CN104502128A - 一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，其中所以依赖的微重力模拟系统包括硬件部分：气浮平台、机械臂系统、目标星系统、工控机；以及软件部分：机械臂控制软件及数据采集分析软件，机械臂系统及目标星系统底部分别装有气足，通气后在气浮平台上能够模拟太空的自由漂浮状态；由机械臂控制软件控制机械臂与目标星系统进行碰撞，由传感器采集碰撞前后的各项物理数据并与理论碰撞算法得到的结果进行对比分析，以验证空间碰撞算法的有效性、正确性。

Description

一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术

技术领域

本发明涉及一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，属于空间在轨装配技术领域。

背景技术

根据我国载人航天发展规划，2020年左右将逐次发射多个舱体，并通过在轨组装构建空间站。空间机械臂在轨装配技术是舱体组装的关键技术，对空间站构建具有重要意义。而装配过程中机械臂与被装配物不可避免的会发生碰撞，由于目前缺乏该方面的系统研究及验证，使得空间机械臂的应用受到极大限制。因此在地面搭建微重力模拟平台，并基于此对空间机械臂的在轨装配技术的验证具有极其重要的指导意义。

微重力模拟技术为一项较为成熟的技术。本发明采用气浮平台模拟微重力环境，该气浮平台由气浮轴承和钢化玻璃组成，依靠压缩空气在气浮轴承与钢化玻璃之间形成气膜，从而将机械臂与目标星托起，使它们具有平面二维的平移和一维的转动，可以在一定程度上模拟太空中的漂浮环境。

在模拟太空对接碰撞过程中，碰撞发生后需要测得目标卫星的质心速度及角速度，由于目标星系统不可与外界接触，因此以往的接触式测量装置和方法不适用于目标星系统的位姿测量，需要考虑新的测量方法。

此外，由于涉及多传感器的联合采集，以往的以采集软件控制单个传感器采集的方式已经不能满足实验的要求。

发明内容

为解决空间机械臂与被装配物接触时碰撞算法的验证问题，本发明提供了一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术。依赖能够在一定程度上模拟太空自由漂浮环境的微重力模拟系统，以实现机械臂与目标星的碰撞实验。

为实现目标星系统完全的自由漂浮状态，本发明在目标星系统上安装了独立的供气系统、供电系统、无接触式位移采集传感器——激光测距仪、无线路由器，从而实现了目标性系统与外界环境无接触。

本发明采用两个激光测距仪和一个陀螺仪，经过一系列矩阵运算，巧妙得到了目标星系统质心线速度及角速度的实际数据。

另外本发明还实现了软件间通信，实现了传感器的同步采集，使得采集结果更加准确、可靠。

现有空间机械臂碰撞算法一般都只进行了数值仿真验证，并未设计实验进行机械臂与被装配物的实际碰撞数据分析及验证。本发明基于微重力模拟系统，可以在地面上实现空间机械臂与目标星的碰撞实验，得到实际的碰撞数据，并依据此数据与碰撞算法结果对比分析，以验证碰撞算法的正确性。

本发明解决问题所采用的技术如下：

空间机械臂碰撞算法验证技术依赖于微重力模拟系统，本发明所用微重力模拟系统包括：气浮平台，机械臂系统，目标星系统和工控机。机械臂系统与目标星系统通过气足架在气浮平台上，通气后气足和气浮平台台面之间形成气膜，在气膜的支撑下机械臂系统和目标星系统可以浮在平台上，并具有平面的平移和平面内转动，共计三个自由度。

碰撞发生的过程中，安装在机械臂末端的六维力传感器记录碰撞的力和力矩，加速度传感器记录机械臂末端的加速度信息，安装在目标星上的激光测距仪记录目标星在平面上的水平位移，陀螺仪记录目标星在平面上的转动角度及角速度。采用两个激光测距仪与一个陀螺仪，不仅可以避免与外界的接触，而且可以利用目标星系统在平面上的(x,y)坐标以及沿垂直于台面轴的转角，求解出目标星的质心线速度及角速度。求解过程如下所示：

①如附图4所示为气浮平台与目标星位置关系，其中灰色部分表示目标星，测量点处安装有激光测距仪和陀螺仪，其中Σ_I为建立在气浮平台上的全局坐标系，z轴垂直于xy平面向里，a点处的坐标系Σ_a建立在目标星上，初始状态下a点在全局坐标系下的坐标为(a_x,a_y,0)。

②碰撞发生后，测量点a运动到a′处，原坐标系Σ_a跟随a点移动后，命名为坐标系Σ_a′，由传感器数据可以得到a′在坐标系Σ_I的表示为(a′_x,a′_y,0)，计算可得a′点在坐标系Σ_a下的坐标：

(a′_X,a′_Y,0)＝(a′_x-a_x,a′_y-a_y,0)

③碰撞发生后，陀螺仪测得目标星沿坐标系z轴旋转了-θ度，因此坐标系Σ_a′在坐标系Σ_a下的表示可得：

$T_B^A=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0& a_x^{\′}-a_x\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& a_y^{\′}-a_y\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

