專利名稱：模擬月球漫步或火星行走的裝置及其模擬行走的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬月球漫步或火星行走的裝置及其模擬行走的方法。
背景技術(shù)：
自從神洲五號太空飛行及我國宣布登月計劃后，國內(nèi)民間形成了太空熱。宣傳太空知識也成了當(dāng)前科普的范圍之一。由于月面的重力只有地球的1/6，火星的表面重力是地球表面重力的38％。要在地球表面模擬出月球、火星的表面重力，必須研發(fā)一種裝置來“去除”一部分地面上的重力。現(xiàn)有的在地球上“去除”一部分地面上的重力的方法大致有1.飛機進行拋物線飛行，機艙內(nèi)的乘客可以暫時失去體重幾時秒鐘；2.在水池內(nèi)利用水的浮力來減輕人體的重量。顯然，在科學(xué)普及中采用第1種方法飛機作拋物線飛行和第2種方法在水池中利用水的浮力減輕重量這是不現(xiàn)實的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了向廣大群眾普及宇航方面的知識，而提供的一種切實可行的模擬月球漫步或火星行走的裝置及模擬行走的方法，本發(fā)明采用懸掛吊重裝置減輕體重的方法，“去除”一部分地面上的重力，從而實現(xiàn)模擬月球漫步或火星行走的重力情況，讓普通人能參與體驗到其他星球上的感覺。
本發(fā)明采取的技術(shù)措施是一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其特征在于，包括機架部件、機械傳動部件、以及電子控制部件；所述的機架部件包括總體支撐架，直立在行走場地上；所述的機械傳動部件包括通過電機架固定在總體支撐架橫桿的伺服電機、與伺服電機的輸入端連接的測速發(fā)電機、設(shè)在伺服電機輸出軸的鋼索繞盤、設(shè)在鋼索繞盤的滾筒槽內(nèi)的鋼索、與鋼索連接的安全帶；
所述的電子控制部件包括電源開關(guān)、傳感器、編碼器、程控器控制的電源柜、程控器、A/D轉(zhuǎn)換器；所述的編碼器與伺服電機的輸出端連接，該編碼器輸出位置信號到程控器；所述的測速發(fā)電機接收傳感器輸出的力度信號和加速度信號并將該信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出到程控器；程控器控制電源柜向伺服電機輸出電流及電壓，根據(jù)該電流及電壓，伺服電機軸連接的繩索繞盤收或放。
上述一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其中，所述的編碼器由光電雙向記數(shù)器構(gòu)成。
上述一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其中，所述的傳感器包括力度傳感器和加速度傳感器。
上述一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其中，所述的程控器由CPU單片機構(gòu)成。
模擬月球漫步或火星行走的方法，其特點是，參與者穿上吊帶后，操作人員按動啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作，包括以下步驟a、稱重階段a-1、在給定時間內(nèi)，程控器控制電源柜向伺服電機輸出電流及電壓，根據(jù)該電流及電壓，伺服電機軸連接的繩索繞盤收圈，繩索將參與者慢慢提升起來；a-2、當(dāng)參與者完全被提升起來后，電源柜輸出給伺服電機的電流為恒值，該恒值電流為參與者的體重電流；a-3、程控器記憶參與者的體重所需電流，并計算出參與者5/6的體重電流；a-4、此后程控器控制伺服電機向相反的方向旋轉(zhuǎn)，慢慢將參與者放下，當(dāng)達到5/6參與者體重的電流后停止旋轉(zhuǎn)，參與者被繩索吊住，僅腳觸地，此時參與者的腳對地面上施加的壓力為參與者的1/6體重；a-5、程控器記憶編碼器的位置并將該位置作為參與者運動的起始點；b、運動階段b-1、a步驟完成后，此時電源輸出的電流與體重呈平衡狀態(tài)，隨著參與者跳上和蹲下的姿勢的變換，人體1/6的重量拉動電機順時針旋轉(zhuǎn)，繩索放長，始終吊住參與者5/6的體重；b-2、無論參與者蹲下、墊起腳尖使繩索放長或收緊，程控器始終記錄編碼器的位置信號；b-3、程控器根據(jù)加速度信號迅速計算出運動的終止點，電機轉(zhuǎn)到此終止點立即停轉(zhuǎn)并立即反轉(zhuǎn)；b-4、整個模擬行走過程結(jié)束。
