空间机械臂在轨操作的地面模拟装置及模拟方法

1.本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及的是一种空间机械臂在轨操作的地面模拟装置及模拟方法。


背景技术：

2.随着机器人技术的成熟，采用机器人代替宇航员进行在轨操作，完成复杂的在轨服务具有重要的研究意义。虽然现有的机器人规划控制理论与方法已经成熟，在地面环境中被广泛使用，而在空间站的微重力环境中，物体状态、动力学特性与地面环境截然不同，仍需要建立空间在轨操作地面模拟系统，用来在模拟的微重力环境下对机器人规划控制理论与方法进行验证。
3.目前的空间在轨操作地面模拟系统根据微重力模拟方式可以分为基于自由落体运动的微重力模拟系统、基于抛物线飞行的微重力模拟系统、水浮实验系统、吊丝配重实验系统和平面气浮式实验系统等。然而上述地面模拟系统都只简单克服了地面上的重力对物体的影响，同时具有实验时间短、空间维度低、动态性能低等限制，难以使物体达到类似太空一样的悬浮状态，即不能实现完全模拟在轨操作目的。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种空间机械臂在轨操作的地面模拟装置及模拟方法，旨在解决现有技术中不能实现物体悬浮，不能实现完全模拟在轨操作目的的问题。
5.为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种空间机械臂在轨操作的地面模拟装置，其中，上述装置包括：
6.双臂机器人，用来模拟操作目标物体的空间机械臂；
7.吊挂装置，包括固定柱和被动杆，所述被动杆活动连接在所述固定柱的顶端，所述目标物体吊挂在所述被动杆上；
8.模拟平台，所述双臂机器人及所述吊挂装置均固定在所述模拟平台上。
9.可选的，所述固定柱与所述被动杆之间设有转动机构。
10.可选的，设有两根长度相同的所述被动杆，所述被动杆之间设有转动机构。
11.可选的，所述转动机构包括相对置的两个轴承和转动轴，所述转动轴设置在所述轴承之间，所述转动轴的外表面设有多个环形的线槽。
12.可选的，所述模拟平台包括两台agv小车，用于分别固定所述双臂机器人及所述吊挂装置。
13.可选的，所述固定柱的内部中空，所述固定柱内设有四个电机，所述目标物体上设有与所述电机分别耦合的四个吊挂点，所述吊挂点与所述电机之间设有吊绳。
14.可选的，所述目标物体上设有用于采集目标物体的加速度数据和姿态角数据的姿态传感器。
15.由上可见，与现有技术相比，本发明方案通过在吊挂装置上设置被动杆，将目标物
体吊挂在被动杆上，不仅克服了目标物体的重力，在受到外力影响时，被动杆可以带着目标物体移动，达到类似太空一样的悬浮效果，并且实现效果好，安全可靠。
16.本发明第二方面提供一种空间机械臂在轨操作的地面模拟方法，其中，上述方法包括：
17.将目标物体吊挂且使目标物体呈悬浮状态；
18.模拟在轨操作时，实时采集目标物体的姿态信息；
19.基于所述姿态信息，根据强化学习模型获得电机的转速，所述电机用于控制所述目标物体的姿态；
20.基于所述转速，控制所述电机的运转以调节所述目标物体的悬浮状态。
21.可选的，通过四个电机吊挂所述目标物体，所述姿态信息包括目标物体的加速度数据和姿态角数据，所述基于所述姿态信息，根据强化学习模型获得电机的转速，包括：
22.将所述加速度数据和所述姿态角数据输入所述强化学习模型，根据强化学习模型中的策略函数，分别获得四个电机的所述转速。
23.可选的，还包括用双臂机器人模拟空间机械臂并对所述双臂机器人进行重力补偿，进行所述重力补偿的步骤包括：
24.获取双臂机器人的底座的重力矢量；
25.获取每根连杆的质心相对于所述底座的位置矢量，所述连杆用于组成所述双臂机器人的机械臂；
26.基于所述连杆的质量、所述重力矢量和所述位置矢量，获得每根连杆的重力补偿值；
27.将所有的所述重力补偿值累加，获得总重力补偿值；
28.基于所述总重力补偿值，调节用于驱动所述双臂机器人的机械臂的电机的输出力矩。
