機械手位姿精度測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的機械手位姿精度測試系統(tǒng)，技術(shù)目的是提供一種測試數(shù)據(jù)可靠的機械手位姿精度測試系統(tǒng)，包括有氣浮平臺、氣足、托輪、氣泵、機械手支撐架、配平重物、6D激光跟蹤儀、臂桿、第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)；系統(tǒng)及測試步驟簡單、測試數(shù)據(jù)可靠、易于實現(xiàn)，適用于空間機械手的測試應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利說明】機械手位姿精度測試系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間機械手應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，可為所研制的空間機械手實施地面位姿精度測試。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著技術(shù)的進步，人類的活動在不斷地向太空擴展。據(jù)統(tǒng)計，全球平均每年發(fā)射80?130顆衛(wèi)星，然而有2?3顆衛(wèi)星未能正確入軌，而正確入軌的衛(wèi)星中，又有5?10顆在壽命初期(入軌后前30天)即失效，這導致了巨大的經(jīng)濟損失。為了盡可能挽回損失，各國正在研究以衛(wèi)星維修和生命延長為目的以空間機械手為操作手段的在軌服務(wù)技術(shù)。目前的在軌服務(wù)主要包括ORU(Orbital replacing unit)更換、燃料的補給、廢棄衛(wèi)星的清理等等。實現(xiàn)這些任務(wù)的一個重要步驟是實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的抓捕和重新定位。一般而言，空間機械手的抓捕工具位姿容差有限，更多的是依靠空間機械手本身的定位精度來確保抓捕的成功。因此，空間機械手位姿精度的地面測試是非常重要的環(huán)節(jié)，它較大程度反映了空間機械手的抓捕能力。由于空間機械手是針對空間在軌微重力環(huán)境而設(shè)計的，關(guān)節(jié)驅(qū)動力拒有限，因此，在地面進行空間機械手位姿精度測試必須首先研制測試系統(tǒng)，進行重力補償，抵消地面重力的影響。為此，如何獲得微重力環(huán)境是空間機械手位姿精度地面測試的一個關(guān)鍵問題。目前在地面模擬在軌微重力環(huán)境的測試系統(tǒng)主要有5類，他們是“懸吊系統(tǒng)”、“自由落體”、“水浮系統(tǒng)”、“氣浮系統(tǒng)”和“輔助平行四邊形定質(zhì)心、彈簧連接混合系統(tǒng)”。懸吊方式成本低，維護方便，技術(shù)成熟，但機構(gòu)較為復雜，重力補償不完全；水浮裝置和微重力塔的成本高、維護費用高，前者在實驗時還要求保證系統(tǒng)的密封性，后者雖然補償重力效果好，但作用時間太短，不適于空間機械手的實驗操作；氣浮方式只能保證空間機械手在氣浮平面內(nèi)運動，但重力補償效果較好；輔助平行四邊形定質(zhì)心、彈簧連接的混合方法技術(shù)還不成熟。綜合考慮，氣浮平臺并輔助合理的位姿精度測試方式更適合空間機械手位姿精度測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的第一個目的在于提供一種精度測試數(shù)據(jù)可靠的機械手位姿精度測試系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明的第二個目的在于提供機械手位姿精度測試系統(tǒng)下的測試步驟。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的機械手位姿精度測試系統(tǒng)，
[0006]包括有氣浮平臺、氣足、托輪、氣泵、機械手支撐架、配平重物、6D激光跟蹤儀、臂桿、第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)；
[0007]氣浮平臺用于對來自氣足的高壓氣體施加反作用力，實現(xiàn)對氣足的支撐；在氣足的上部裝有托輪，可使第一關(guān)節(jié)相對氣足旋轉(zhuǎn)；
[0008]氣足的動力載荷能隨著承載機械臂的幾何狀態(tài)以及機械臂的不同伸展狀態(tài)發(fā)生變化；[0009]機械手支撐架用于固定被測試機械手，提供與機械手的連接接口，以實現(xiàn)對機械手相應(yīng)部位的支撐，保證機械臂在平臺上運動；
[0010]第四關(guān)節(jié)與第五關(guān)節(jié)之間安裝有臂桿，配平重物用于平衡臂桿的偏置所產(chǎn)生的對第三關(guān)節(jié)的附加重力矩，使第三關(guān)節(jié)能夠順利實現(xiàn)驅(qū)動；
[0011]6D激光跟蹤儀用于實施位置檢測；氣泵用于提供空氣動力；
[0012]測試時，空間機械手的第一關(guān)節(jié)松開，解除空間機械手法蘭基座的約束，用氣足對第一關(guān)節(jié)進行支撐，讓第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)運動到指定的位置，測得第三關(guān)節(jié)相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣；讓第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)運動到指定的位置，測得機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)的變換矩陣。