上述模擬月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的電機反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速按自由落體的速度設(shè)定電壓變量。
上述模擬月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的電機轉(zhuǎn)到運動起始點前開始逐步減速直至此起始點停止。
上述模擬月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的在整個運動中，輸入到電機的電流都是恒定的；參與者運動的速度越快加速度越大，電源柜向伺服電機輸出的電壓就越高，伺服電旋轉(zhuǎn)的就越快。
上述模擬月球漫步或火星行走的方法，其中，所述的在整個運動中繩索始終吊住參與者5/6的體重。
由于本發(fā)明采用了以上的技術(shù)方案，采用由程控器控制電源輸出的電流和電壓值來控制伺服電機的動作、以及由程控器來判斷秤重等，再依靠安全帶帶動參與者上下跳躍，使普通人參與體驗到在其他星球上的重力感覺及訓(xùn)練宇航員模擬其他星球重力下行走、運動的過程。


本發(fā)明的具體特征性能由以下的實施例及其附圖進一步描述。
圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明控制行走的電路方框圖。
圖3是本發(fā)明機械傳動部件的示意圖。
圖3是本發(fā)明電子控制部件的電路原理示意圖。
圖5是本發(fā)明模擬太空行走的流程圖。
具體實施例方式
請參閱圖1。本發(fā)明一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，設(shè)置在行走場地100上，其包括機架部件1、機械傳動部件2、以及電子控制部件3。
機架部件1包括總體支撐架11，該總體支撐架11可以是倒“L”形，也可以是門框形，直立在行走場地上。本實施例為減小使用場地，選擇倒“L”形，為加強其受力強度，在其頂部橫向部位再設(shè)置一連接柱111，使其固定在相關(guān)建筑物上。該總體支撐架11的頂部橫向部位設(shè)置機械傳動部件2，在其垂直的柱體部位的適當(dāng)位置設(shè)置電子控制部件3的控制面板4。電子控制部件3控制機械傳動部件2的動作。
請參閱圖3。機械傳動部件2包括通過電機架固定在總體支撐架橫桿的伺服電機21、與伺服電機的輸入端連接的測速發(fā)電機22、設(shè)在伺服電機輸出軸的鋼索繞盤23、纏繞在鋼索繞盤的滾筒槽內(nèi)的鋼索24、與鋼索連接的安全帶25(請配合參見圖1)。
請參閱圖2，本發(fā)明電子控制部件3包括編碼器31、程控器32、程控器控制的電源柜33、A/D轉(zhuǎn)換器34。所述的編碼器31與伺服電機21的輸出端連接，該編碼器31由光電雙向記數(shù)器構(gòu)成，其輸出位置信號到程控器32；所述的測速發(fā)電機22輸出速度信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器34模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出到程控器32；程控器控制電源柜33向伺服電機輸出電流及電壓，根據(jù)該電流及電壓，伺服電機軸連接的繩索繞盤收或放，帶動鋼索24上或下。本發(fā)明電子控制部件3還包括兩個與測速發(fā)電機22連接的傳感器，該兩個傳感器是力度傳感器35和加速度傳感器36。
請參閱圖4。圖4中a是本發(fā)明電子控制部件的實施例電路圖，b是一個接插件A的連接示意圖，c是另一個接插件B的連接示意圖。所述的程控器32內(nèi)安裝運動數(shù)學(xué)模型、記時器、記數(shù)、記憶、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)運算、稱重指令及運行指令等程序。這些程序安裝到程控器比安裝到PC機上更可靠，運算速度更快。并且大大降低了制造、使用成本及基本免維護。程控器32的IC與ID端連接伺服電機21；12與4M端連接測速發(fā)電機22；15端連接控制開關(guān)K1；11與5M端連接速度給定值；14與6M端連接電流給定值。一個接插件A與該程控器的接腳對應(yīng)的還連接力度傳感器35和加速度傳感器36，以及位置旋轉(zhuǎn)編碼器31。另一個接插件B連接有關(guān)的控制開關(guān)，包括限位開關(guān)K2、啟動、停止和急停開關(guān)按鈕K3，還連接運行指示燈R1和故障指示燈R2。
