一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)及方法，本發(fā)明涉及三爪式空間機械臂末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下捕獲目標(biāo)接口的容差能力測試系統(tǒng)及方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有微重力平臺驗證系統(tǒng)較復(fù)雜，安全性和可靠性差，無法實現(xiàn)在微重力環(huán)境下機械臂或航天器在三維空間的六自由度運動。系統(tǒng)包括捕獲子系統(tǒng)、目標(biāo)子系統(tǒng)和測量子系統(tǒng)；一、完成捕獲容差能力測試系統(tǒng)的安裝；二、確定空間末端執(zhí)行器坐標(biāo)系的原點位置以及坐標(biāo)軸；三、確定出三爪式空間末端執(zhí)行器位姿；四、確定待捕獲目標(biāo)的位姿；五、得到待捕獲目標(biāo)相對空間末端執(zhí)行器的位姿偏差；六、不同位姿偏差下進行捕獲試驗。屬于空間機器人或航天器地面驗證系統(tǒng)領(lǐng)域。
【專利說明】一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空間機器人或航天器地面驗證系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種三爪式空間機械臂末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下捕獲目標(biāo)的容差能力測試系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]一般空間機械臂進行在軌服務(wù)時，要求保證其工作的可靠性和穩(wěn)定性。而末端執(zhí)行器作為捕獲或搬運工具，其可靠性會對整個系統(tǒng)任務(wù)完成的可靠性產(chǎn)生較大影響。由于空間微重力環(huán)境的影響，目標(biāo)處于微重力狀態(tài)，其位姿狀態(tài)會受到捕獲或操作的接觸力的影響而產(chǎn)生擾動，并且由于機械臂自身的定位精度和視覺伺服精度也存在一定的位姿偏差，因此空間末端執(zhí)行器捕獲目標(biāo)的操作便需要具備一定的包容目標(biāo)相對位姿偏差的能力，即捕獲容差能力?？紤]到發(fā)射成本昂貴且在太空中操作的風(fēng)險較大，空間末端執(zhí)行器的可靠性和捕獲容差能力在送入太空之前需要在地面上進行充分的驗證實驗。但由于地球重力的影響，空間末端執(zhí)行器不具備在空間機械臂上直接進行三維空間任意姿態(tài)操作的條件。為了模擬太空中的微重力的環(huán)境，再現(xiàn)空間末端執(zhí)行器的捕獲過程，因此需要設(shè)計一套地面捕獲容差能力驗證系統(tǒng)以便進行相關(guān)的捕獲容差測試實驗。
[0003]由于真實空間機器人本身結(jié)構(gòu)具有很大柔性，且受到地球重力的影響，因此不具備在地面上進行直接實驗或驗證的條件。面對這種情況，各國空間研究機構(gòu)開發(fā)了各種地面上微重力仿真實驗方法。美國Carnegie Mellon大學(xué)提出了采用懸吊配重的方法來抵消地球重力的影響，從而模擬太空微重力環(huán)境的方案。該方案已經(jīng)被接受，被應(yīng)用于CarnegieMellon大學(xué)的自主運動空間機器人SM2 (Self-Mobile Space Manipulator)的地面實驗平臺。這種方法具有一定的可行性，但是系統(tǒng)較復(fù)雜，安全性和可靠性差，且不具備通用性?；谶@一原理的還有日本H.Fujii的空間機械臂微重力仿真系統(tǒng)，以及我國航天科技集團502所研制的“艙外自由移動機器人系統(tǒng)”(EMR)等。美國和日本研究了基于自由落體或拋物線運動的實驗系統(tǒng)，但是其造價太高，且時間太短，雖有非常好的微重力效果，但不適合空間機器人的地面試驗。美國Maryland大學(xué)采用的水浮原理研制了 Ranger地面實驗系
統(tǒng)-NBRF(Neutral Buoyancy Research Facility)來進行 Ranger 空間機械臂的研究，