29.由上可见，与现有技术相比，本发明通过将目标物体吊挂且呈悬浮状态，实时采集目标物体的姿态信息，并通过强化学习模型调节电机的转速从而实时调节目标物体的悬浮状态，实现太空中的悬浮效果。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
31.图1是本发明实施例提供的空间机械臂在轨操作的地面模拟装置示意图；
32.图2是图1实施例中固定柱示意图；
33.图3是图1实施例中被动杆连接结构爆炸示意图；
34.图4是本发明实施例提供的空间机械臂在轨操作的地面模拟方法流程示意图；
35.图5是本发明实施例对双臂机器人进行重力补偿流程示意图。
36.附图标记说明
37.10、双臂机器人，20、吊挂装置，21、出线机构，22、被动杆，23、固定柱，24、轴承，25、
转动轴，26、线槽，27、滑轮，30、agv小车，40、姿态传感器，50、模拟卫星。
具体实施方式
38.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
39.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
40.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
41.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
42.如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当
…
时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似的，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述的条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0043]
下面结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0045]
随着机器人技术的成熟，采用机器人代替宇航员进行在轨操作，完成复杂的在轨服务具有重要的研究意义。虽然现有的机器人规划控制理论与方法已经成熟，在地面环境中被广泛使用，而在空间站的微重力环境中，物体状态、动力学特性与地面环境截然不同，仍需要建立空间在轨操作地面模拟系统，用来在模拟的微重力环境下对机器人规划控制理论与方法进行验证。
[0046]
目前的空间在轨操作地面模拟系统根据微重力模拟方式可以分为基于自由落体运动的微重力模拟系统、基于抛物线飞行的微重力模拟系统、水浮实验系统、吊丝配重实验系统和平面气浮式实验系统等。
[0047]
其中基于自由落体运动的微重力模拟系统和基于抛物线飞行的微重力模拟系统的实验时间短、实验产品外形尺寸受模拟系统的限制；
[0048]
水浮实验系统中空间机器人原型样机不能直接在水浮系统上进行测试，必须进行专门的设计以避免受到水下环境的影响，以及水的阻力以及惯量会改变空间机器人的动力学特性；
[0049]
吊丝配重实验系统的重力补偿精度不够高，难以辨识悬吊系统的动摩擦力并在其控制系统中准确补偿，以及由于空间机器人和悬吊系统之间存在耦合振动，可能使得整个系统不稳定；
[0050]
平面气浮式实验系统可以实现x、y两个方向的干扰力很小的平动，但是因其仅仅能支持空间机械臂2-3个自由度的运动，无法同时实现全部自由度的耦合联动；
[0051]
并且上述地面模拟系统都只简单克服了地面上的重力对物体的影响，并不能使物体达到类似太空一样的悬浮状态，即不能实现完全模拟在轨操作目的。
[0052]
本发明的模拟装置通过在吊挂装置上设置被动杆，将目标物体吊挂在被动杆上，不仅克服了目标物体的重力，在受到外力影响时，被动杆可以带着目标物体移动，达到类似太空一样的悬浮效果。
[0053]
示例性装置
[0054]