本發(fā)明電子控制部件控制的原理是(1)采用測定伺服電機輸入的電流控制伺服電機的轉(zhuǎn)距來取代力傳感器，測量參與者體重。當(dāng)參與者運動時，控制輸入伺服電機的電流，來減去參與者體重。
(2)采用控制輸入電壓控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，來跟隨參與者上跳速度。
(3)采用計算數(shù)學(xué)模型來控制參與者上跳的速度及上跳最高點。
本發(fā)明采用懸掛吊重的方法，減輕體重，模擬在低重力狀態(tài)下行走、運動。太空人穿上安全帶后，伺服電機在給定時間的控制下旋轉(zhuǎn)，將太空人提升起來，當(dāng)傳感器為定值時，測得太空人的體重。并記憶太空人的體重信號。此時伺服電機向相反的方向旋轉(zhuǎn)，將太空人慢慢放下達到太空人體重的5/6重量時被繩索吊住(此時電機為堵轉(zhuǎn))。太空人腳著地重量為體重的1/6。此后太空人運動時，拉力傳感器的訊號稍一改變，伺服電機就立即做出反應(yīng).使繩索始終吊住太空人體重的5/6。
請參閱圖5，這是本發(fā)明模擬太空行走的流程示意圖。下面結(jié)合具體的實施例詳細描述本發(fā)明模擬太空行走的方法參與者穿上吊帶后，操作人員按動啟動按鈕。系統(tǒng)開始工作。
本模擬月球漫步或火星行走的裝置由安全吊帶、伺服電機、編碼器、測速發(fā)電機、程控器、控制電源、收鋼索的滾筒、保險裝置、數(shù)學(xué)模型及軟件組成。參與者例如游客穿上吊帶后，操作人員按動啟動按鈕。系統(tǒng)開始工作。
第一步稱重階段；在給定時間內(nèi)，程控器控制電源柜向伺服電機輸出低電流及低電壓。此時，因為繩索是松的，電機沒有負載，電機慢慢旋轉(zhuǎn)將繩索收緊。(因為沒有負載，所以電流增加不上去)。繩索一旦收緊，游客的體重使電機停止旋轉(zhuǎn)，程控器記憶電機上編碼器停止旋轉(zhuǎn)位置。隨后程控器控制電源柜向伺服電機輸出低電壓，但電流慢慢增大。電機慢慢旋轉(zhuǎn)并且力矩慢慢增大，將游客慢慢吊起。(因為游客是非剛體的，所以載荷是逐步增加的)。當(dāng)游客的腳離地后，游客的體重與電機輸出的力矩平衡，此時輸入到電機內(nèi)的電流為游客的體重電流。(游客的體重與電機輸出的力矩平衡后電源柜輸出的電流增加不上去)。程控器將體重電流值減去1/6為運行電流值。此后，電源柜減小輸出到電機的電流(小于1/6體重電流值)，電機在游客體重的拉力下慢慢逆旋轉(zhuǎn)，游客慢慢被放下(此時電機為堵逆轉(zhuǎn))。當(dāng)電機逆旋轉(zhuǎn)接近位置(1)時，電源柜輸出到電機的電流鎖定在5/6體重電流值。當(dāng)游客的腳著地后，游客體重的5/6被繩索吊住，游客的腳承載1/6體重。此后，游客如蹲下，因為位置的變化，人體1/6的重量拉動電機逆旋轉(zhuǎn)，繩索放長，但始終吊住游客5/6的體重。游客如踮起腳尖，體重電流值5/6的堵轉(zhuǎn)電流使電機順轉(zhuǎn)，繩索收緊，始終吊住參與者5/6的體重。
第二步運動階段；第一步完成后，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。無論游客蹲下、踮起腳尖使繩索放長或收緊，程控器始終記錄編碼器的位置信號。如游客突然向下或向上運動(產(chǎn)生較大的加速度)，程控器將編碼器的位置信號除Δt得出速度信號，然后再除Δt得出加速度信號。速度信號控制電源柜向伺服電機輸出電壓來控制電機的轉(zhuǎn)速。因為速度是變量，所以控制電機轉(zhuǎn)速的電壓也是變量。但控制電機轉(zhuǎn)矩的電流始終5/6的體重值。(電壓為變量，電流為常量)。速度信號、加速度信號輸入到程控器運動方程，解算出運動的終止點值。電機上的編碼器旋轉(zhuǎn)到此終止點值后，(此時游客上跳到最高點)電機立即停轉(zhuǎn)(實際是在此位置，電源柜恢復(fù)到游客起跳是的供電狀態(tài)，小電壓、5/6的體重值電流。電機停轉(zhuǎn)是由電機慣性被游客1/6的體重拉住而停止的)。此后，游客從最高點開始向下降，隨著下降的距離增大，下降的速度也越來越快。電機被游客1/6的體重拉著逆堵旋轉(zhuǎn)，并且逆堵旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速也越來越快。因為電機是逆堵旋轉(zhuǎn)，所以游客在下降的過程中始終被電機吊住5/6的體重。游客在著地沖擊的瞬間為1/6體重的著地沖擊。