可實現(xiàn)空間機器人在三維空間里操作的物理仿真。但系統(tǒng)的維護費用高、實驗時需保證系統(tǒng)的100%密封性。綜合考慮到實驗平臺的開發(fā)成本和難度等因素，各國大多都采用氣浮平臺進行二維平面初步的仿真和驗證，比如美國Stanford大學(xué)的SRMS地面實驗平臺和加拿大的SSRMS機械臂地面實驗都采用了氣浮平臺來進行地面實驗。該方法重力補償比較徹底，建造周期短，費用低，易于實現(xiàn)。但是其缺點是通常只能進行平面二維實驗，無法實現(xiàn)在微重力環(huán)境下機械臂或航天器在三維空間的六自由度運動。
[0004]現(xiàn)存微重力三維實驗平臺的實現(xiàn)方法雖然很多，但是通常建立的系統(tǒng)復(fù)雜且造價昂貴，導(dǎo)致地面實驗的驗證的充分性受到一定的限制。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有其它微重力平臺驗證系統(tǒng)較復(fù)雜，安全性和可靠性差，且不具備通用性，現(xiàn)有微重力實驗方法只能進行平面二維實驗，無法實現(xiàn)在微重力環(huán)境下機械臂或航天器在三維空間的六自由度運動的問題，而提供了一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)及方法。
[0006]三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)包括捕獲子系統(tǒng)、目標(biāo)子系統(tǒng)和測量子系統(tǒng)；
[0007]所述捕獲子系統(tǒng)包括工業(yè)機器人A、六維力矩傳感器、手眼相機和三爪式空間末端執(zhí)行器；
[0008]其中，所述工業(yè)機器人A末端固定有六維力矩傳感器、手眼相機和三爪式空間末端執(zhí)行器，所述工業(yè)機器人A主要用于模擬在微重力環(huán)境下空間機器人在三維空間的六自由度運動；
[0009]所述目標(biāo)子系統(tǒng)包括六維力矩傳感器、工業(yè)機器人T和待捕獲目標(biāo)；
[0010]所述工業(yè)機器人T末端安裝有六維力矩傳感器和待捕獲目標(biāo)，所述工業(yè)機器人T主要用于模擬在微重力環(huán)境下空間待捕獲目標(biāo)在三維空間的自由漂浮運動；
[0011]所述捕獲子系統(tǒng)主要根據(jù)手眼相機測得的空間末端執(zhí)行器與待捕獲目標(biāo)之間的相對位姿關(guān)系，工業(yè)機器人A在手眼相機提供的相對位姿的引導(dǎo)下根據(jù)空間機器人的期望運動來接近待捕獲目標(biāo)，并進入捕獲區(qū)域，最后進行捕獲任務(wù)；
[0012]所述目標(biāo)子系統(tǒng)中的待捕獲目標(biāo)處于自由漂浮狀態(tài)，其初始狀態(tài)可以設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，在捕獲過程中，根據(jù)六維力矩傳感器測量的捕獲時的接觸力來進行相應(yīng)的運動來模擬空間自由漂浮運動；
[0013]所述測量子系統(tǒng)包括激光跟蹤儀和靶球；所述激光跟蹤儀通過靶球分別與三爪式空間末端執(zhí)行器和待捕獲目標(biāo)相連。
[0014]一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試方法按以下步驟實現(xiàn):
[0015]I)、完成實驗平臺搭建并合理安裝捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其中激光跟蹤儀固定放置，而三爪式空間末端執(zhí)行器、待捕獲目標(biāo)、六維力矩傳感器、手眼相機分別安裝在工業(yè)機器人A與工業(yè)機器人T末端上；
[0016]2)、將位置固定的激光跟蹤儀的坐標(biāo)作為全局坐標(biāo)系，并通過靶球掃描末端執(zhí)行器上加工精度高的幾何特征，確定三爪式空間末端執(zhí)行器坐標(biāo)系的原點位置以及坐標(biāo)軸；
[0017]3)、利用位姿測量的激光跟蹤儀發(fā)射激光到三爪式空間末端執(zhí)行器上共面而不共線的3個靶球上，并接受靶球反射回來的激光，從而確定出三爪式空間末端執(zhí)行器的位姿；
[0018]4)、通過靶球掃描待捕獲目標(biāo)上加工精度高的幾何特征，確定待捕獲目標(biāo)坐標(biāo)系的原點位置以及坐標(biāo)軸；
[0019]5)利用位姿測量的激光跟蹤儀發(fā)射激光到待捕獲目標(biāo)上共面而不共線的3個靶球上，并接受靶球反射回來的激光，從而確定出建立待捕獲目標(biāo)的坐標(biāo)系并確定待捕獲目標(biāo)的位姿；
