一種模擬空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的地面三維空間微重力的裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地面三維空間微重力的裝置與方法，特別涉及一種模擬空間機(jī)械臂捕 獲目標(biāo)衛(wèi)星的地面三維空間微重力的裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于空間機(jī)械臂在太空接近和捕獲目標(biāo)衛(wèi)星操作時(shí)，其衛(wèi)星基座通常是不受控 的，處于自由漂浮狀態(tài)。在太空中，空間機(jī)器人系統(tǒng)處于微重力環(huán)境，通常不考慮地球重力 對(duì)其影響，因此，空間機(jī)器人系統(tǒng)滿足動(dòng)量守恒定律。當(dāng)空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，其漂浮衛(wèi)星基 座通常會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的擾動(dòng)。目前，空間機(jī)械臂的測(cè)試通常是在二維的氣浮平臺(tái)上進(jìn)行的，其 通常不考慮漂浮衛(wèi)星基座的運(yùn)動(dòng)，只是空間機(jī)械臂在二維平面空間的運(yùn)動(dòng)和操作，其與空 間機(jī)器人在太空中真實(shí)的三維空間運(yùn)動(dòng)和操作有著很大的不同，空間機(jī)器人在太空中幾乎 不重地球重力影響，因此，它的設(shè)計(jì)通常臂桿較長(zhǎng)，具有較大的柔性，在地面上重力環(huán)境下 無法直接進(jìn)行三維空間的操作，因此，需要開發(fā)一套地面三維空間微重力模擬與驗(yàn)證系統(tǒng) 來再現(xiàn)和驗(yàn)證空間機(jī)器人在真實(shí)的三維空間中捕獲和維修目標(biāo)衛(wèi)星的操作，并對(duì)相關(guān)的控 制算法和硬件進(jìn)行測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的技術(shù)沒有考慮空間機(jī)械臂在三維空間運(yùn)動(dòng)和操作過程 中漂浮衛(wèi)星基座的運(yùn)動(dòng)的問題，而提供一種模擬空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的地面三維空間 微重力的裝置與方法。
[0004] 本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0005] -種模擬空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的地面三維空間微重力的裝置具體包括工業(yè) 機(jī)械臂A、工業(yè)機(jī)械臂T;空間機(jī)械臂，手眼相機(jī)，捕獲手爪，捕獲接口，服務(wù)衛(wèi)星本體模擬器， 目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器以及六維力/力矩傳感器組成；
[0006] 所述的工業(yè)機(jī)械臂A末端與服務(wù)衛(wèi)星本體模擬器相連，服務(wù)衛(wèi)星本體模擬器通過 連接法蘭連接六維力/力矩傳感器;六維力/力矩傳感器通過連接法蘭連接空間機(jī)械臂；空 間機(jī)械臂通過螺栓與手眼相機(jī)相連接，手眼相機(jī)通過螺栓連接捕獲手爪；
[0007] 所述的工業(yè)機(jī)械臂T通過連接法蘭連接六維力/力矩傳感器，六維力/力矩傳感器 通過連接法蘭連接目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器；目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器連接捕獲接口；
[0008] 其中，接捕獲接口與捕獲手爪相匹配。
[0009] 一種模擬空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的地面三維空間微重力的實(shí)現(xiàn)方法具體包括 以下步驟：
[0010] 步驟一、模擬目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)；利用運(yùn)動(dòng)學(xué)等效算法將目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器通過 工業(yè)機(jī)械臂T模擬實(shí)際目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
[0011] 步驟二、通過手眼相機(jī)采集步驟一中目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)運(yùn)動(dòng)信息的視覺圖 像，根據(jù)視覺圖像確定目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器的相對(duì)于手眼相機(jī)的位置與衛(wèi)星本體模擬器的 姿態(tài)；
[0012] 步驟三、將步驟二確定的相對(duì)位置和姿態(tài)傳遞給空間機(jī)械臂控制器，空間機(jī)械臂 控制器通過相對(duì)位置和姿態(tài)信息確定空間機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)信息;根據(jù)空間機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng) 信息，確定空間機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息;其中，空間機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息包括空間機(jī) 械臂的關(guān)節(jié)角加速度I和空間機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角速度下角標(biāo)m為空間機(jī)械臂；其中，空間 機(jī)械臂末端具體為空間機(jī)械臂與手眼相機(jī)的連接處；
[0013] 步驟四、根據(jù)空間機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息計(jì)算服務(wù)衛(wèi)星本體模擬器基座的運(yùn)動(dòng) 信息；
