一種模擬空間機械臂捕獲目標衛星的地面三維空間微重力的裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發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械臂捕 獲目標衛星的地面三維空間微重力的裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 由于空間機械臂在太空接近和捕獲目標衛星操作時，其衛星基座通常是不受控 的，處于自由漂浮狀態。在太空中，空間機器人系統處于微重力環境，通常不考慮地球重力 對其影響，因此，空間機器人系統滿足動量守恒定律。當空間機械臂運動時，其漂浮衛星基 座通常會產生相應的擾動。目前，空間機械臂的測試通常是在二維的氣浮平臺上進行的，其 通常不考慮漂浮衛星基座的運動，只是空間機械臂在二維平面空間的運動和操作，其與空 間機器人在太空中真實的三維空間運動和操作有著很大的不同，空間機器人在太空中幾乎 不重地球重力影響，因此，它的設計通常臂桿較長，具有較大的柔性，在地面上重力環境下 無法直接進行三維空間的操作，因此，需要開發一套地面三維空間微重力模擬與驗證系統 來再現和驗證空間機器人在真實的三維空間中捕獲和維修目標衛星的操作，并對相關的控 制算法和硬件進行測試。
【發明內容】
[0003] 本發明是為了解決現有的技術沒有考慮空間機械臂在三維空間運動和操作過程 中漂浮衛星基座的運動的問題，而提供一種模擬空間機械臂捕獲目標衛星的地面三維空間 微重力的裝置與方法。
[0004] 本發明采取以下技術方案：
[0005] -種模擬空間機械臂捕獲目標衛星的地面三維空間微重力的裝置具體包括工業 機械臂A、工業機械臂T;空間機械臂，手眼相機，捕獲手爪，捕獲接口，服務衛星本體模擬器， 目標衛星本體模擬器以及六維力/力矩傳感器組成；
[0006] 所述的工業機械臂A末端與服務衛星本體模擬器相連，服務衛星本體模擬器通過 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械臂；空 間機械臂通過螺栓與手眼相機相連接，手眼相機通過螺栓連接捕獲手爪；
[0007] 所述的工業機械臂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衛星本體模擬器；目標衛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] 一種模擬空間機械臂捕獲目標衛星的地面三維空間微重力的實現方法具體包括 以下步驟：
[0010] 步驟一、模擬目標衛星的運動；利用運動學等效算法將目標衛星本體模擬器通過 工業機械臂T模擬實際目標衛星運動狀態；
[0011] 步驟二、通過手眼相機采集步驟一中目標衛星本體模擬器相對運動信息的視覺圖 像，根據視覺圖像確定目標衛星本體模擬器的相對于手眼相機的位置與衛星本體模擬器的 姿態；
[0012] 步驟三、將步驟二確定的相對位置和姿態傳遞給空間機械臂控制器，空間機械臂 控制器通過相對位置和姿態信息確定空間機械臂末端運動信息;根據空間機械臂末端運動 信息，確定空間機械臂各關節的運動信息;其中，空間機械臂各關節的運動信息包括空間機 械臂的關節角加速度I和空間機械臂的關節角速度下角標m為空間機械臂；其中，空間 機械臂末端具體為空間機械臂與手眼相機的連接處；
[0013] 步驟四、根據空間機械臂各關節的運動信息計算服務衛星本體模擬器基座的運動 信息；
[0014] 步驟五、根據服務衛星本體模擬器基座的運動信息，通過運動學等效算法計算工 業機械臂A的末端運動信息;其中，工業機械臂A的末端為工業機械臂A與服務衛星本體模擬 器的連接處；
[0015] 步驟六、根據視覺圖像確定目標衛星本體模擬器的相對于手眼相機的位置的姿態 判斷接捕獲接口是否在捕獲手爪所在的捕獲區域內；若在捕獲手爪所在的捕獲區域內則進 行步驟八;若不在，則重復步驟一至五;直至捕獲接口在捕獲手爪所在的捕獲區域內為止；
[0016] 步驟七、利用空間機械臂的控制器控制捕獲手爪捕獲目標衛星本體模擬器；
[0017] 步驟八、當捕獲手爪捕獲目標衛星本體模擬器后，目標衛星本體模擬器根據所受 的接觸力通過動力學算法來估計目標衛星本體模擬器運動狀態；
[0018] 步驟九、根據步驟八估計的目標衛星本體模擬器運動狀態，通過運動學等效的方 法，模擬工業機械臂T受力后的實際目標衛星的運動狀態；
[0019] 步驟十、根據力矩傳感器測量的捕獲手爪與目標衛星本體模擬器之間接觸對基座 產生的外力和外力矩通過空間機械臂的動力學算法，計算出服務衛星本體模擬器的運動狀 態，通過運動學等效算法利用工業機械臂A的運動實現服務衛星本體模擬器的運動狀態。
[0020] 本發明有益效果：
[0021] 本發明涉及一種空間一種模擬空間機械臂捕獲目標衛星的地面三維空間微重力 的裝置與方法，屬于空間機械臂技術領域。
[0022] 在地面上三維空間微重力模擬與驗證方法，用于進行空間機器人捕獲運動目標衛 星的三維空間模擬和再現的實驗與測試。
[0023] 1、本發明可以真實再現在三維空間里空間機器人捕獲運動目標衛星的整個過程；
[0024] 2、本發明可以模擬目標衛星的自旋或翻滾運動；
[0025] 3、本發明可以模擬空間機器人運動過程中的漂浮衛星基座的擾動情況；
[0026] 4、本發明可以驗證空間機器人的相關運動控制和算法的可靠性；
[0027] 5、本發明可以驗證空間機器人部分真實硬件的特性；