[0020]6)、經(jīng)過激光跟蹤儀軟件對標(biāo)定得到的三爪式空間末端執(zhí)行器坐標(biāo)系和待捕獲目標(biāo)坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進行處理，得到待捕獲目標(biāo)相對三爪式空間末端執(zhí)行器的位姿偏差；[0021]7)、改變待捕獲目標(biāo)的位姿狀態(tài)，經(jīng)過激光跟蹤儀軟件對標(biāo)定得到的三爪式空間末端執(zhí)行器坐標(biāo)系和待捕獲目標(biāo)標(biāo)系數(shù)據(jù)進行處理，得到不同待捕獲目標(biāo)相對三爪式空間末端執(zhí)行器的位姿偏差，工業(yè)機器人A與工業(yè)機器人T在不同位姿偏差下進行捕獲試驗，從而對三爪式空間末端執(zhí)行器的容差能力進行驗證，即完成了一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試方法。
[0022]發(fā)明原理:
[0023]所述捕獲子系統(tǒng)進行捕獲任務(wù)具體為:
[0024]I)手眼相機3進行三爪式空間末端執(zhí)行器4與待捕獲目標(biāo)6之間的201相對位姿
測量；
[0025]2)根據(jù)實時測量的相對位姿關(guān)系來規(guī)劃在每個控制周期里三爪式空間末端執(zhí)行器4的202期望位置；
[0026]3)本系統(tǒng)中，以工業(yè)機器人Al來模擬在空間機器人在太空中的運動狀況，并根據(jù)空間機器人7和工業(yè)機器人Al末端的運動學(xué)等效關(guān)系來計算工業(yè)機器人Al的期望位置；
[0027]4)根據(jù)工業(yè)機器人Al的203逆運動學(xué)來得到每個控制周期里工業(yè)機器人Al的期望關(guān)節(jié)角；
[0028]5)根據(jù)得到的期望關(guān)節(jié)角來進行204工業(yè)機器人Al的關(guān)節(jié)規(guī)劃；
[0029]6)根據(jù)規(guī)劃的關(guān)節(jié)角，控制和驅(qū)動205工業(yè)機器人Al的關(guān)節(jié)伺服；
[0030]7)當(dāng)工業(yè)機器人Al到達(dá)期望的捕獲位置時，工業(yè)機器人Al停止運動，三爪式空間末端執(zhí)行器4上電，并開始捕獲運動；
[0031]8)在捕獲過程中，六維力矩傳感器2實時監(jiān)測接觸力的大小，超過一定閾值，則停止三爪式空間末端執(zhí)行器4的運動；
[0032]9)當(dāng)捕獲完成時，停止三爪式空間末端執(zhí)行器4的運動控制。
[0033]所述工業(yè)機器人T5主要用于模擬在微重力環(huán)境下空間待捕獲目標(biāo)6在三維空間的自由漂浮運動具體為:
[0034]I)設(shè)定待捕獲目標(biāo)6的初始狀態(tài)處于靜止?fàn)顟B(tài)；
[0035]2)六維力矩傳感器2實時采集接觸力信號，并進行206力矩傳感器的信號處理；
[0036]3)六維力矩傳感器2處理得到的力信號主要包括兩部分內(nèi)容:實際的接觸力和重量分量，因此在進行力控制之前需要將重力分量的影響從六維力矩傳感器2的讀數(shù)中除去，采用的方法是207實時重力補償算法；
[0037]4)在實時重力補償后，可以得到捕獲過程中的實時的接觸力信息，這些接觸力信息可以用來進行208柔順力控制；
[0038]5)根據(jù)柔順力控制可以得到工業(yè)機器人T5運動的位置信息，從而進行209工業(yè)機器人T5末端的路徑規(guī)劃；
[0039]6)根據(jù)工業(yè)機器人T5末端的運動規(guī)劃從而進一步進行210工業(yè)機器人T5的關(guān)節(jié)規(guī)劃，最后實現(xiàn)211工業(yè)機器人T5的關(guān)節(jié)伺服運動。
[0040]發(fā)明效果:
[0041]在對各種實驗方法進行研究分析之后，從系統(tǒng)的復(fù)雜性和開發(fā)成本考慮采用地面工業(yè)機器人作為執(zhí)行機構(gòu)來建立三爪式空間末端執(zhí)行器的地面三維驗證實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對該末端執(zhí)行器在三維空間操作的可靠性以及容差能力進行充分驗證，保證該執(zhí)行器操作功能的實現(xiàn)對空間站機械臂任務(wù)完成的可靠性的驗證具有重大意義。