④质心O在坐标系Σ_a下的表示为已知量(O_X,O_Y,0)，由齐次变换可得O在坐标系Σ_a′下的表示：

$\left[\begin{array}{c}{O}_x\\ O_y\\ 0\\ 1\end{array}\right]=T_B^A\left[\begin{array}{c}{O}_X\\ O_y\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

⑤由于激光测距仪及陀螺仪采集到的物理信息毛刺现象严重，因此需要进行滤波及多项式拟合处理，然后对得到的质心位移曲线进行求导，便得到了质心线速度，质心角速度可由陀螺仪直接采集得到。

⑥对比目标星实际及理论角速度和质心线速度。

本发明具有如下优点：

为模拟被装配物的太空漂浮环境，保证验证的准确性，本发明采用三项措施使得目标星系统成为一个独立系统，在气阀开启后实现外界的无接触、无干扰：

1.目标星系统中配备了气瓶等供气设备，防止了外界供气由气管导致的拖拽力。

2.采用非接触的位置测量设备——激光测距仪，不仅满足了与外界无接触的要求，而且能够通过数学计算求得目标星的质心线速度及角速度。

3.测量数据由目标星系统中的Mini-Pc直接采集，通过无线网络发送至数据分析计算机。

附图说明

图1为空间对接碰撞仿真实验平台组成示意图

图2为目标星系统组成示意图

图3为平台使用流程图

图4为目标星坐标系与平台坐标系位置关系示意图

图中1气浮平台，2机械臂系统，3目标性系统，4工控机，5固定基座，6对接杆，7六维力传感器和加速度传感器(由于加速度传感器较小，并未在示意图中单独标出)，8气足，9陀螺仪，10激光测距仪，11采集卡，12移动电源，13Mini-Pc，14对接锥，15气足，16气体动力系统。

具体实施方式

本发明提出了一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，下面依照附图对本发明的具体实施方法进行详细描述。

本发明所依赖的微重力模拟系统如图1所示。机械臂系统(2)固定在基座(5)上，通过气足(8)与平台接触；当通气后，机械臂系统在气浮台上能够实现沿平面的平移及转动，共计三个自由度，能够在一定程度上模拟太空的自由漂浮状态；对接杆(6)由航天铝材制作，且为实现柔顺碰撞对接杆末端为球头状设计；六维力传感器和加速度传感器(7)可以实时采集对接碰撞过程中的碰撞力/力矩和加速度数据，并将数据传送至工控机进行数据分析。

目标星系统(3)上自带有气体动力系统(16)，通气后可实现目标星在气浮台上的自由漂浮状态，并具有平面内三自由度；对接锥(14)为航天铝材，旨在更精确的模拟太空碰撞；激光测距仪(10)采集目标星的水平方向位移，通过采集卡(11)将电压信号传送至Mini-Pc；陀螺仪(9)采集目标星运动过程中的角度及角速度信息并将数据传送至Mini-Pc；Mini-Pc(13)通过无线网络将数据发送至工控机，由工控机对数据进行处理。

为保证碰撞算法验证的准确性，目标星系统的转动惯量、质量、质心位置都要尽可能准确。为此，在对目标星系统进行组装的过程中，要保证各部件安装紧密，以防碰撞过程中出现松动，影响目标星的物理参数，甚至影响传感器数据采集的精度。

在微重力模拟系统的基础上，空间机械臂碰撞算法具体验证方法如下：

步骤一：为保证实验精确性，每次实验前需要对传感器进行标定、调零操作；为防止电磁场干扰传感器工作，电子设备尽量远离传感器；

步骤二：打开气瓶阀门，实现机械臂与目标星在平台上的自由漂浮。将目标星系统(3)的对接锥对准机械臂的对接杆；

步骤三：开启机械臂控制软件，对机械臂(2)进行直线路径规划，使对接杆和对接锥能够在此段直线路径上发生碰撞；规划完成后每隔20ms发送一次控制指令至机械臂关节电机，由机械臂关节电机带动机械臂运动；

步骤四：同步开启所有采集软件的采集按钮，等待对接杆与对接锥碰撞后关闭采集，保存数据，关闭气瓶阀门；

步骤五：将机械臂与目标星碰撞初始时刻各项物理数据导入空间机械臂碰撞算法库，求得机械臂与目标星碰撞后的各项理论数据；

步骤六：将实际采集的碰撞数据进行处理后与理论计算结果进行对比分析，以验证空间机械臂碰撞算法。

将实际采集的位移数据以如下方式进行转换，求得目标星系统质心实际线速度及角速度：

①如附图4所示为气浮平台与目标星位置关系，其中灰色部分表示目标星，测量点处安装有激光测距仪和陀螺仪，其中Σ_I为建立在气浮平台上的全局坐标系，z轴垂直于xy平面向里，a点处的坐标系Σ_a建立在目标星上，初始状态下a点在全局坐标系下的坐标为(a_x,a_y,0)；

