一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力的装置与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及地面三维空间微重力的装置与方法，特别涉及一种模拟空间机械臂捕 获目标卫星的地面三维空间微重力的装置与方法。
【背景技术】
[0002] 由于空间机械臂在太空接近和捕获目标卫星操作时，其卫星基座通常是不受控 的，处于自由漂浮状态。在太空中，空间机器人系统处于微重力环境，通常不考虑地球重力 对其影响，因此，空间机器人系统满足动量守恒定律。当空间机械臂运动时，其漂浮卫星基 座通常会产生相应的扰动。目前，空间机械臂的测试通常是在二维的气浮平台上进行的，其 通常不考虑漂浮卫星基座的运动，只是空间机械臂在二维平面空间的运动和操作，其与空 间机器人在太空中真实的三维空间运动和操作有着很大的不同，空间机器人在太空中几乎 不重地球重力影响，因此，它的设计通常臂杆较长，具有较大的柔性，在地面上重力环境下 无法直接进行三维空间的操作，因此，需要开发一套地面三维空间微重力模拟与验证系统 来再现和验证空间机器人在真实的三维空间中捕获和维修目标卫星的操作，并对相关的控 制算法和硬件进行测试。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决现有的技术没有考虑空间机械臂在三维空间运动和操作过程 中漂浮卫星基座的运动的问题，而提供一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间 微重力的装置与方法。
[0004] 本发明采取以下技术方案：
[0005] -种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力的装置具体包括工业 机械臂A、工业机械臂T;空间机械臂，手眼相机，捕获手爪，捕获接口，服务卫星本体模拟器， 目标卫星本体模拟器以及六维力/力矩传感器组成；
[0006] 所述的工业机械臂A末端与服务卫星本体模拟器相连，服务卫星本体模拟器通过 连接法兰连接六维力/力矩传感器;六维力/力矩传感器通过连接法兰连接空间机械臂；空 间机械臂通过螺栓与手眼相机相连接，手眼相机通过螺栓连接捕获手爪；
[0007] 所述的工业机械臂T通过连接法兰连接六维力/力矩传感器，六维力/力矩传感器 通过连接法兰连接目标卫星本体模拟器；目标卫星本体模拟器连接捕获接口；
[0008] 其中，接捕获接口与捕获手爪相匹配。
[0009] 一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力的实现方法具体包括 以下步骤：
[0010] 步骤一、模拟目标卫星的运动；利用运动学等效算法将目标卫星本体模拟器通过 工业机械臂T模拟实际目标卫星运动状态；
[0011] 步骤二、通过手眼相机采集步骤一中目标卫星本体模拟器相对运动信息的视觉图 像，根据视觉图像确定目标卫星本体模拟器的相对于手眼相机的位置与卫星本体模拟器的 姿态；
[0012] 步骤三、将步骤二确定的相对位置和姿态传递给空间机械臂控制器，空间机械臂 控制器通过相对位置和姿态信息确定空间机械臂末端运动信息;根据空间机械臂末端运动 信息，确定空间机械臂各关节的运动信息;其中，空间机械臂各关节的运动信息包括空间机 械臂的关节角加速度I和空间机械臂的关节角速度下角标m为空间机械臂；其中，空间 机械臂末端具体为空间机械臂与手眼相机的连接处；
[0013] 步骤四、根据空间机械臂各关节的运动信息计算服务卫星本体模拟器基座的运动 信息；
[0014] 步骤五、根据服务卫星本体模拟器基座的运动信息，通过运动学等效算法计算工 业机械臂A的末端运动信息;其中，工业机械臂A的末端为工业机械臂A与服务卫星本体模拟 器的连接处；
[0015] 步骤六、根据视觉图像确定目标卫星本体模拟器的相对于手眼相机的位置的姿态 判断接捕获接口是否在捕获手爪所在的捕获区域内；若在捕获手爪所在的捕获区域内则进 行步骤八;若不在，则重复步骤一至五;直至捕获接口在捕获手爪所在的捕获区域内为止；
[0016] 步骤七、利用空间机械臂的控制器控制捕获手爪捕获目标卫星本体模拟器；
[0017] 步骤八、当捕获手爪捕获目标卫星本体模拟器后，目标卫星本体模拟器根据所受 的接触力通过动力学算法来估计目标卫星本体模拟器运动状态；
[0018] 步骤九、根据步骤八估计的目标卫星本体模拟器运动状态，通过运动学等效的方 法，模拟工业机械臂T受力后的实际目标卫星的运动状态；
[0019] 步骤十、根据力矩传感器测量的捕获手爪与目标卫星本体模拟器之间接触对基座 产生的外力和外力矩通过空间机械臂的动力学算法，计算出服务卫星本体模拟器的运动状 态，通过运动学等效算法利用工业机械臂A的运动实现服务卫星本体模拟器的运动状态。
[0020] 本发明有益效果：
[0021] 本发明涉及一种空间一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力 的装置与方法，属于空间机械臂技术领域。
[0022] 在地面上三维空间微重力模拟与验证方法，用于进行空间机器人捕获运动目标卫 星的三维空间模拟和再现的实验与测试。
[0023] 1、本发明可以真实再现在三维空间里空间机器人捕获运动目标卫星的整个过程；
[0024] 2、本发明可以模拟目标卫星的自旋或翻滚运动；
[0025] 3、本发明可以模拟空间机器人运动过程中的漂浮卫星基座的扰动情况；