[0042]1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且易于實現(xiàn)，系統(tǒng)安全性高，可靠性好，具備通用性；
[0043]2、系統(tǒng)采用現(xiàn)成的工業(yè)產(chǎn)品，成本較低；
[0044]3、系統(tǒng)可以模擬在空間微重力環(huán)境下的三爪式空間機械臂末端執(zhí)行器的捕獲狀況；
[0045]4、系統(tǒng)可以測試在三維空間里三爪式空間末端執(zhí)行器的捕獲容差能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1是【具體實施方式】一中地面驗證系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖；
[0047]圖2是三爪式空間末端執(zhí)行器及捕獲目標(biāo)接口的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0048]圖3是捕獲前激光跟蹤儀需要測量的位姿關(guān)系示意圖；
[0049]圖4是地面驗證系統(tǒng)控制系統(tǒng)流程框圖；其中，I表示工業(yè)機器人A，2表示六維力矩傳感器，3表示手眼相機，4表示三爪式空間機械臂末端執(zhí)行器，5表示工業(yè)機器人T，6表示待捕獲目標(biāo)，7表示空間機器人；
[0050]圖5是單個工業(yè)機器人的控制結(jié)構(gòu)簡圖；
[0051]圖6是【具體實施方式】七的一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試方法流程圖；
[0052]圖7是【具體實施方式】九在研究重力補償算法時求取重力坐標(biāo)變換關(guān)系示意圖；
[0053]圖8是【具體實施方式】九在研究重力補償算法時求取力矩所需力作用示意圖；
[0054]圖9是【具體實施方式】十在微重力環(huán)境模擬時的控制算法框圖。
【具體實施方式】
[0055]【具體實施方式】一:本實施方式的三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)包括捕獲子系統(tǒng)、目標(biāo)子系統(tǒng)和測量子系統(tǒng)；
[0056]所述捕獲子系統(tǒng)包括工業(yè)機器人Al、六維力矩傳感器2、手眼相機3和三爪式空間末端執(zhí)行器4 ；
[0057]其中，所述工業(yè)機器人Al末端固定有六維力矩傳感器2、手眼相機3和三爪式空間末端執(zhí)行器4，所述工業(yè)機器人Al主要用于模擬在微重力環(huán)境下空間機器人7在三維空間的六自由度運動；
[0058]所述目標(biāo)子系統(tǒng)包括六維力矩傳感器2、工業(yè)機器人T5和待捕獲目標(biāo)6 ；
[0059]所述工業(yè)機器人T5末端安裝有六維力矩傳感器2和待捕獲目標(biāo)6，所述工業(yè)機器人T5主要用于模擬在微重力環(huán)境下空間待捕獲目標(biāo)6在三維空間的自由漂浮運動；
[0060]所述捕獲子系統(tǒng)主要根據(jù)手眼相機3測得的空間末端執(zhí)行器4與待捕獲目標(biāo)6之間的相對位姿關(guān)系，工業(yè)機器人Al在手眼相機3提供的相對位姿的引導(dǎo)下根據(jù)空間機器人7的期望運動來接近待捕獲目標(biāo)6，并進入捕獲區(qū)域，最后進行捕獲任務(wù)；
[0061]所述目標(biāo)子系統(tǒng)中的待捕獲目標(biāo)6處于自由漂浮狀態(tài)，其初始狀態(tài)可以設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，在捕獲過程中，根據(jù)六維力矩傳感器2測量的接觸力來進行相應(yīng)的運動來模擬空間自由漂浮運動；
[0062]所述測量子系統(tǒng)包括激光跟蹤儀8和靶球9 ;所述激光跟蹤儀8通過靶球9分別與三爪式空間末端執(zhí)行器4和待捕獲目標(biāo)6相連。
[0063]本實施方式的捕獲容差能力測試系統(tǒng)即地面驗證系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示；
[0064]在三爪式空間末端執(zhí)行器4進行實際捕獲前，應(yīng)該對其容差進行測量，其坐標(biāo)關(guān)系如圖3所示，即對Oa坐標(biāo)系和Ot坐標(biāo)系在抓捕前的位置和姿態(tài)偏差進行測量，應(yīng)被測量的物理量有坐標(biāo)系原點間的距離IpatI以及坐標(biāo)軸之間的偏差角。