如图1所示，本实施例的空间机械臂在轨操作的地面模拟装置，模拟了太空中机械臂操作卫星的场景。具体地，该地面模拟装置主要包括双臂机器人10及吊挂装置20，双臂机器人10模拟空间机械臂，用来操作模拟卫星50；吊挂装置20用来吊挂模拟卫星50。本实施例中的吊挂装置20主要包括固定柱23和被动杆22，被动杆22的前端吊挂模拟卫星50，被动杆22活动连接在固定柱23的顶端。其中，被动杆22是指没有主动驱动力来控制被动杆22的移动，被动杆22受到相互作用力等被动驱动力而移动。模拟在轨操作时，模拟卫星50发生移动时推动被动杆22相应移动，从而模拟太空中物体受到外力而移动。由于不需要使用电机控制被动杆22，能降低模拟装置的成本和控制难度。需要说明的是，被动杆22的形状和尺寸不作具体限定。
[0055]
为了实现更大力矩的吊挂和使得吊挂装置20更加稳固，如图2所示，固定柱23为中空的l型立柱，被动杆22也设置为内部中空，这样可以将电机(图中未示出)安装在固定柱23内，电机上固定卷绳器，将吊绳缠绕在卷绳器上，穿过固定柱23和被动杆22来吊挂模拟卫星50。采用上述结构，使得吊挂装置20的质心位于吊挂装置20的后端，增强稳固性、减小转动惯量，增强动态运动的效果。
[0056]
可选的，上述电机可以采用大力矩直驱电机，以增加电机的拉动力矩。
[0057]
进一步的，为了使得模拟卫星50实现更好的悬浮效果，如图3所示，该被动杆22是3dof(三自由度)被动杆，并且安装了两根长度相同的被动杆22。通过两根相连的被动杆22，以两根被动杆22的长度之和为半径，以l型立柱为原点形成扇形工作平面，模拟卫星50可以达到此工作平面内任意一点，不会出现死点，拥有更高的灵活度。由于太空中的物品是处于悬浮状态的，位姿并不是固定的，因此，采用3dof被动杆22能尽可能地模仿太空中的微重力环境。
[0058]
进一步的，在模拟卫星50上设置了四个吊挂点，并设置了四根吊绳，每个吊挂点分别与一根吊绳连接。相应地，在固定柱23内固定了四个无刷电机，每根吊绳分别卷在一个无刷电机的卷绳器上。通过不同电机控制模拟卫星50的不同吊挂点，实现模拟卫星50的三个自由度控制效果。不仅将模拟卫星50吊挂起来克服了地面重力，可以沿z轴上下移动，并可以控制模拟卫星50各个吊挂点的上下位置，从而调整模拟卫星50相对于xy轴的偏转角度，更好地实现模拟卫星50的悬浮。即通过采用四个无刷电机协调控制吊绳，能够改变模拟卫星50的姿态，实现太空中的悬浮状态。
[0059]
进一步的，无刷电机为低减速比的电机，可以根据吊绳的角度变化而改变电机的转速。
[0060]
本实施例中，被动杆22之间、固定柱23与被动杆22之间均通过转动机构相连接，可以减少摩擦。具体地，上述转动机构包括相对置的两个轴承24和转动轴25，两个轴承24间隔固定在转动轴25上。模拟在轨操作时，模拟卫星50发生移动时很容易推动被动杆22相应移动，从而模拟太空中物体受到外力而移动。
[0061]
为了防止吊绳之间发生互相干涉的情况，在本实施例中，被动杆22的前端设置了出线机构21，出线机构21连接在被动杆22的自由端，出线机构21上设置了用于改变吊绳方向的滑轮27。出线机构21作为吊绳的出口，吊绳穿过该出线机构21将模拟卫星50吊挂；并且在固定柱23的转折处设置有用于改变吊绳方向的滑轮27；并且被动杆22之间的转动轴25、被动杆22与固定柱23之间的转动轴25，这些转动轴25的外表面均设计了多个环形的线槽26。当然，上述滑轮27不仅可以防止吊绳之间发生干涉，还能减少吊绳与其他物体的摩擦力。
[0062]
本发明中，还设有模拟平台，上述双臂机器人10及吊挂装置20均固定在模拟平台上。具体地，由于在轨操作时机械臂及目标卫星在空间环境中是绕地球旋转的，在模拟该在轨环境时，可近似地认为目标卫星在空间中绕地球的旋转为直线运动。因此，本实施例的模拟平台包括两台agv小车30，用于分别固定双臂机器人10及吊挂装置20。其中，两台agv小车30保持相同速度同向移动，两台agv小车30移动时，双臂机器人10和模拟卫星50的距离不会发生改变，模拟卫星50的位置会随着移动，实现上述在轨环境的模拟。而且，将双臂机器人10以及吊挂装置20固定在移动的agv小车30上，还能方便变更模拟场地，不需要额外的搬运设备就能将模拟装置快速部署至新的模拟场地。使模拟卫星50的运动空间以及双臂机器人10的工作空间不再受到限制，理论上是可以无限。