[0013]本發(fā)明在上述系統(tǒng)下的測試過程為:
[0014]將第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)之間的臂桿固定，實現(xiàn)對空間機械手的吊裝；
[0015]解除空間機械手法蘭基座的約束，用氣足對第一關(guān)節(jié)進行支撐，并利用托輪實現(xiàn)第一關(guān)節(jié)相對于氣足的旋轉(zhuǎn)；
[0016]第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)運動到指定的位置；
[0017]測得第三關(guān)節(jié)相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣；
[0018]讓第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)運動到指定的位置；
[0019]測得機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)的變換矩陣；
[0020]將兩個位姿矩陣合成，測得空間機械手的末端位姿；
[0021]與理論位姿相比較，即可得到空間機械手的末端位姿精度。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的空間機械手六維位姿精度測試系統(tǒng)，氣浮平臺用于對來自氣足的高壓氣體施加反作用力，實現(xiàn)對氣足的支撐。它由多塊黑色花崗巖拼接組成，外形尺寸是3600mmX 4200mmX 400mm,平臺的粗糖度優(yōu)于0.4um,平面度優(yōu)于0.0lmm/lOOmm。氣足是實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，關(guān)系到能否給機械臂提供微重力環(huán)境下的自由運動。由于在機械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時氣足要支撐機械臂在平臺平面上運動，此時對氣足的載荷有影響，因此氣足的動力載荷能隨著承載機械臂的幾何狀態(tài)以及機械臂的不同伸展狀態(tài)發(fā)生變化。氣足是地面實驗的附加裝置，機械臂在空間運動時是沒有氣足這個部件的，因此為了不影響機械臂的性能要求盡力減小氣足的質(zhì)量，以減少氣足對關(guān)節(jié)的附加的力矩需求。在測試中，空間機械手的第一關(guān)節(jié)松開，其由氣足來支撐，在氣足的上部裝有托輪，可使第一關(guān)節(jié)相對氣足旋轉(zhuǎn)。機械手支撐架是固定被測試機械手的物理部件，可提供與機械手的連接接口，以實現(xiàn)對空間機械手相應(yīng)部位的支撐，保證機械臂在平臺上運動。本系統(tǒng)對機械手測試時將固定第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)之間的臂桿(采用吊裝的方式)，在支撐架的設(shè)計中提供了一定的調(diào)節(jié)余量，保證機械臂的正常安裝。配平重物用來平衡臂桿的偏置所產(chǎn)生的對第三關(guān)節(jié)的附加重力矩，使第三關(guān)節(jié)能夠順利實現(xiàn)驅(qū)動。測試系統(tǒng)所使用的測量儀器是美國API公司提供的6D激光跟蹤儀，由一個跟蹤頭、2個6D傳感器、控制器和連接整個系統(tǒng)的電纜組成的。六維激光跟蹤儀能同時測量物體的X，Y，Z坐標值和三個姿態(tài)的轉(zhuǎn)角。其靜態(tài)單點坐標測量精度達到5ppm，動態(tài)達到lOppm。測量系統(tǒng)通過測量儀器能夠直接測得安裝在機械臂上靶標的6維姿態(tài)，從而得到機械臂的位姿參數(shù)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的機械手的位姿精度測試系統(tǒng)，在解除空間機械手法蘭基座的約束后，用氣足對第一關(guān)節(jié)進行支撐，并利用托輪實現(xiàn)第一關(guān)節(jié)相對于氣足的旋轉(zhuǎn)；讓第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)運動到指定的位置；測得第三關(guān)節(jié)相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣；讓第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)運動到指定的位置；測得機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)的變換矩陣；將兩個位姿矩陣合成，測得空間機械手的末端位姿；與理論位姿相比較，即可得到空間機械手的末端位姿精度。本測試方法基于空間機械手末端位姿是各個關(guān)節(jié)運動學合成的原理。