[0065]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述三爪式空間末端執(zhí)行器4主要由三個沿圓周均布安裝的捕獲手爪以及拖動機構(gòu)組成，其捕獲的目標(biāo)接口是具有三個均布楔形槽的機械接口。
[0066]所述三爪式空間末端執(zhí)行器4主要由三個沿圓周均布安裝的捕獲手爪以及拖動機構(gòu)組成，其捕獲的目標(biāo)接口是具有三個均布楔形槽的機械接口，對其它包絡(luò)形式的末端執(zhí)行器的捕獲容差也可以進行測試。
[0067]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
[0068]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一或二不同的是:所述手眼相機3主要用于提供三爪式空間末端執(zhí)行器4和待捕獲目標(biāo)6之間的相對位姿關(guān)系。
[0069]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。
[0070]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一至三之一不同的是:所述六維力矩傳感器2是用于實時測量三爪式空間末端執(zhí)行器4捕獲目標(biāo)時的接觸力狀況，用于空間微重力環(huán)境模擬的控制。
[0071 ] 其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一至三之一相同。
[0072]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一至四之一不同的是:所述三爪式空間末端執(zhí)行器4是進行捕獲容差能力測試的工具，其具有兩個自由度，捕獲階段涉及到鎖緊、拖拽及固連三個過程。
[0073]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一至四之一相同。
[0074]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:捕獲目標(biāo)6是用于三爪式空間末端執(zhí)行器4捕獲的對象，其在空間中是處于自由漂浮狀態(tài)，在捕獲過程中會受到接觸力影響而產(chǎn)生相應(yīng)的運動。
[0075]本實施方式的地面驗證系統(tǒng)控制系統(tǒng)流程框圖即捕獲子系統(tǒng)進行捕獲任務(wù)如圖3所示。
[0076]【具體實施方式】七:本實施方式的一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試方法按以下步驟實現(xiàn):
[0077]I)、完成實驗平臺搭建并合理安裝捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其中激光跟蹤儀固定放置，而三爪式空間末端執(zhí)行器4、待捕獲目標(biāo)6、六維力矩傳感器2、手眼相機3分別安裝在工業(yè)機器人Al與工業(yè)機器人T5末端上；
[0078]2)、將位置固定的激光跟蹤儀的坐標(biāo)作為全局坐標(biāo)系，并通過靶球掃描末端執(zhí)行器上加工精度高的幾何特征，確定三爪式空間末端執(zhí)行器4坐標(biāo)系的原點位置以及坐標(biāo)軸；
[0079]3)、利用位姿測量的激光跟蹤儀發(fā)射激光到三爪式空間末端執(zhí)行器4上共面而不共線的3個靶球上，并接受靶球反射回來的激光，從而確定出三爪式空間末端執(zhí)行器4的位姿；[0080]4)、通過靶球掃描待捕獲目標(biāo)6上加工精度高的幾何特征，確定待捕獲目標(biāo)6坐標(biāo)系的原點位置以及坐標(biāo)軸；
[0081]5)利用位姿測量的激光跟蹤儀發(fā)射激光到待捕獲目標(biāo)6上共面而不共線的3個靶球上，并接受靶球反射回來的激光，從而確定出建立待捕獲目標(biāo)6的坐標(biāo)系并確定待捕獲目標(biāo)6的位姿；
[0082]6)、經(jīng)過激光跟蹤儀軟件對標(biāo)定得到的三爪式空間末端執(zhí)行器4坐標(biāo)系和待捕獲目標(biāo)6坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進行處理，得到待捕獲目標(biāo)相對三爪式空間末端執(zhí)行器4的位姿偏差；
