CN108394571B - 模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法 - Google Patents

Abstract

模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法，属机器人领域。该系统的柔性表面（11）的测试接触反面均匀贴有呈阵列分布的电阻应变片(9)。柔性表面(11)的弯曲会导致电阻应变片(9)电阻变化，通过传感数据采集系统采集电阻应变片(9)电阻变化值间接测量柔性表面(11)弯曲曲率，结合材料柔性表面(11)弹性模量间接测到该处柔性表面(11)的弯矩和力，通过确定的电阻应变片(9)在柔性表面(11)平面分布位置，即可求得柔性表面的各处的弯矩和力值。本发明结构简单、运动原理清晰、运动实现方便。

Description

模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法。

背景技术

自1956年前苏联发射第一颗人造卫星以来，人类的生活越来越多地受益于航天技术的发展。航天技术深刻地改变了人类的生活，代表了国家科技实力和综合国力，同时关系到国家经济利益和国防安全，也影响了世界各国的空间安全观。航天技术的前沿领域包括在轨服务，深空探测等，其中在轨服务指通过人、机器人或两者协同在空间完成对航天器故障维修、延寿、任务执行能力提升的空间操作，主要包括在轨装配、在轨检测维护和后勤支持等服务任务。应用于空间在轨服务的空间机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一。

因此，地面模拟微重力环境开展前期空间机器人地面实验研究，对空间机器人在轨实际应用具有重要意义和实用价值。特别是未来采用空间粘附机器人，如在卫星太阳帆、薄膜天线、薄膜电池阵、外表面柔性保护层等表面粘附移动作业时，在代替宇航员完成重要的在轨维护任务方面起到具有重要作用。

国内外一般采用悬挂法、气浮法、水浮法来尽可能模拟空间微重力环境。目前针对足式粘附机器人在微重力环境下的模拟方式，主要通过气球悬挂方式抵消重力作用的影响，开展硬质地面的水平面上的观测机器人运动（国家发明专利：戴振东，汪中原，孙功勋.仿壁虎机器人在微重力环境下的实验系统及地面实验方法. 专利申请号：CN201510273695.5）。申请人曾针对仿壁虎空间机器人在微重力下的飞行过程中姿态调控与着陆瞬间粘附的科学问题研究，提出了相关的飞行姿态调控与着陆的实验系统及方法，（国家发明专利：俞志伟，戴振东，杨斌，吉爱红，汪中原. 仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统及方法. 专利申请号：CN201510096242.X），但未提出真正在柔性表面上足式粘附运动的测试方法。

目前为止，针对地面模拟微重力环境下在柔性表面(如卫星太阳帆、薄膜天线、薄膜电池阵、卫星外表面柔性保护层)上的足式粘附运动测试系统还尚未报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在地面可模拟微重力环境下足式粘附运动在柔性表面的力学与行为测试系统。

所述的一种模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法，其特征在于：

该系统主体结构包括平台基座、支撑标尺杆和支撑顶板，其中平台基座水平放置，支撑标尺杆垂直固定于平台基座上，支撑顶板水平放置并固定于支撑标尺杆顶端；支撑座一端与支撑顶板固定，支撑座与柔性表面之间通过铰链连接，角度传感器与铰链同轴固定；柔性表面的测试接触反面均匀贴有呈阵列分布的电阻应变片，微惯性导航模块固定于柔性表面的底端；微惯性导航模块、电阻应变片、角度传感器分别与传感数据采集系统通过数据总线连接；传感数据采集系统与计算机控制终端通过数据总线通讯；X向滑动块顶端与支撑顶板之间具有沿X方向的移动副；X向滑动块底端固定了I号定滑轮和II号定滑轮，I号定滑轮和II号定滑轮保持相同水平高度；X向高速摄像机固定在X向三脚架上，X向高速摄像机沿X轴对准柔性表面； Y向高速摄像机固定于支撑顶板上，Y向高速摄像机沿Y轴对准柔性表面竖直侧面；Z向高速摄像机固定在Z向三脚架上，Z向高速摄像机沿Z轴对准柔性表面水平侧面；X向高速摄像机、Y向高速摄像机和Z向高速摄像机分别与计算机控制终端通过数据总线相连；细绳一端连接足式机器人主体，细绳另一端依次缠绕经过II号定滑轮和I号定滑轮，连接配重物；足式机器人主体安装有机器人无线通讯模块；计算机控制终端与上位机无线通讯模块相连，上位机无线通讯模块与机器人无线通讯模块保持无线通讯；足式机器人主体尾部连接尾巴；光源固定于支撑顶板底面，方向对准柔性表面和足式机器人主体。以此类推，细绳一端连接背带，细绳另一端依次缠绕经过II号定滑轮和I号定滑轮，连接配重物；背带可安装在四足粘附动物上，进行关于四足粘附动物的力学和行为测试。