[0014] 步驟五、根據(jù)服務(wù)衛(wèi)星本體模擬器基座的運(yùn)動(dòng)信息，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)等效算法計(jì)算工 業(yè)機(jī)械臂A的末端運(yùn)動(dòng)信息;其中，工業(yè)機(jī)械臂A的末端為工業(yè)機(jī)械臂A與服務(wù)衛(wèi)星本體模擬 器的連接處；
[0015] 步驟六、根據(jù)視覺圖像確定目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器的相對(duì)于手眼相機(jī)的位置的姿態(tài) 判斷接捕獲接口是否在捕獲手爪所在的捕獲區(qū)域內(nèi)；若在捕獲手爪所在的捕獲區(qū)域內(nèi)則進(jìn) 行步驟八;若不在，則重復(fù)步驟一至五;直至捕獲接口在捕獲手爪所在的捕獲區(qū)域內(nèi)為止；
[0016] 步驟七、利用空間機(jī)械臂的控制器控制捕獲手爪捕獲目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器；
[0017] 步驟八、當(dāng)捕獲手爪捕獲目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器后，目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器根據(jù)所受 的接觸力通過動(dòng)力學(xué)算法來估計(jì)目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
[0018] 步驟九、根據(jù)步驟八估計(jì)的目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)等效的方 法，模擬工業(yè)機(jī)械臂T受力后的實(shí)際目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；
[0019] 步驟十、根據(jù)力矩傳感器測(cè)量的捕獲手爪與目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器之間接觸對(duì)基座 產(chǎn)生的外力和外力矩通過空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)算法，計(jì)算出服務(wù)衛(wèi)星本體模擬器的運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)等效算法利用工業(yè)機(jī)械臂A的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)衛(wèi)星本體模擬器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
[0020] 本發(fā)明有益效果：
[0021] 本發(fā)明涉及一種空間一種模擬空間機(jī)械臂捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的地面三維空間微重力 的裝置與方法，屬于空間機(jī)械臂技術(shù)領(lǐng)域。
[0022] 在地面上三維空間微重力模擬與驗(yàn)證方法，用于進(jìn)行空間機(jī)器人捕獲運(yùn)動(dòng)目標(biāo)衛(wèi) 星的三維空間模擬和再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試。
[0023] 1、本發(fā)明可以真實(shí)再現(xiàn)在三維空間里空間機(jī)器人捕獲運(yùn)動(dòng)目標(biāo)衛(wèi)星的整個(gè)過程；
[0024] 2、本發(fā)明可以模擬目標(biāo)衛(wèi)星的自旋或翻滾運(yùn)動(dòng)；
[0025] 3、本發(fā)明可以模擬空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的漂浮衛(wèi)星基座的擾動(dòng)情況；
[0026] 4、本發(fā)明可以驗(yàn)證空間機(jī)器人的相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制和算法的可靠性；
[0027] 5、本發(fā)明可以驗(yàn)證空間機(jī)器人部分真實(shí)硬件的特性；
[0028] 6、本發(fā)明該系統(tǒng)可以用于空間機(jī)械臂對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)捕獲的接觸或在軌更換0RU操作 的任務(wù)驗(yàn)證如圖7(a)~圖11(f)。
【附圖說明】
[0029]圖1為【具體實(shí)施方式】三提出的工業(yè)機(jī)器人末端的空間機(jī)械臂對(duì)六維力或力矩傳感 器的重力補(bǔ)償原理示意圖即；其中，
[0030] 圖2為【具體實(shí)施方式】一提出的基于硬件在環(huán)的空間機(jī)器人地面三維微重力驗(yàn)證系 統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；其中，2是空間機(jī)械臂，3是手眼相機(jī)，4是捕獲手爪，6是捕獲接口，7是服 務(wù)衛(wèi)星本體模擬器，8是目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器，9是工業(yè)機(jī)器人A，10是工業(yè)機(jī)器人T，11是六 維力/力矩傳感器；
[0031] 圖3為【具體實(shí)施方式】一提出的基于硬件在環(huán)的空間機(jī)器人地面三維微重力驗(yàn)證系 統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖；其中，12是視覺處理計(jì)算機(jī)，13是空間機(jī)械臂控制器，16工業(yè)機(jī)器人A控 制器，17工業(yè)機(jī)器人A關(guān)節(jié)控制器，22工業(yè)機(jī)器人T控制器，23工業(yè)機(jī)器人T關(guān)節(jié)控制器 [0032]圖4為【具體實(shí)施方式】一提出的基于硬件在環(huán)的空間機(jī)器人捕獲目標(biāo)衛(wèi)星的地面三 維微重力驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖；