當(dāng)游客向上(跳躍)運動時運動的速度越快，其加速度就越大，也就跳的越高。電源柜向伺服電機輸出的電壓就越高，伺服電機旋轉(zhuǎn)的速度就越快。因為跳躍過程中的速度是高度的函數(shù)，隨著跳躍的高度的增加，其速度就減小，到跳躍的最高點速度為零。因此，程控器始終跟蹤計算游客跳躍過程中每一點的速度(編碼器后一個碼減去前一個碼的差除Δt時間為速度)，來控制電源柜向伺服電機輸出的不同的電壓值。因此在向上時，繩索始終吊住參與者5/6的體重向上運動。
當(dāng)游客從最高點向下(降落)運動時電機被游客1/6的體重拉著逆堵旋轉(zhuǎn)的。因為此時電機是恒力矩的，所以拉的速度大，電機逆堵旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速也就越高。因此在向下時，繩索始終吊住參與者5/6的體重向下運動。
本裝置在第二步運動階段時電機始終處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)。其輸入到電機的電流為5/6體重值，電壓為變量。當(dāng)游客靜止時，電機為堵轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)。當(dāng)游客上跳時，電機為順轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由程控器控制。當(dāng)游客下降時，電機為逆堵轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速游客下降速度決定。
本裝置有三大特點秤重和位置同時進行，系統(tǒng)在秤重的過程中記憶了游客的位置參數(shù)。因為有位置參數(shù)，所以可以進行數(shù)學(xué)模型計算。
本發(fā)明采用的伺服電機始終處于大力矩堵轉(zhuǎn)、逆堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。并將司服電機、鋼索繞盤、測速發(fā)電機等四部件同軸安裝并控制其安裝精度。選擇鋼索繞盤的滾筒槽直徑既能在電機的最大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)吊起100Kg、又能在電機的最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)吊起物的速度達到5米/秒。因為滾筒的直徑選擇較大，吊起物的速度較快，但吊起的重量較小。反之，直徑選擇較小，吊起物的速度較慢，但吊起的重量較大。游客穿上安全帶后，可體驗在“月球”上漫步時自身重力的感覺。因在“月面”上的重量只有地面上的重量的1/6，本發(fā)明裝置就是使游客失去5/6的重量。無論游客在″月球″上怎樣運動，本發(fā)明裝置始終跟隨太空人的運動，減去游客自身重量的5/6。使游客在月面重量只有自己在地球體重1/6的情況下行走、彈跳，模擬在“月球”上行動的感覺。游客用本裝置模擬在月面上隨意運動可體驗到在地球上沒有的感覺。
本發(fā)明可以在多范圍應(yīng)用，如科技館用于游客體驗失重減重的感覺、宇航部門用于訓(xùn)練宇航員、影視部門用于拍攝特技片等等。
權(quán)利要求
1.一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其特征在于，包括機架部件、機械傳動部件、以及電子控制部件；所述的機架部件包括總體支撐架，直立在行走場地上；所述的機械傳動部件包括通過電機架固定在總體支撐架橫桿的伺服電機、與伺服電機的輸入端連接的測速發(fā)電機、設(shè)在伺服電機輸出軸的鋼索繞盤、設(shè)在鋼索繞盤的滾筒槽內(nèi)的鋼索、與鋼索連接的安全帶；所述的電子控制部件包括電源開關(guān)、傳感器、編碼器、程控器控制的電源柜、程控器、A/D轉(zhuǎn)換器；所述的編碼器與伺服電機的輸出端連接，該編碼器輸出位置信號到程控器；所述的測速發(fā)電機接收傳感器輸出的力度信號和加速度信號并將該信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出到程控器；程控器控制電源柜向伺服電機輸出電流及電壓，根據(jù)該電流及電壓，伺服電機軸連接的繩索繞盤收或放。