[0063]
进一步的，本实施例在模拟卫星50上安装了用于采集模拟卫星的加速度数据和姿态角数据等姿态信息的姿态传感器40。具体的，姿态传感器40为imu姿态传感器，姿态传感器40安装在模拟卫星50的上表面中点处，采用5v供电，rs232通信，将姿态传感器40采集的姿态信息传递到处理终端，处理终端可以处理该姿态信息并协调控制固定柱23内的电机以使模拟卫星50实现完全悬浮状态。其中，上述处理终端可以为电脑、笔记本等各种常用电子终端，具体不作限定。
[0064]
由上所述，本发明创新性地使用被动杆，使模拟卫星可以沿着外力方向移动；通过简单的电机和吊绳的结构吊挂模拟卫星，控制简单、成本低廉；并且实现了七自由度(由四个主动关节和三个被动关节形成)的吊挂装置，通过采用主被动结合的吊挂装置，转动惯量小，动态效果好，更容易在地面实现机械臂操作浮动卫星的效果。
[0065]
示例性方法
[0066]
为了模拟在轨操作时实现模拟卫星的悬浮效果，如图4所示，本实施例还提供了一种空间机械臂在轨操作的地面模拟方法。具体的，上述方法包括如下步骤：
[0067]
步骤s100：将目标物体吊挂且使目标物体呈悬浮状态；
[0068]
其中，悬浮状态是指目标物体不仅克服了地面重力，在机械臂操作目标物体时，目标物体由于受到机械臂的作用力，能够移动和发生偏转。也就是说，目标物体能和在太空中悬浮一样，受到外力而改变其自身的姿态。
[0069]
具体的，可以通过电机加吊绳将目标物体吊挂，并在目标物体受到机械臂的作用力时，改变目标物体的姿态，实现悬浮的效果。例如可以在吊挂目标物体的吊挂装置的前端设置活动杆，在受到机械臂的作用力时，活动杆可以移动，从而目标物体能够移动。其中，活动杆可以采用电机来驱动，优选和上述的地面模拟装置一样，采用被动杆来实现，可以减少电机的使用，装置简单并且不需要进行主动控制。
[0070]
步骤s200：模拟在轨操作时，实时采集目标物体的姿态信息；
[0071]
具体的，本实施例为了对目标物体的姿态进行进一步控制，更佳地实现太空悬浮效果，在目标物体上安装姿态传感器，可以采集目标物体的加速度数据和姿态角数据等姿态信息，以进一步调节目标物体的姿态。本实施例中，目标物体为模拟卫星，姿态传感器为imu姿态传感器，imu姿态传感器安装在模拟卫星的上表面中点处，采用5v供电，通过rs232与电脑终端进行通信，将采集的姿态信息传送至电脑终端。
[0072]
步骤s300：基于所述姿态信息，根据强化学习模型获得电机的转速，所述电机用于控制所述目标物体的姿态；
[0073]
步骤s400：基于所述转速，控制所述电机的运转以调节所述目标物体的悬浮状态。
[0074]
具体的，采集到姿态信息后，将姿态信息传输至处理终端，在处理终端上运行强化学习模型，获得电机的转速后，控制电机的运转，就可以调节目标物体的吊挂点的拉力，从而改变目标物体的姿态，也即进一步调节目标物体的悬浮状态。
[0075]
在本实施例中，预先对强化学习模型进行训练，使用奖励函数来优化控制电机的策略函数。具体训练方法包括：由于通过四个电机吊挂目标物体，将姿态信息中的目标物体的加速度数据和姿态角数据、四个电机的转速，输入强化学习模型中的奖励函数，根据强化学习模型中的策略函数输出下一步的电机动作，并使用奖励函数对动作进行打分，使用梯度下降对策略函数进行更新，实现对策略函数的优化。强化学习模型训练完毕后，将姿态信息中的目标物体的加速度数据和姿态角数据输入强化学习模型中，策略函数输出四个电机的转速，实现对目标物体的调节。
[0076]
具体来说，不仅可以调节目标物体的高度，还可以调节目标物体的偏角(pitch)和侧滚(roll)(统称为偏航角)。
[0077]
具体地，上述强化学习模型的奖励函数为：
[0078][0079]
其中v1,v2,v3,v4为各电机的速度；δaz为经过电机作用后，目标物体的垂直方向的加速度与目标垂直方向加速度之间的误差；δpitch为经电机作用后，目标物体的pitch偏航角与目标pitch偏航角之间的误差；δroll为经过电机作用后，目标物体的roll偏航角与目标roll偏航角之间的误差；k1,k2,k3,k4为待调超参数。
