一種基于微重力模擬系統的空間機械臂碰撞算法驗證技術的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于微重力模擬系統的空間機械臂碰撞算法驗證技術，其中所以依賴的微重力模擬系統包括硬件部分：氣浮平臺、機械臂系統、目標星系統、工控機；以及軟件部分：機械臂控制軟件及數據采集分析軟件，機械臂系統及目標星系統底部分別裝有氣足，通氣后在氣浮平臺上能夠模擬太空的自由漂浮狀態；由機械臂控制軟件控制機械臂與目標星系統進行碰撞，由傳感器采集碰撞前后的各項物理數據并與理論碰撞算法得到的結果進行對比分析，以驗證空間碰撞算法的有效性、正確性。
【專利說明】-種基于微重力模擬系統的空間機械臂碰撞算法驗證技術
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于微重力模擬系統的空間機械臂碰撞算法驗證技術，屬于空間 在軌裝配【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 根據我國載人航天發展規劃，2020年左右將逐次發射多個艙體，并通過在軌組裝 構建空間站。空間機械臂在軌裝配技術是艙體組裝的關鍵技術，對空間站構建具有重要意 義。而裝配過程中機械臂與被裝配物不可避免的會發生碰撞，由于目前缺乏該方面的系統 研究及驗證，使得空間機械臂的應用受到極大限制。因此在地面搭建微重力模擬平臺，并基 于此對空間機械臂的在軌裝配技術的驗證具有極其重要的指導意義。
[0003] 微重力模擬技術為一項較為成熟的技術。本發明采用氣浮平臺模擬微重力環境， 該氣浮平臺由氣浮軸承和鋼化玻璃組成，依靠壓縮空氣在氣浮軸承與鋼化玻璃之間形成氣 膜，從而將機械臂與目標星巧起，使它們具有平面二維的平移和一維的轉動，可W在一定程 度上模擬太空中的漂浮環境。
[0004] 在模擬太空對接碰撞過程中，碰撞發生后需要測得目標衛星的質也速度及角速 度，由于目標星系統不可與外界接觸，因此W往的接觸式測量裝置和方法不適用于目標星 系統的位姿測量，需要考慮新的測量方法。
[0005] 此外，由于涉及多傳感器的聯合采集，W往的W采集軟件控制單個傳感器采集的 方式已經不能滿足實驗的要求。
【發明內容】
[0006] 為解決空間機械臂與被裝配物接觸時碰撞算法的驗證問題，本發明提供了一種基 于微重力模擬系統的空間機械臂碰撞算法驗證技術。依賴能夠在一定程度上模擬太空自由 漂浮環境的微重力模擬系統，W實現機械臂與目標星的碰撞實驗。
[0007] 為實現目標星系統完全的自由漂浮狀態，本發明在目標星系統上安裝了獨立的供 氣系統、供電系統、無接觸式位移采集傳感器一激光測距儀、無線路由器，從而實現了目 標性系統與外界環境無接觸。
[0008] 本發明采用兩個激光測距儀和一個巧螺儀，經過一系列矩陣運算，巧妙得到了目 標星系統質也線速度及角速度的實際數據。
[0009] 另外本發明還實現了軟件間通信，實現了傳感器的同步采集，使得采集結果更加 準確、可靠。
[0010] 現有空間機械臂碰撞算法一般都只進行了數值仿真驗證，并未設計實驗進行機械 臂與被裝配物的實際碰撞數據分析及驗證。本發明基于微重力模擬系統，可W在地面上實 現空間機械臂與目標星的碰撞實驗，得到實際的碰撞數據，并依據此數據與碰撞算法結果 對比分析，W驗證碰撞算法的正確性。
[0011] 本發明解決問題所采用的技術如下：
[0012] 空間機械臂碰撞算法驗證技術依賴于微重力模擬系統，本發明所用微重力模擬系 統包括：氣浮平臺，機械臂系統，目標星系統和工控機。機械臂系統與目標星系統通過氣足 架在氣浮平臺上，通氣后氣足和氣浮平臺臺面之間形成氣膜，在氣膜的支撐下機械臂系統 和目標星系統可W浮在平臺上，并具有平面的平移和平面內轉動，共計H個自由度。
[0013] 碰撞發生的過程中，安裝在機械臂末端的六維力傳感器記錄碰撞的力和力矩，力口 速度傳感器記錄機械臂末端的加速度信息，安裝在目標星上的激光測距儀記錄目標星在平 面上的水平位移，巧螺儀記錄目標星在平面上的轉動角度及角速度。采用兩個激光測距儀 與一個巧螺儀，不僅可W避免與外界的接觸，而且可W利用目標星系統在平面上的（x，y) 坐標W及沿垂直于臺面軸的轉角，求解出目標星的質也線速度及角速度。求解過程如下所 示：