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其特征在于，所述的編碼器由光電雙向記數(shù)器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其特征在于，所述的傳感器包括力度傳感器和加速度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬月球漫步或火星行走的裝置，其特征在于，所述的程控器由CPU單片機構(gòu)成。
5.模擬月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，參與者穿上吊帶后，操作人員按動啟動按鈕，系統(tǒng)開始工作，包括以下步驟a、稱重階段a-1、在給定時間內(nèi)，程控器控制電源柜向伺服電機輸出電流及電壓，根據(jù)該電流及電壓，伺服電機軸連接的繩索繞盤收圈，繩索將參與者慢慢提升起來；a-2、當(dāng)參與者完全被提升起來后，電源柜輸出給伺服電機的電流為恒值，該恒值電流為參與者的體重電流；a-3、程控器記憶參與者的體重所需電流，并計算出參與者5/6的體重電流；a-4、此后程控器控制伺服電機向相反的方向旋轉(zhuǎn)，慢慢將參與者放下，當(dāng)達到5/6參與者體重的電流后停止旋轉(zhuǎn)，參與者被繩索吊住，僅腳觸地，此時參與者的腳對地面上施加的壓力為參與者的1/6體重；a-5、程控器記憶編碼器的位置并將該位置作為參與者運動的起始點；b、運動階段b-1、a步驟完成后，此時電源輸出的電流與體重呈平衡狀態(tài)，隨著參與者跳上和蹲下的姿勢的變換，人體1/6的重量拉動電機順時針旋轉(zhuǎn)，繩索放長，始終吊住參與者5/6的體重；b-2、無論參與者蹲下、墊起腳尖使繩索放長或收緊，程控器始終記錄編碼器的位置信號；b-3、程控器根據(jù)加速度信號迅速計算出運動的終止點，電機轉(zhuǎn)到此終止點立即停轉(zhuǎn)并立即反轉(zhuǎn)；b-4、整個模擬行走過程結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的電機反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速按自由落體的速度設(shè)定電壓變量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的電機轉(zhuǎn)到運動起始點前開始逐步減速直至此起始點停止。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的在整個運動中，輸入到電機的電流都是恒定的；參與者運動的速度越快加速度越大，電源柜向伺服電機輸出的電壓就越高，伺服電旋轉(zhuǎn)的就越快。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬月球漫步或火星行走的方法，其特征在于，所述的在整個運動中繩索始終吊住參與者5/6的體重。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模擬月球漫步或火星行走的裝置及模擬行走的方法，其特點是，裝置包括機架部件、機械傳動部件、以及電子控制部件；機架部件直立在行走場地上；機械傳動部件包括固定在機架的伺服電機、與伺服電機連接的測速發(fā)電機、與伺服電機輸出軸連接的鋼索繞盤、設(shè)在鋼索繞盤的鋼索、與鋼索連接的安全帶；電子控制部件包括電源開關(guān)、編碼器、電源柜、程控器、A/D轉(zhuǎn)換器；采用懸掛吊重裝置減輕體重的方法，由程控器控制電源柜向伺服電機輸出電流及電壓，根據(jù)該電流及電壓，伺服電機軸連接的繩索繞盤收或放。使普通人參與體驗到在其他星球上的重力感覺及訓(xùn)練宇航員模擬其他星球重力下行走、運動的過程。
文檔編號G05D1/00GK101034292SQ200610024500
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者許永順, 胡學(xué)增, 梁兆正, 吳忠義, 聶承國 申請人:上海科技館