[0080]
上述强化学习模型的策略函数为：
[0081][0082]
策略函数π(a|s)为多元正态分布函数，其中a为动作，s为观测到的状态，即姿态信息中的目标物体的加速度数据和姿态角数据，ai为第i个电机输出的动作，μi为第i个元素的
均值，σi为第i个元素的方差。
[0083]
由上所述，本实施例通过对模拟卫星的参数辨识，进行机械臂操作的少量参数强化训练，构建模拟卫星的微重力模型，实现地面模拟卫星的悬浮效果。
[0084]
进一步的，本实施例中用双臂机器人模拟空间机械臂，并对双臂机器人进行重力补偿，如图5所示，上述重力补偿的步骤包括：
[0085]
步骤sa10：获取双臂机器人的底座的重力矢量；
[0086]
步骤sa20：获取每根连杆的质心相对于所述底座的位置矢量，所述连杆用于组成所述双臂机器人的机械臂；
[0087]
具体地，重力矢量是指重力扰动的大小和扰动引力的三个分量。重力矢量可以测量获得，如将测得的垂线偏差以及测得的垂向重力值作为观测量，建立准确的垂向重力值、垂线偏差以及水平重力分量关系模型，并以此作为观测方程，通过卡尔曼滤波估计，获得精度较高的重力矢量水平分量。具体可以参考现有的sins(高精度的捷接惯性导航系统)直接求差估计扰动重力矢量，这里不再赘述。位置矢量是指质点在参照系内选定坐标系中的位置矢量，是一根由坐标系原点指向质点所在位置的有向线段。本实施例中为由坐标系原点指向每根连杆的质心的有向线段。
[0088]
步骤sa30：基于所述连杆的质量、所述重力矢量和所述位置矢量，获得每根连杆的重力补偿值；
[0089]
步骤sa40：将所有的所述重力补偿值累加，获得总重力补偿值；
[0090]
步骤sa50：基于总重力补偿值，调节用于驱动双臂机器人的机械臂的电机的输出力矩。
[0091]
具体地，重力补偿公式为：
[0092][0093]
其中mi是第i根连杆的质量，bg是相对于双臂机器人底座的重力矢量，bri是第i根连杆的质心相对于双臂机器人底座的位置矢量，m
gc
为总重力补偿值。
[0094]
获得总重力补偿值后，将总重力补偿值添加到驱动双臂机器人的机械臂的电机的输出力矩，从而补偿掉机械臂的重力，使双臂机器人达到类似于处在太空中的悬浮状态。
[0095]
由上所述，本实施例采用重力补偿算法对双臂机器人运动时的机械臂的重力进行补偿，即将需要克服机械臂动态运动时的重力，添加到机械臂的电机的输出力矩中，实现重力的补偿，使得双臂机器人的机械臂达到类似太空中的悬浮状态。
[0096]
进一步的，在轨操作时机械臂及目标卫星在空间环境中是绕地球旋转的，本发明还通过控制双臂机器人及吊挂装置实现同向同步移动来模拟该在轨环境。具体的，由于可近似地认为目标卫星在空间中绕地球的旋转为直线运动。本实施例中的模拟平台包括两台agv小车，用于分别固定双臂机器人及吊挂装置。控制两台agv小车保持相同速度同向移动，当两台agv小车移动时，双臂机器人和目标物体的距离不会发生改变，模拟卫星的位置也会随着移动，实现上述在轨环境的模拟。
[0097]
应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0098]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0099]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0100]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0101]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0102]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不是相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。