[0083]7)、改變待捕獲目標(biāo)6的位姿狀態(tài)，經(jīng)過激光跟蹤儀軟件對標(biāo)定得到的三爪式空間末端執(zhí)行器4坐標(biāo)系和待捕獲目標(biāo)6坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進行處理，得到不同待捕獲目標(biāo)6相對三爪式空間末端執(zhí)行器4的位姿偏差，工業(yè)機器人Al與工業(yè)機器人T5在不同位姿偏差下進行捕獲試驗，從而對三爪式空間末端執(zhí)行器4的容差能力進行驗證，即完成了一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試方法。
[0084]如圖8所示，
[0085]本實施方式中，激光跟蹤儀購買自美國自動精密工程公司(API公司)，型號為APITrackerf型激光跟蹤儀；
[0086]靶球掃描末端執(zhí)行器購買自API公司，型號為API Trackerf型激光跟蹤儀配套的
女口
廣叩ο
[0087]由于對于位置控制，每次運動一個微位移或姿態(tài)，故而應(yīng)對每次的微位移或姿態(tài)進行計算，采用基于彈簧阻尼模型的柔順力控制方法。
[0088]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】七不同的是:所述步驟6中工業(yè)機器人Al與工業(yè)機器人T5在不同位姿偏差下進行捕獲試驗具體控制過程如下:
[0089]I)工業(yè)機器人Al或工業(yè)機器人T5末端和三爪式空間末端執(zhí)行器4或待捕獲目標(biāo)6之間的六維力矩傳感器2檢測到外部接觸力信息；
[0090]2)通過實時重力補償算法消除三爪式空間末端執(zhí)行器4或待捕獲目標(biāo)6的重力對接觸力的影響；
[0091]3)通過校準(zhǔn)后的接觸力信息通過微重力模擬算法來實現(xiàn)工業(yè)機器人末端的柔順力控制；
[0092]4)根據(jù)工業(yè)機器人的逆運動學(xué)來計算得到工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)運動規(guī)劃；
[0093]5)控制工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)伺服運動。
[0094]其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】七相同。
[0095]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】七或八不同的是:所述步驟2)中通過實時重力補償算法消除三爪式空間末端執(zhí)行器4重力對接觸力的影響具體為:
[0096]重力坐標(biāo)系，設(shè)為0G:
[0097]工業(yè)機器人A5或工業(yè)機器人Tl末端坐標(biāo)系，設(shè)為Oe ；
[0098]六維力矩傳感器(2)坐標(biāo)系，設(shè)為Of ；
[0099]基坐標(biāo)系，設(shè)為0B;
[0100]則在計算中所用到的關(guān)系矩陣可表示為:
[0101]Ob到Og的姿態(tài)矩陣，設(shè)為；
[0102]Oe到Ob的姿態(tài)矩陣，設(shè)為^ ;[0103]Of到Oe的姿態(tài)矩陣，設(shè)為4:
[0104]假設(shè)重力的坐標(biāo)表示為:
[0105]重力在Og下的坐標(biāo)G ;
[0106]重力在Of下的坐標(biāo)分量值Gf ；
[0107]因此得到:
[0108]
【權(quán)利要求】
1.一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其特征在于三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)包括捕獲子系統(tǒng)、目標(biāo)子系統(tǒng)和測量子系統(tǒng)； 所述捕獲子系統(tǒng)包括工業(yè)機器人A(1)、六維力矩傳感器(2)、手眼相機(3)和三爪式空間末端執(zhí)行器(4)； 其中，所述工業(yè)機器人A(1)末端固定有六維力矩傳感器(2)、手眼相機(3)和三爪式空間末端執(zhí)行器(4)，所述工業(yè)機器人A (1)主要用于模擬在微重力環(huán)境下空間機器人(7)在三維空間的六自由度運動； 所述目標(biāo)子系統(tǒng)包括六維力矩傳感器(2)、工業(yè)機器人T(5)和待捕獲目標(biāo)(6)； 所述工業(yè)機器人T (5)末端安裝有六維力矩傳感器(2)和待捕獲目標(biāo)(6)，所述工業(yè)機器人T(5)主要用于模擬在微重力環(huán)境下空間待捕獲目標(biāo)(6)在三維空間的自由漂浮運動； 所述捕獲子系統(tǒng)主要根據(jù)手眼相機⑶測得的空間末端執(zhí)行器⑷與待捕獲目標(biāo)(6)之間的相對位姿關(guān)系，工業(yè)機器人A(1)根據(jù)空間機器人(7)的期望運動來接近待捕獲目標(biāo)(6)，并進入捕獲區(qū)域，最后進行捕獲任務(wù)； 所述目標(biāo)子系統(tǒng)中的待捕獲目標(biāo)(6)處于自由漂浮狀態(tài)，其初始狀態(tài)可以設(shè)置為靜止?fàn)顟B(tài)，在捕獲過程中，根據(jù)六維力矩傳感器(2)測量的接觸力來進行相應(yīng)的運動來模擬空間自由漂浮運動； 所述測量子系統(tǒng)包括激光跟蹤儀(8)和靶球(9);所述激光跟蹤儀(8)通過靶球(9)分別與三爪式空間末端執(zhí)行器⑷和待捕獲目標(biāo)(6)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其特征在于所述三爪式空間末端執(zhí)行器(4)主要由三個沿圓周均布安裝的捕獲手爪以及拖動機構(gòu)組成，其捕獲的目標(biāo)接口是具有三個均布楔形槽的機械接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其特征在于所述手眼相機(3)主要用于提供三爪式空間末端執(zhí)行器(4)和待捕獲目標(biāo)(6)之間的相對位姿關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其特征在于所述六維力矩傳感器(2)是用于實時測量三爪式空間末端執(zhí)行器(4)待捕獲目標(biāo)(6)時的接觸力狀況，用于空間微重力環(huán)境模擬的控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其特征在于所述三爪式空間末端執(zhí)行器(4)是進行捕獲容差能力測試的被測試對象，其具有兩個自由度，捕獲階段涉及到鎖緊、拖拽及固連三個過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其特征在于待捕獲目標(biāo)(6)是三爪式空間末端執(zhí)行器(4)捕獲的對象，其在空間中是處于自由漂浮狀態(tài)，在捕獲過程中會受到接觸力影響而產(chǎn)生相應(yīng)的運動。
7.利用如權(quán)利要求1所述的捕獲容差能力測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試方法按以下步驟實現(xiàn): 1)、完成實驗平臺搭建并合理安裝捕獲容差能力測試系統(tǒng)，其中激光跟蹤儀固定放置，而三爪式空間末端執(zhí)行器(4)、手眼相機(3)、六維力矩傳感器(2)與待捕獲目標(biāo)(6)分別安裝在工業(yè)機器人A (I)與工業(yè)機器人T (5)末端上； 2)、將位置固定的激光跟蹤儀的坐標(biāo)作為全局坐標(biāo)系，并通過靶球掃描末端執(zhí)行器上加工精度高的幾何特征，確定三爪式空間末端執(zhí)行器(4)坐標(biāo)系的原點位置以及坐標(biāo)軸； 3)、利用位姿測量的激光跟蹤儀發(fā)射激光到三爪式空間末端執(zhí)行器(4)上共面而不共線的3個靶球上，并接受靶球反射回來的激光，從而確定出三爪式空間末端執(zhí)行器(4)的位姿； 4)、通過靶球掃描待捕獲目標(biāo)(6)上加工精度高的幾何特征，確定待捕獲目標(biāo)(6)坐標(biāo)系的原點位置以及坐標(biāo)軸； 5)利用位姿測量的激光跟蹤儀發(fā)射激光到待捕獲目標(biāo)(6)上共面而不共線的3個靶球上，并接受靶球反射回來的激光，從而確定出建立待捕獲目標(biāo)(6)的位姿； 6)、經(jīng)過激光跟蹤儀軟件對標(biāo)定得到的三爪式空間末端執(zhí)行器(4)坐標(biāo)系和待捕獲目標(biāo)(6)坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進行處理，得到待捕獲目標(biāo)相對三爪式空間末端執(zhí)行器(4)的位姿偏差; 