[0014] ①如附圖4所示為氣浮平臺與目標星位置關系，其中灰色部分表示目標星，測量 點處安裝有激光測距儀和巧螺儀，其中為建立在氣浮平臺上的全局坐標系，Z軸垂直于 xy平面向里，a點處的坐標系I：。建立在目標星上，初始狀態下a點在全局坐標系下的坐標 為（a" a" 0)。
[0015] ②碰撞發生后，測量點a運動到a'處，原坐標系2。跟隨a點移動后，命名為坐標 系2。，，由傳感器數據可W得到a'在坐標系的表示為（a' y，a' y，0)，計算可得a'點 在坐標系2。下的坐標：
[0016] (a' X，a' Y，0) = (a' x-a" a' y-a" 0)
[0017] ③碰撞發生后，巧螺儀測得目標星沿坐標系z軸旋轉了-0度，因此坐標系2。,在 坐標系2,下的表示可得：
[0018]
【權利要求】
1. 一種基于微重力模擬系統的空間機械臂碰撞算法驗證技術，其特征在于所依賴的 微重力模擬系統硬件部分包括氣浮平臺（1)，機械臂系統（2)，目標星系統（3)和工控機 (4);機械臂系統包括：固定基座（5)，對接桿（6)，六維力傳感器和加速度傳感器（7)和 氣足（8);目標星系統包括：陀螺儀（9)、激光測距儀（10)、采集卡（11)、移動電源（12)、 Mini-Pc(13)，對接錐（14)、氣足（15)和氣體動力系統（16);
2. -種基于微重力模擬系統的空間機械臂碰撞算法驗證技術，其特征在于：空間機械 臂碰撞算法驗證技術包括：目標星質心速度及角速度驗證技術，碰撞力驗證技術和機械臂 末端加速度驗證技術；
3. 根據權利要求2所述的碰撞力和機械臂末端加速度驗證技術，其特征在于：為驗證 目標星系統自由漂浮狀態下的碰撞力及機械臂末端加速度，需要使目標星與外界無接觸， 其具體方法如下： ① 目標星系統中配備了氣瓶等供氣設備，避免引入由外界供氣時氣管產生的拖拽力； ② 采用非接觸的位置測量設備--激光測距儀； ③ 測量數據由目標星系統中的Mini-Pc直接采集，通過無線網絡發送至數據分析計算 機；
4. 根據權利要求2所述的目標星質心速度及角速度驗證技術，其特征在于：驗證由陀 螺儀和兩個激光測距儀完成，激光測距儀記錄目標星在平面上的水平位移，陀螺儀記錄目 標星在平面上的轉動角度及角速度；采用兩個激光測距儀與一個陀螺儀，不僅可以避免與 外界的接觸，而且可以利用目標星系統在平面上的（x，y)坐標以及沿垂直于臺面軸的轉 角，求解出目標星的質心線速度及角速度具體方法如下： ① 如附圖5所示為氣浮平臺與目標星位置關系，其中灰色部分表示目標星，測量點處 安裝有激光測距儀和陀螺儀，其中E:為建立在氣浮平臺上的全局坐標系，z軸垂直于xy 平面向里，a點處的坐標系EJt立在目標星上，初始狀態下a點在全局坐標系下的坐標為 (ax,ay, 0)； ② 碰撞發生后，測量點a運動到a'處，原坐標系Ea跟隨a點移動后，命名為坐標系 Sa,，由傳感器數據可以得到a'在坐標系1^的表示為（a' x，a'y，〇)，計算可得a'點在 坐標系23下的坐標： (a' x,a'Y, 0) = (a'x_ax,a'y_ay，0) ③ 碰撞發生后，陀螺儀測得目標星沿坐標系z軸旋轉了 - 0度，因此坐標系I： a,在坐標 系2a下的表不可得：
④ 質心O在坐標系2 3下的表示為已知量（0x，〇Y，0)，由齊次變換可得O在坐標系I： a, 下的表示：
⑤ 由于激光測距儀及陀螺儀采集到的物理信息毛刺現象嚴重，因此需要進行濾波及多 項式擬合處理，然后對得到的質心位移曲線進行求導，便得到了質心線速度，質心角速度可 由陀螺儀直接采集得到； ⑥ 對比目標星實際及理論角速度和質心線速度。
【文檔編號】G01M99/00GK104502128SQ201410720257
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】賈慶軒, 張龍, 陳鋼, 梁驥, 孫漢旭 申請人:北京郵電大學