所述的模拟微重力下柔性表面粘附运动的测量方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将足式机器人主体或安装背带的四足粘附动物 (如仿壁虎机器人或生物壁虎)悬挂在细绳一端、细绳另一端系在配重物, 配重物和被测物体重量相等,构成模拟微重力环境条件；

步骤2、使X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机均对准被测物体及其观测区域，通过计算机控制终端高速记录被测物体在X、Y和Z轴向运动视频图像信息；

步骤3、计算机控制终端通过上位机无线通讯模块发送信号到机器人无线通讯模块，控制足式机器人主体的四肢和尾巴的运动形式；

步骤4、柔性表面上面均布相同的电阻应变片，组成m×n阵列，柔性表面的弯曲会导致电阻应变片电阻变化，采用传统的实验标定方法，获得电阻应变片电阻变化值和柔性表面弯曲曲率关系，因此通过传感数据采集系统采集电阻应变片电阻变化值间接测量柔性表面弯曲曲率，同时基于材料力学模型和计算公式，结合柔性表面材料的弹性模量间接计算出该处柔性表面的弯矩和力，通过确定的电阻应变片在柔性表面平面分布位置，即可求得柔性表面的各处弯矩和力值；

步骤5、由于粘附运动会引起柔性表面摆动，在铰链处安装角度传感器，通过传感数据采集系统可检测柔性表面摆动角度值；同时柔性表面底端的微惯性导航模块获取摆动过程中的加速度值和末端姿态角度，通过传感数据采集系统采集后，被计算机控制终端读取；

步骤6、通过X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机、计算机控制终端和传感数据采集系统，记录了足式机器人主体或四足粘附动物多种运动步态和柔性表面的弯矩和力、摆动加速度和摆动角度，可开展模板微重力下的粘附运动测试；

步骤7、通过传感数据采集系统获取的柔性表面的弯矩和力、摆动加速度和摆动角度作为运动传感反馈数据，由计算机控制终端采取相对应的运动步态数据，调控足式机器人主体的四肢运动形式和尾巴摆动方式，达到保持柔性表面振颤幅度小的控制目标。

所述的模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法，可应用于观测四足粘附动物在模拟微重力下的运动形式的图像记录和柔性表面弯矩和力、摆动加速度和摆动角度关系；也可基于采集的柔性表面弯矩和力、摆动加速度和摆动角度反馈，来调控足式机器人主体的四肢运动形式和尾巴摆动方式，在模拟微重力下的达到柔性表面振颤幅度小的控制目标，有助于未来空间粘附机器人在微重力环境下柔性表面(如卫星太阳帆、薄膜天线、薄膜电池阵、卫星外表面柔性保护层)上的粘附运动调控技术储备和地面仿真演示。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明针对微重力环境下空间足式机器人在柔性表面粘附运动时的性能测试需求，巧妙地设计了悬挂带有多传感信息装置的柔性表面，采用悬挂配重方式平衡被测物体，采用3维图像和视频采集装置进行力学和行为的同步跟踪、采集和处理数据，填补了该领域内测试方法的空白。

2、本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，满足空间足式机器人和四足粘附动物在柔性表面行走时的性能分析要求，提高了地面模拟微重力环境下的空间足式机器人在柔性表面粘附运动的实验测试性能。

3、本发明记录了四足机器人及四足粘附动物的视频图像、柔性表面摆动角度信号、柔性表面变形和受力信号、柔性表面末端加速度和姿态信号，为四足机器人及四足粘附动物的进一步实验分析提供充足的传感数据，为空间机器人微重力环境下在柔性表面粘附运动性能测试提供了有利途径和良好的实验设备。

为此，我们在生物粘附运动的仿生基础上，开展地面模拟微重力环境下，在柔性表面上进行四足粘附运动实验和四足粘附动物（如壁虎）的运动机理研究，在国内外属于前瞻性研究，设计的模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法将具有一定创新性，开展的地面模拟微重力环境下在柔性表面上的四足粘附运动的力学和行为测试研究，其相关科学问题的研究预计可取得国际领先成果。