[0026] 4、本发明可以验证空间机器人的相关运动控制和算法的可靠性；
[0027] 5、本发明可以验证空间机器人部分真实硬件的特性；
[0028] 6、本发明该系统可以用于空间机械臂对运动目标捕获的接触或在轨更换0RU操作 的任务验证如图7(a)~图11(f)。
【附图说明】
[0029]图1为【具体实施方式】三提出的工业机器人末端的空间机械臂对六维力或力矩传感 器的重力补偿原理示意图即；其中，
[0030] 图2为【具体实施方式】一提出的基于硬件在环的空间机器人地面三维微重力验证系 统的硬件结构框图；其中，2是空间机械臂，3是手眼相机，4是捕获手爪，6是捕获接口，7是服 务卫星本体模拟器，8是目标卫星本体模拟器，9是工业机器人A，10是工业机器人T，11是六 维力/力矩传感器；
[0031] 图3为【具体实施方式】一提出的基于硬件在环的空间机器人地面三维微重力验证系 统的软件结构框图；其中，12是视觉处理计算机，13是空间机械臂控制器，16工业机器人A控 制器，17工业机器人A关节控制器，22工业机器人T控制器，23工业机器人T关节控制器 [0032]图4为【具体实施方式】一提出的基于硬件在环的空间机器人捕获目标卫星的地面三 维微重力验证系统实现原理框图；
[0033]图5为【具体实施方式】三提出的目标卫星在空间微重力环境下的运动模拟和再现的 实现框图；
[0034] 图6为【具体实施方式】二提出的空间机器人在空间微重力环境下的运动模型再现的 实现框图；
[0035] 图7(a)为【具体实施方式】一提出的目标卫星本体模拟器相对于手眼相机在X方向的 位置随时间变化的曲线，其中，横轴为时间纵轴为目标卫星本体模拟器相对于手眼相机在X 方向的位置
[0036] 图7(b)为【具体实施方式】一提出的目标卫星本体模拟器相对于手眼相机在y方向的 位置随时间变化的曲线，其中，横轴为时间纵轴为目标卫星本体模拟器相对于手眼相机在y 方向的位置
[0037] 图7(c)为【具体实施方式】一提出的目标卫星本体模拟器相对于手眼相机在z方向的 位置随时间变化的曲线此图名称，其中，横轴为时间纵轴为目标卫星本体模拟器相对于手 眼相机在z方向的位置
[0038] 图7(d)为【具体实施方式】一提出的目标卫星本体模拟器相对于手眼相机绕z轴的姿 态随时间变化的曲线此图名称，其中，横轴为时间纵轴为目标卫星本体模拟器相对于手眼 相机绕z轴的姿态
[0039] 图7(e)为【具体实施方式】一提出的目标卫星本体模拟器相对于手眼相机绕y轴的姿 态随时间变化的曲线此图名称，其中，横轴为时间纵轴为目标卫星本体模拟器相对于手眼 相机绕y轴的姿态
[0040] 图7(f)为【具体实施方式】一提出的目标卫星本体模拟器相对于手眼相机绕X轴的姿 态随时间变化的曲线此图名称，其中，横轴为时间纵轴为目标卫星本体模拟器相对于手眼 相机绕X轴的姿态
[0041] 图8(a)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂末端在其惯性坐标系下的X方向变化 曲线图；
[0042] 图8(b)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂末端在其惯性坐标系下的y方向变化 曲线图；
[0043] 图8(c)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂末端在其惯性坐标系下的z方向变化 曲线图；
[0044] 图9(a)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂末端在其惯性坐标系下的绕X轴姿态 角变化曲线图；
[0045] 图9(b)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂末端在其惯性坐标系下的绕y轴姿态 角变化曲线图；
[0046] 图9(c)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂末端在其惯性坐标系下的绕y轴姿态 角变化曲线图；
[0047] 图10(a)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂第一关节的期望关节角和实际关节 角的变化曲线；
[0048] 图10(b)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂第二关节的期望关节角和实际关节 角的变化曲线；
[0049] 图10(c)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂第三关节的期望关节角和实际关节 角的变化曲线；
[0050] 图10(d)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂第四关节的期望关节角和实际关节 角的变化曲线；
[0051]图10(e)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂第五关节的期望关节角和实际关节 角的变化曲线；
[0052]图10(f)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂第六关节的期望关节角和实际关节 角的变化曲线；
[0053]图11(a)为【具体实施方式】一提出的空间机械臂的服务卫星模拟器