[0024]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:該系統(tǒng)及測試步驟簡單、測試數(shù)據(jù)可靠、易于實現(xiàn)，已在空間機械手的驗收測試中得到應(yīng)用，取的了良好的效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是根據(jù)本發(fā)明的空間機械手安裝及測試結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是根據(jù)本發(fā)明的機械手的位姿精度測試系統(tǒng)流程框圖；
【具體實施方式】
[0027]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0028]在圖1中，機械手位姿精度測試系統(tǒng)，包括有氣浮平臺200、氣足201、托輪202、氣泵、機械手支撐架204、配平重物203、6D激光跟蹤儀、臂桿、第一關(guān)節(jié)205、第二關(guān)節(jié)206、第三關(guān)節(jié)207、第四關(guān)節(jié)208、第五關(guān)節(jié)209、第六關(guān)節(jié)210 ;氣足201是一個噴氣口，氣泵用于提供空氣動力；
[0029]氣浮平臺用于對來自氣足的高壓氣體施加反作用力，實現(xiàn)對氣足的支撐；在氣足的上部裝有托輪，可使第一關(guān)節(jié)相對氣足旋轉(zhuǎn)；
[0030]氣足的動力載荷能隨著承載機械臂的幾何狀態(tài)以及機械臂的不同伸展狀態(tài)發(fā)生變化；
[0031]機械手支撐架用于固定被測試機械手，提供與機械手的連接接口，以實現(xiàn)對機械手相應(yīng)部位的支撐，保證機械臂在平臺上運動；
[0032]第四關(guān)節(jié)與第五關(guān)節(jié)之間安裝有臂桿，配平重物用于平衡臂桿的偏置所產(chǎn)生的對第三關(guān)節(jié)的附加重力矩，使第三關(guān)節(jié)能夠順利實現(xiàn)驅(qū)動；
[0033]6D激光跟蹤儀用于實施位置檢測；氣泵用于提供空氣動力；
[0034]測試時，空間機械手的第一關(guān)節(jié)松開，解除空間機械手法蘭基座的約束，用氣足對第一關(guān)節(jié)進行支撐，讓第一關(guān)節(jié)205、第二關(guān)節(jié)206、第三關(guān)節(jié)207運動到指定的位置，測得第三關(guān)節(jié)207相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣；讓、第四關(guān)節(jié)208、第五關(guān)節(jié)209、第六關(guān)節(jié)210運動到指定的位置，測得機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)207的變換矩陣。
[0035]圖1是系統(tǒng)的空間機械手安裝及測試示意圖，圖中空間機械手在花崗巖氣浮平臺上被展開，第四關(guān)節(jié)208和第五關(guān)節(jié)209之間的臂桿被吊裝，空間機械手安裝法蘭被解除約束，第一關(guān)節(jié)由安裝有托輪的氣足支撐，通過配平重物，平衡該臂桿對第三關(guān)節(jié)207的附加力矩，在第一關(guān)節(jié)205的法蘭部位、第三關(guān)節(jié)207和第四關(guān)節(jié)208的連接部位以及機械手末端分別布置靶標1、靶標2和靶標3。
[0036]本發(fā)明第二個目的為提出一種機械手的位姿精度測試系統(tǒng)，結(jié)合圖2具體描述本發(fā)明的基機械手的位姿精度測試系統(tǒng)流程如下:
[0037]步驟S101，將第四關(guān)節(jié)208和第五關(guān)節(jié)209之間的臂桿固定，實現(xiàn)對空間機械手的吊裝。
[0038]步驟S102，解除空間機械手法蘭基座的約束，用氣足對第一關(guān)節(jié)205進行支撐，并利用托輪實現(xiàn)第一關(guān)節(jié)相對于氣足的旋轉(zhuǎn)。
[0039]步驟S103，讓第一關(guān)節(jié)205、第二關(guān)節(jié)206、第三關(guān)節(jié)207運動到指定的位置。
[0040]步驟S104，測得第三關(guān)節(jié)207相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣。
[0041]步驟S105，讓第四關(guān)節(jié)208、第五關(guān)節(jié)209、第六關(guān)節(jié)210運動到指定的位置。
[0042]步驟S106，測得機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)207的變換矩陣。
[0043]步驟S107，將兩個位姿矩陣合成，測得空間機械手的末端位姿。具體的說，假設(shè)平臺坐標系在測量儀器坐標系中的位置和姿態(tài)值是(x，y，z，α, β, y)q，本專利中所使用的位姿角度如沒有特殊說明均為RPY角，則Q坐標系到P坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣;; 由以下公式給出。
【權(quán)利要求】