[0033]圖5為【具體實(shí)施方式】三提出的目標(biāo)衛(wèi)星在空間微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)模擬和再現(xiàn)的 實(shí)現(xiàn)框圖；
[0034] 圖6為【具體實(shí)施方式】二提出的空間機(jī)器人在空間微重力環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)模型再現(xiàn)的 實(shí)現(xiàn)框圖；
[0035] 圖7(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)在X方向的 位置隨時(shí)間變化的曲線，其中，橫軸為時(shí)間縱軸為目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)在X 方向的位置
[0036] 圖7(b)為【具體實(shí)施方式】一提出的目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)在y方向的 位置隨時(shí)間變化的曲線，其中，橫軸為時(shí)間縱軸為目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)在y 方向的位置
[0037] 圖7(c)為【具體實(shí)施方式】一提出的目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)在z方向的 位置隨時(shí)間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時(shí)間縱軸為目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手 眼相機(jī)在z方向的位置
[0038] 圖7(d)為【具體實(shí)施方式】一提出的目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)繞z軸的姿 態(tài)隨時(shí)間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時(shí)間縱軸為目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼 相機(jī)繞z軸的姿態(tài)
[0039] 圖7(e)為【具體實(shí)施方式】一提出的目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)繞y軸的姿 態(tài)隨時(shí)間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時(shí)間縱軸為目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼 相機(jī)繞y軸的姿態(tài)
[0040] 圖7(f)為【具體實(shí)施方式】一提出的目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼相機(jī)繞X軸的姿 態(tài)隨時(shí)間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時(shí)間縱軸為目標(biāo)衛(wèi)星本體模擬器相對(duì)于手眼 相機(jī)繞X軸的姿態(tài)
[0041] 圖8(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂末端在其慣性坐標(biāo)系下的X方向變化 曲線圖；
[0042] 圖8(b)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂末端在其慣性坐標(biāo)系下的y方向變化 曲線圖；
[0043] 圖8(c)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂末端在其慣性坐標(biāo)系下的z方向變化 曲線圖；
[0044] 圖9(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂末端在其慣性坐標(biāo)系下的繞X軸姿態(tài) 角變化曲線圖；
[0045] 圖9(b)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂末端在其慣性坐標(biāo)系下的繞y軸姿態(tài) 角變化曲線圖；
[0046] 圖9(c)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂末端在其慣性坐標(biāo)系下的繞y軸姿態(tài) 角變化曲線圖；
[0047] 圖10(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂第一關(guān)節(jié)的期望關(guān)節(jié)角和實(shí)際關(guān)節(jié) 角的變化曲線；
[0048] 圖10(b)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂第二關(guān)節(jié)的期望關(guān)節(jié)角和實(shí)際關(guān)節(jié) 角的變化曲線；
[0049] 圖10(c)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂第三關(guān)節(jié)的期望關(guān)節(jié)角和實(shí)際關(guān)節(jié) 角的變化曲線；
[0050] 圖10(d)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂第四關(guān)節(jié)的期望關(guān)節(jié)角和實(shí)際關(guān)節(jié) 角的變化曲線；
[0051]圖10(e)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂第五關(guān)節(jié)的期望關(guān)節(jié)角和實(shí)際關(guān)節(jié) 角的變化曲線；
[0052]圖10(f)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂第六關(guān)節(jié)的期望關(guān)節(jié)角和實(shí)際關(guān)節(jié) 角的變化曲線；
[0053]圖11(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的空間機(jī)械臂的服務(wù)衛(wèi)星模擬器