附图说明

图1是本发明模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台框图I；

图2是本发明模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台框图II。

上述图中标号名称：1、X向高速摄像机、2、X向三脚架、3、Z向高速摄像机、4、Z向三脚架、5、上位机无线通讯模块、6、计算机控制终端、7、传感数据采集系统、8、微惯性导航模块、9、电阻应变片、10、支撑标尺杆、11、柔性表面、12、铰链、13、角度传感器、14、支撑座、15、Y向高速摄像机、16、支撑顶板、17、光源、18、X向滑动块、19、I号定滑轮、20、II号定滑轮、21、配重物、22、细绳、23、足式机器人主体、24、机器人无线通讯模块、25、尾巴、26、平台基座、27、背带、28、四足粘附动物。

图中X向为柔性表面法向方向；Y向为针对重力方向；Z向为针对水平方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图1，本实施例为一种模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台，包括X向高速摄像机1、X向三脚架2、Z向高速摄像机3、Z向三脚架4、上位机无线通讯模块5、计算机控制终端6、传感数据采集系统7、微惯性导航模块8、电阻应变片9、支撑标尺杆10、柔性表面11、铰链12、角度传感器13、支撑座14、Y向高速摄像机15、支撑顶板16、光源17、X向滑动块18、I号定滑轮19、II号定滑轮20、配重物21、细绳22、足式机器人主体23、机器人无线通讯模块24、尾巴25、平台基座26组成。

如图1所示，所述的一种模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台，其特征在于：该系统主体结构包括平台基座26、支撑标尺杆10和支撑顶板16，其中平台基座26水平放置，支撑标尺杆10垂直固定于平台基座26上，支撑顶板16水平放置并固定于支撑标尺杆10顶端；支撑座14一端与支撑顶板16固定，支撑座14与柔性表面11之间通过铰链12连接，角度传感器13与铰链12同轴固定；柔性表面11的测试接触反面均匀贴有呈阵列分布的电阻应变片9，微惯性导航模块8固定于柔性表面11的底端；微惯性导航模块8、电阻应变片9、角度传感器13分别与传感数据采集系统7通过数据总线连接；传感数据采集系统7与计算机控制终端6通过数据总线通讯；X向滑动块18顶端与支撑顶板16之间具有沿X方向的移动副；X向滑动块18底端固定了I号定滑轮19和II号定滑轮20，I号定滑轮19和II号定滑轮20保持相同水平高度；X向高速摄像机1固定在X向三脚架2上，X向高速摄像机1沿X轴对准柔性表面11； Y向高速摄像机14固定于支撑顶板16上，Y向高速摄像机14沿Y轴对准柔性表面11竖直侧面；Z向高速摄像机3固定在Z向三脚架4上，Z向高速摄像机3沿Z轴对准柔性表面11水平侧面；X向高速摄像机1、Y向高速摄像机14和Z向高速摄像机3分别与计算机控制终端6通过数据总线相连；细绳22一端连接足式机器人主体23，细绳22另一端依次缠绕经过II号定滑轮20和I号定滑轮19 ，连接配重物21 ；足式机器人主体23安装有机器人无线通讯模块24；计算机控制终端6与上位机无线通讯模块5相连，上位机无线通讯模块5与机器人无线通讯模块24保持无线通讯；足式机器人主体23尾部连接尾巴25；光源17固定于支撑顶板16底面，方向对准柔性表面11和足式机器人主体23。

结合图2，本实施例为一种模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台，包括X向高速摄像机1、X向三脚架2、Z向高速摄像机3、Z向三脚架4、上位机无线通讯模块5、计算机控制终端6、传感数据采集系统7、微惯性导航模块8、电阻应变片9、支撑标尺杆10、柔性表面11、铰链12、角度传感器13、支撑座14、Y向高速摄像机15、支撑顶板16、光源17、X向滑动块18、I号定滑轮19、II号定滑轮20、配重物21、细绳22、平台基座26、背带27、四足粘附动物28组成。