1.機械手位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于， 包括有氣浮平臺、氣足、托輪、氣泵、機械手支撐架、配平重物、6D激光跟蹤儀、臂桿、第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)； 氣浮平臺用于對來自氣足的高壓氣體施加反作用力，實現(xiàn)對氣足的支撐；在氣足的上部裝有托輪，可使第一關(guān)節(jié)相對氣足旋轉(zhuǎn)； 氣足的動力載荷能隨著承載機械臂的幾何狀態(tài)以及機械臂的不同伸展狀態(tài)發(fā)生變化； 機械手支撐架用于固定被測試機械手，提供與機械手的連接接口，以實現(xiàn)對機械手相應(yīng)部位的支撐，保證機械臂在平臺上運動； 第四關(guān)節(jié)與第五關(guān)節(jié)之間安裝有臂桿，配平重物用于平衡臂桿的偏置所產(chǎn)生的對第三關(guān)節(jié)的附加重力矩，使第三關(guān)節(jié)能夠順利實現(xiàn)驅(qū)動； 6D激光跟蹤儀用于實施位置檢測；氣泵用于提供空氣動力； 測試時，空間機械手的第一關(guān)節(jié)松開，解除空間機械手法蘭基座的約束，用氣足對第一關(guān)節(jié)進行支撐，讓第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)運動到指定的位置，測得第三關(guān)節(jié)相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣；讓第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)運動到指定的位置，測得機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)的變換矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于:固定于第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)之間的臂桿采用吊裝的方式安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于:所述6D激光跟蹤儀由一個跟蹤頭、2個6D傳感器、控制器和連接整個系統(tǒng)的電纜組成的，能同時測量物體的X，Y，Z坐標值和三個姿態(tài)的轉(zhuǎn)角，其靜態(tài)與動態(tài)單點坐標測量精度分別達到5ppm和lOppm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于:所述氣浮平臺由多塊黑色花崗巖拼接組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)，其特征在于:在第一關(guān)節(jié)的法蘭部位、第三關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)的連接部位以及機械手末端分別布置靶標1、靶標2和靶標3。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)的測量方法，其特征在于:分別測得第三關(guān)節(jié)相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣和機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)的變換矩陣，將兩個位姿矩陣合成，測得空間機械手的末端位姿，與理論位姿相比較，即可得到空間機械手的末端位姿精度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)的測量方法，其特征在于具體包括如下步驟: (1)將第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)之間的臂桿固定，實現(xiàn)對空間機械手的吊裝； (2)解除空間機械手法蘭基座的約束，用氣足對第一關(guān)節(jié)進行支撐，并利用托輪實現(xiàn)第一關(guān)節(jié)相對于氣足的旋轉(zhuǎn)； (3)讓第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)運動到指定的位置； (4)測得第三關(guān)節(jié)相對于機械手安裝法蘭的變換矩陣； (5)讓第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)、第六關(guān)節(jié)運動到指定的位置； (6)測得機械手末端相對于第三關(guān)節(jié)的變換矩陣； (7)將兩個位姿矩陣合成，測得空間機械手的末端位姿；(8)與理論位姿相比較，即可得到空間機械手的末端位姿精度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)的測量方法，其特征在于:步驟7通過測量同一個點在不同坐標系下的坐標值計算出不同坐標系之間的坐標轉(zhuǎn)換矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)的測量方法，其特征在于:步驟7中對每一個測量點在步驟SlOl和步驟SlOl均進行多次測量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機械手位姿精度測試系統(tǒng)的測量方法，其特征在于:步驟8中包括絕對位姿精度 的計算和重復定位位姿精度的計算。
【文檔編號】G01B11/26GK104019743SQ201410250645
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】梁斌, 王學謙, 劉厚德, 劉宇, 張博 申請人:清華大學深圳研究生院