[0028] 6、本發明該系統可以用于空間機械臂對運動目標捕獲的接觸或在軌更換0RU操作 的任務驗證如圖7(a)~圖11(f)。
【附圖說明】
[0029]圖1為【具體實施方式】三提出的工業機器人末端的空間機械臂對六維力或力矩傳感 器的重力補償原理示意圖即；其中，
[0030] 圖2為【具體實施方式】一提出的基于硬件在環的空間機器人地面三維微重力驗證系 統的硬件結構框圖；其中，2是空間機械臂，3是手眼相機，4是捕獲手爪，6是捕獲接口，7是服 務衛星本體模擬器，8是目標衛星本體模擬器，9是工業機器人A，10是工業機器人T，11是六 維力/力矩傳感器；
[0031] 圖3為【具體實施方式】一提出的基于硬件在環的空間機器人地面三維微重力驗證系 統的軟件結構框圖；其中，12是視覺處理計算機，13是空間機械臂控制器，16工業機器人A控 制器，17工業機器人A關節控制器，22工業機器人T控制器，23工業機器人T關節控制器 [0032]圖4為【具體實施方式】一提出的基于硬件在環的空間機器人捕獲目標衛星的地面三 維微重力驗證系統實現原理框圖；
[0033]圖5為【具體實施方式】三提出的目標衛星在空間微重力環境下的運動模擬和再現的 實現框圖；
[0034] 圖6為【具體實施方式】二提出的空間機器人在空間微重力環境下的運動模型再現的 實現框圖；
[0035] 圖7(a)為【具體實施方式】一提出的目標衛星本體模擬器相對于手眼相機在X方向的 位置隨時間變化的曲線，其中，橫軸為時間縱軸為目標衛星本體模擬器相對于手眼相機在X 方向的位置
[0036] 圖7(b)為【具體實施方式】一提出的目標衛星本體模擬器相對于手眼相機在y方向的 位置隨時間變化的曲線，其中，橫軸為時間縱軸為目標衛星本體模擬器相對于手眼相機在y 方向的位置
[0037] 圖7(c)為【具體實施方式】一提出的目標衛星本體模擬器相對于手眼相機在z方向的 位置隨時間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時間縱軸為目標衛星本體模擬器相對于手 眼相機在z方向的位置
[0038] 圖7(d)為【具體實施方式】一提出的目標衛星本體模擬器相對于手眼相機繞z軸的姿 態隨時間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時間縱軸為目標衛星本體模擬器相對于手眼 相機繞z軸的姿態
[0039] 圖7(e)為【具體實施方式】一提出的目標衛星本體模擬器相對于手眼相機繞y軸的姿 態隨時間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時間縱軸為目標衛星本體模擬器相對于手眼 相機繞y軸的姿態
[0040] 圖7(f)為【具體實施方式】一提出的目標衛星本體模擬器相對于手眼相機繞X軸的姿 態隨時間變化的曲線此圖名稱，其中，橫軸為時間縱軸為目標衛星本體模擬器相對于手眼 相機繞X軸的姿態
[0041] 圖8(a)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂末端在其慣性坐標系下的X方向變化 曲線圖；
[0042] 圖8(b)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂末端在其慣性坐標系下的y方向變化 曲線圖；
[0043] 圖8(c)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂末端在其慣性坐標系下的z方向變化 曲線圖；
[0044] 圖9(a)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂末端在其慣性坐標系下的繞X軸姿態 角變化曲線圖；
[0045] 圖9(b)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂末端在其慣性坐標系下的繞y軸姿態 角變化曲線圖；
[0046] 圖9(c)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂末端在其慣性坐標系下的繞y軸姿態 角變化曲線圖；
[0047] 圖10(a)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂第一關節的期望關節角和實際關節 角的變化曲線；
[0048] 圖10(b)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂第二關節的期望關節角和實際關節 角的變化曲線；
[0049] 圖10(c)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂第三關節的期望關節角和實際關節 角的變化曲線；
[0050] 圖10(d)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂第四關節的期望關節角和實際關節 角的變化曲線；
[0051]圖10(e)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂第五關節的期望關節角和實際關節 角的變化曲線；
[0052]圖10(f)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂第六關節的期望關節角和實際關節 角的變化曲線；
[0053]圖11(a)為【具體實施方式】一提出的空間機械臂的服務衛星模擬器