7)、改變待捕獲目標(biāo)(6)的位姿狀態(tài)，經(jīng)過激光跟蹤儀軟件對標(biāo)定得到的三爪式空間末端執(zhí)行器(4)坐標(biāo)系和待捕獲目標(biāo)(6)坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進行處理，得到待捕獲目標(biāo)(6)相對三爪式空間末端執(zhí)行器(4)的不同位姿偏差，工業(yè)機器人A(I)與工業(yè)機器人T(5)在不同位姿偏差下進行捕獲試驗，從而對三爪式空間末端執(zhí)行器(4)的容差能力進行驗證，即完成了一種三爪式空間末端執(zhí)行器在微重力環(huán)境下的捕獲容差能力測試方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的捕獲容差能力測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于所述步驟7)中工業(yè)機器人A(I)與工業(yè)機器人Τ(5)在不同位姿偏差下進行捕獲試驗具體控制過程如下: 1)工業(yè)機器人A(I)或工業(yè)機器人Τ(5)末端和三爪式空間末端執(zhí)行器(4)之間的六維力矩傳感器(2)檢測到外部接觸力信息； 2)通過實時重力補償算法消除三爪式空間末端執(zhí)行器(4)重力對接觸力的影響； 3)通過校準(zhǔn)后的接觸力信息通過微重力模擬算法來實現(xiàn)工業(yè)機器人末端的柔順力控制； 4)根據(jù)工業(yè)機器人的逆運動學(xué)來計算得到工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)運動規(guī)劃； 5)控制工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)伺服運動。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的捕獲容差能力測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于所述步驟2)中通過實時重力補償算法消除三爪式空間末端執(zhí)行器(4)重力對接觸力的影響具體為: 重力坐標(biāo)系，設(shè)為Oc: 工業(yè)機器人Α(5)或工業(yè)機器人T(I)末端坐標(biāo)系，設(shè)為0Ε; 六維力矩傳感器(2)坐標(biāo)系，設(shè)為Of ； 基坐標(biāo)系，設(shè)為Ob ； 則在計算中所用到的關(guān)系矩陣可表示為: (^到仏的姿態(tài)矩陣’設(shè)為尺^ Oe到Ob的姿態(tài)矩陣，設(shè)為 Of到Oe的姿態(tài)矩陣，設(shè)為假設(shè)重力的坐標(biāo)表示為: 重力在Oe下的坐標(biāo)G ; 重力在Of下的坐標(biāo)分量值Gf ； 因此得到:
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的捕獲容差能力測試系統(tǒng)的測試方法，其特征在于所述步驟3)中通過校準(zhǔn)后的接觸力信息通過微重力模擬算法來實現(xiàn)工業(yè)機器人末端的柔順力控制具體為: 采用基于彈簧一阻尼的柔順力控制方案對每次的微位移或姿態(tài)進行計算: 首先，根據(jù)六維力矩傳感器⑵得到的六維力和力矩信號Ws，經(jīng)過步驟(一)重力補償后，變?yōu)橄鄬τ跈C器人末端的力矩傳感器(2)坐標(biāo)系的實際測量的外力和外力矩信號Wd ;Wd = Ws-Wgs (6) 其次，在同一坐標(biāo)系中，與期望給定的力和力矩信號W。比較后，得到力和力矩的偏差信號Λ W:
Aff= [ Δ F Δ Τ]τ = Wd-W0 (7)式中，Λ F代表接觸力的變化量，Δ T代表接觸力矩的變化量； 最后，經(jīng)過基于彈簧一阻尼模型的柔順力控制變換計算得到工業(yè)機器人的位置增量Λ P和姿態(tài)增量Af，即:
【文檔編號】G05B23/02GK103955207SQ201410168290
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】楊海濤, 謝宗武, 趙曉宇, 張禹, 金明河, 劉宏 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)