview of the application for cable-driven mechanism in aerospace engineering [J]. Experimental Technology and Management, 2023, 40(1): 001-014. (in Chinese)

《实验技术与管理》1963年创刊,是第一家面向全国高校实验室工作的刊物,是中国高等教育学会实验室管理工作分会会刊、中文核心期刊。本刊面向全国高等学校和科研院所,立足服务一线教师和研究人员,强调实验理论与实践的统一,致力于办成国内实验室系统具有代表性的、高水平的刊物。本刊将继续努力推动实验技术与方法的创新与发展,聚焦国家重大科学基础设施建设,关注仪器设备自主研发,介绍高水平实验室建设与管理经验,及时推出与前沿热点相结合的教学综合实验设计,以期为一线实验队伍展示相关领域实验(室)的最新成果。

主管单位: 中华人民共和国教育部

主办单位: 清华大学

主  编: 吕志刚

出版单位: 清华大学出版社有限公司

出版周期: 月刊

 
 
 
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