②碰撞发生后，测量点a运动到a′处，原坐标系Σ_a跟随a点移动后，命名为坐标系Σ_a′，由传感器数据可以得到a′在坐标系Σ_I的表示为(a′_x,a′_y,0)，计算可得a′点在坐标系Σ_a下的坐标：

(a′_X,a′_Y,0)＝(a′_x-a_x,a′_y-a_y,0)

③碰撞发生后，陀螺仪测得目标星沿坐标系z轴旋转了-θ度，因此坐标系Σ_a′在坐标系Σ_a下的表示可得：

$T_B^A=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0& a_x^{\′}-a_x\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& a_y^{\′}-a_y\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

④质心O在坐标系Σ_a下的表示为已知量(O_X,O_Y,0)，由齐次变换可得O在坐标系Σ_a′下的表示：

$\left[\begin{array}{c}{O}_x\\ O_y\\ 0\\ 1\end{array}\right]=T_B^A\left[\begin{array}{c}{O}_X\\ O_y\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

⑤由于激光测距仪及陀螺仪采集到的物理信息毛刺现象严重，因此需要进行滤波及多项式拟合处理，然后对得到的质心位移曲线进行求导，便得到了质心线速度，质心角速度可由陀螺仪直接采集得到；

⑥对比目标星实际及理论角速度和质心线速度。将得到的碰撞数据与理论计算结果进行对比分析，以验证空间机械臂碰撞算法的正确性。

Claims (4)

1.一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，其特征在于所依赖的微重力模拟系统硬件部分包括气浮平台(1)，机械臂系统(2)，目标星系统(3)和工控机(4)；机械臂系统包括：固定基座(5)，对接杆(6)，六维力传感器和加速度传感器(7)和气足(8)；目标星系统包括：陀螺仪(9)、激光测距仪(10)、采集卡(11)、移动电源(12)、Mini-Pc(13)，对接锥(14)、气足(15)和气体动力系统(16)；

2.一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，其特征在于：空间机械臂碰撞算法验证技术包括：目标星质心速度及角速度验证技术，碰撞力验证技术和机械臂末端加速度验证技术；

3.根据权利要求2所述的碰撞力和机械臂末端加速度验证技术，其特征在于：为验证目标星系统自由漂浮状态下的碰撞力及机械臂末端加速度，需要使目标星与外界无接触，其具体方法如下：

①目标星系统中配备了气瓶等供气设备，避免引入由外界供气时气管产生的拖拽力；

②采用非接触的位置测量设备——激光测距仪；

③测量数据由目标星系统中的Mini-Pc直接采集，通过无线网络发送至数据分析计算机；

4.根据权利要求2所述的目标星质心速度及角速度验证技术，其特征在于：验证由陀螺仪和两个激光测距仪完成，激光测距仪记录目标星在平面上的水平位移，陀螺仪记录目标星在平面上的转动角度及角速度；采用两个激光测距仪与一个陀螺仪，不仅可以避免与外界的接触，而且可以利用目标星系统在平面上的(x，y)坐标以及沿垂直于台面轴的转角，求解出目标星的质心线速度及角速度具体方法如下：

①如附图5所示为气浮平台与目标星位置关系，其中灰色部分表示目标星，测量点处安装有激光测距仪和陀螺仪，其中∑_I为建立在气浮平台上的全局坐标系，z轴垂直于xy平面向里，a点处的坐标系∑_a建立在目标星上，初始状态下a点在全局坐标系下的坐标为(a_x，a_y，0)；

②碰撞发生后，测量点a运动到a′处，原坐标系∑_a跟随a点移动后，命名为坐标系Σ_a′，由传感器数据可以得到a′在坐标系Σ_I的表示为(a′_x,a′_y,0)，计算可得a′点在坐标系Σ_a下的坐标：

(a′_X,a′_Y,0)＝(a′_x-a_x,a′_y-a_y,0)

③碰撞发生后，陀螺仪测得目标星沿坐标系z轴旋转了-θ度，因此坐标系Σ_a′在坐标系Σ_a下的表示可得：

$T_B^A=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin & 0& a_x^{\′}-a_x\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0& a_y^{\′}-a_y\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

④质心O在坐标系Σ_a下的表示为已知量(O_X,O_Y,0)，由齐次变换可得O在坐标系Σ_a′下的表示：

$\left[\begin{array}{c}{O}_x\\ O_y\\ 0\\ 1\end{array}\right]=T_B^A\left[\begin{array}{c}{O}_X\\ O_Y\\ 0\\ 1\end{array}\right]$

⑤由于激光测距仪及陀螺仪采集到的物理信息毛刺现象严重，因此需要进行滤波及多项式拟合处理，然后对得到的质心位移曲线进行求导，便得到了质心线速度，质心角速度可由陀螺仪直接采集得到；

⑥对比目标星实际及理论角速度和质心线速度。