如图2所示，所述的一种模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法，其特征在于：该系统主体结构包括平台基座26、支撑标尺杆10和支撑顶板16，其中平台基座26水平放置，支撑标尺杆10垂直固定于平台基座26上，支撑顶板16水平放置并固定于支撑标尺杆10顶端；支撑座14一端与支撑顶板16固定，支撑座14与柔性表面11之间通过铰链12连接，角度传感器13与铰链12同轴固定；柔性表面11的测试接触反面均匀贴有呈阵列分布的电阻应变片9，微惯性导航模块8固定于柔性表面11的底端；微惯性导航模块8、电阻应变片9、角度传感器13分别与传感数据采集系统7通过数据总线连接；传感数据采集系统7与计算机控制终端6通过数据总线通讯；X向滑动块18顶端与支撑顶板16之间具有沿X方向的移动副；X向滑动块18底端固定了I号定滑轮19和II号定滑轮20，I号定滑轮19和II号定滑轮20保持相同水平高度；X向高速摄像机1固定在X向三脚架2上，X向高速摄像机1沿X轴对准柔性表面11； Y向高速摄像机14固定于支撑顶板16上，Y向高速摄像机14沿Y轴对准柔性表面11竖直侧面；Z向高速摄像机3固定在Z向三脚架4上，Z向高速摄像机3沿Z轴对准柔性表面11水平侧面；X向高速摄像机1、Y向高速摄像机14和Z向高速摄像机3分别与计算机控制终端6通过数据总线相连；细绳22一端连接背带27，细绳22另一端依次缠绕经过II号定滑轮20和I号定滑轮19 ，连接配重物21 ；背带27安装在四足粘附动物28上；光源17固定于支撑顶板16底面，方向对准柔性表面11和四足粘附动物28。

所述的模拟微重力下柔性表面粘附运动的测量方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将足式机器人主体23或安装背带27的四足粘附动物28 (如仿壁虎机器人或生物壁虎)悬挂在细绳22一端、细绳22另一端系在配重物21, 配重物21和被测物体重量相等,构成模拟微重力环境条件；

步骤2、使X向高速摄像机1、Y向高速摄像机14、Z向高速摄像机3均对准被测物体及其观测区域，通过计算机控制终端6高速记录被测物体在X、Y和Z轴向运动视频图像信息；

步骤3、计算机控制终端6通过上位机无线通讯模块5可控制足式机器人主体23的四肢和尾巴25的运动形式；

步骤4、柔性表面11上面均布相同的电阻应变片9有（m×n）若干个，柔性表面11的弯曲会导致电阻应变片9电阻变化，采用传统的实验标定方法，获得电阻应变片9电阻变化值和柔性表面11弯曲曲率关系，因此通过传感数据采集系统7采集电阻应变片9电阻变化值可间接测量柔性表面11弯曲曲率，同时基于材料力学模型和计算公式，结合柔性表面11材料的弹性模量可以间接计算出该处柔性表面11的弯矩和力，通过确定的电阻应变片9在柔性表面11平面分布位置，即可求得柔性表面11的各处弯矩和力值；

步骤5、由于粘附运动会引起柔性表面11摆动，在铰链12处安装角度传感器13，通过传感数据采集系统7可检测柔性表面11摆动角度值；同时柔性表面11底端的微惯性导航模块8获取摆动过程中的加速度值和末端姿态角度，通过传感数据采集系统7采集后，被计算机控制终端6读取；

步骤6、通过X向高速摄像机1、Y向高速摄像机14、Z向高速摄像机3、计算机控制终端6和传感数据采集系统7，记录了足式机器人主体23或四足粘附动物28多种运动步态和柔性表面11的弯矩和力、摆动加速度和摆动角度，可开展模板微重力下的粘附运动测试；

步骤7、通过传感数据采集系统7获取的柔性表面11的弯矩和力、摆动加速度和摆动角度作为运动传感反馈数据，由计算机控制终端6采取相对应的运动步态数据，调控足式机器人主体23的四肢运动形式和尾巴25摆动方式，达到保持柔性表面11振颤幅度小的控制目标。

所述的模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台与测量方法，可应用于观测四足粘附动物28在模拟微重力下的运动形式的图像记录和柔性表面11弯矩和力、摆动加速度和摆动角度关系；也可基于采集的柔性表面11弯矩和力、摆动加速度和摆动角度反馈，来调控足式机器人主体23的四肢运动形式和尾巴25摆动方式，在模拟微重力下的达到柔性表面11振颤幅度小的控制目标，有助于未来空间粘附机器人在微重力环境下柔性表面(如卫星太阳帆、薄膜天线、薄膜电池阵、卫星外表面柔性保护层)上的粘附运动调控技术储备和地面仿真演示。

Claims (4)

1.一种模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台，对足式机器人或四足粘附动物进行试验，其特征在于：

该测试平台包括平台基座（26）、支撑标尺杆（10）和支撑顶板(16)；其中平台基座(26)水平放置，支撑标尺杆(10)垂直固定于平台基座(26)上，支撑顶板(16)水平放置并固定于支撑标尺杆(10)顶端；

该测试平台还包括支撑座(14)和柔性表面（11）；其中支撑座(14)一端与支撑顶板(16)固定，支撑座(14)另一端与柔性表面(11)上端通过铰链(12) 连接，且铰链(12)轴线与支撑顶板(16)平行，柔性表面(11)下端为自由端；上述铰链(12)同轴安装角度传感器(13)；上述柔性表面(11)的测试接触反面均匀贴有呈阵列分布的电阻应变片(9)，上述柔性表面(11)底端还安装有微惯性导航模块(8)；上述角度传感器(13)、电阻应变片(9)和微惯性导航模块(8)分别与传感数据采集系统(7)通过数据总线连接；传感数据采集系统(7)与计算机控制终端(6)通过数据总线通讯；

该测试平台还包括X向滑动块(18)、I号定滑轮(19)、II号定滑轮(20)、细绳(22)、配重物(21)和无线通讯模块(24)；其中X向滑动块(18)安装于支撑顶板(16)，X向滑动块(18)顶端与支撑顶板(16)之间具有沿X方向的移动副；I号定滑轮(19)和II号定滑轮(20)保持相同水平高度，它们固定于X向滑动块(18)底端；无线通讯模块(24)安装于足式机器人或四足粘附动物身上；计算机控制终端（6）与上位机无线通讯模块(5)相连，上位机无线通讯模块(5)与机器人无线通讯模块(24)保持无线通讯；细绳(22)一端连接足式机器人主体(23)或通过背带连接四足粘附动物(28)，另一端依次缠绕经过II号定滑轮(20)和I号定滑轮(19)，连接配重物(21)；

该测试平台还包括X向高速摄像机(1)、Y向高速摄像机(15)、Z向高速摄像机(3)；其中X向高速摄像机(1)沿X轴对准柔性表面(11)， Y向高速摄像机(15)沿Y轴对准柔性表面(11)竖直侧面，Z向高速摄像机(3)沿Y轴对准柔性表面(11)水平侧面；X向高速摄像机(1)、Y向高速摄像机(15)和Z向高速摄像机(3)分别与计算机控制终端(6)通过数据总线相连。

2.利用权利要求1所述模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台的测试方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将足式机器人主体(23)或安装背带（27）的四足粘附动物(28)悬挂在细绳(22)一端、细绳(22)另一端系在配重物(21), 配重物(21)和被测物体重量相等,构成模拟微重力环境条件；

步骤2、使X向高速摄像机(1)、Y向高速摄像机(15)、Z向高速摄像机(3)均对准被测物体及其观测区域，通过计算机控制终端(6)高速记录被测物体在X、Y和Z轴向运动视频图像信息；

步骤3、计算机控制终端(6)通过上位机无线通讯模块(5)发送信号到机器人无线通讯模块(24)，控制足式机器人主体(23)的四肢和尾巴(25)的运动形式；

步骤4、柔性表面(11)上均布相同的电阻应变片(9)，组成m×n阵列，柔性表面(11)的弯曲会导致电阻应变片(9)电阻变化，通过传感数据采集系统采集电阻应变片(9)电阻变化值间接测量柔性表面(11)弯曲曲率，结合材料柔性表面(11)弹性模量间接测到该处柔性表面(11)的弯矩和力，通过确定的电阻应变片(9)在柔性表面(11)平面分布位置，即可求得柔性表面的各处的弯矩和力值；

步骤5、由于粘附运动会引起柔性表面(11)摆动，在铰链（12）处安装角度传感器（13），通过传感数据采集系统（7）检测柔性表面（11）摆动角度值；同时柔性表面（11）底端的微惯性导航模块（8）获取摆动过程中的加速度值和末端姿态角度，通过传感数据采集系统（7）采集后，被计算机控制终端（6）读取；

步骤6、通过X向高速摄像机(1)、Y向高速摄像机(15)、Z向高速摄像机(3)、计算机控制终端（6）和传感数据采集系统（7），记录了足式机器人主体（23）或四足粘附动物（28）的多种运动步态和柔性表面（11）的弯矩和力、摆动加速度和摆动角度。

3.根据权利要求2所述的利用模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台的测试方法，其特征在于包括以下过程：

利用步骤6所获取的柔性表面（11）的弯矩和力、摆动加速度和摆动角度，以及足式机器人主体（23）或四足粘附动物（28）多种运动步态视频进行模拟微重力下的粘附运动测试。

4.根据权利要求2所述的利用模拟微重力下柔性表面粘附运动的测试平台的测试方法，其特征在于包括以下过程：

利用步骤6所获取的柔性表面（11）的弯矩和力、摆动加速度和摆动角度，作为运动传感反馈数据，由计算机控制终端（6）采取相对应的运动步态数据，调控足式机器人主体（23）的四肢运动形式和尾巴（25）摆动方式，达到保持柔性表面（11）振颤幅度小的控制目标。

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