CN108621202B - 多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，包括第一工业机器人、第二工业机器人、多臂空间机器人、服务星、目标星、力传感器和视觉系统和控制平台；第一工业机器人与服务星的一端连接；多臂空间机器人包括多个服务机械臂、多个末端工具和多臂空间机器人控制器，每个服务机械臂的一端都通过一力传感器与一末端工具连接，每个服务机械臂的另一端都连接在服务星的另一端，多臂空间机器人控制器与每个服务机械臂连接；视觉系统分别与服务星和服务机械臂连接；第二工业机器人与目标星连接，末端工具和目标星相隔预定距离时，末端工具对目标星进行在轨操作。本发明可模拟实现多臂空间机器人在轨目标抓捕、维修、精细操作等在轨操作任务。

Description

多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统

技术领域

本发明涉及航天器的在轨服务，特别是涉及一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统。

背景技术

为了确保在轨任务的成功执行，空间机器人发射前，必须通过充分的地面实验来验证和评估空间机器人的路径规划和控制算法。在地面进行实验验证，需要模拟空间的微重力环境，微重力环境的产生一般基于如下三种原理：1、自由落体运动，可形成失重环境，如在微重力塔中释放空间机器人；2、利用地球吸引力做匀速圆周运动，如在航天飞机或空间站上开展的微重力实验；3、利用平衡力抵消重力，如采用吊丝配重、气足支撑或中性液体的浮力抵消重力，也可形成微重力环境。国内外对此进行了研究，并成功建立了多套地面演示实验系统。到目前为止，主要有基于自由落体运动的微重力模拟实验系统、基于抛物线飞行的微重力模拟实验系统、平面气浮式实验系统、水浮实验系统、吊丝配重实验系统、硬件在环内(hardware in loop)仿真实验系统(数学模型与实物相结合的)。

每个实验系统有其各自的优缺点，必须经过认真分析选择相应的地面实验系统，以满足研究和运用的要求。硬件在环内仿真实验系统成本低、灵活性及可扩展性强、可模拟微重力环境下空间机器人的三维运动，特别是在预研阶段或研制初期，采用这种低成本的仿真实验系统可对关键算法进行功能的验证和性能的初步评估，为后期转入实际工程阶段奠定必要的基础，对于一般高校和实验室特别适用。

硬件在环内仿真实验系统采用原型样机与数学模型相结合的方式，也能进行微重力环境下的空间机器人地面仿真实验。该系统主要用于验证空间机器人的规划和控制方法，其基本原理是：通过精确的动力学模型，计算微重力环境下空间机器人的运动情况，再通过原型样机(或者采用运动学等效方式的工业机器人)来实现这一运动。硬件在环内仿真实验系统的实现建立在两个关键技术上：动力学模拟和运动学等效。所谓动力学模拟，即整个空间系统(空间基座、空间机械臂、空间目标)的运动根据其动力学模型计算得到，以模拟微重力环境下的空间系统行为。而运动学等效是指空间机器人末端的运动通过地面的工业机器人的末端实现，而目标的运动则通过地面的另一台工业机器人来实现。

现有的硬件在环内的空间机器人地面模拟系统只能模拟单臂空间机器人对目标的抓捕操作，而空间机器人现在发展趋势是多臂协同操作，单臂无法完成更复杂更精细的在轨操作任务。此外，现有的硬件在环内的空间机器人地面模拟系统中采用的两个工业机器人均安装在固定基座上，无法模拟服务星与目标星的从远到近的接近过程，且服务机械臂安装在固定基座上，工作空间有限，大大限制了机器人的操作运动范围。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，包括第一工业机器人、第二工业机器人、多臂空间机器人、服务星、目标星、力传感器和视觉系统；所述第一工业机器人与所述服务星的一端连接；所述多臂空间机器人包括多个服务机械臂、多个末端工具和多臂空间机器人控制器，所述末端工具和所述力传感器的数量分别与所述服务机械臂的数量相适应，每个服务机械臂的一端都通过一力传感器与一末端工具连接，每个服务机械臂的另一端都连接在所述服务星的另一端，所述多臂空间机器人控制器与每个所述服务机械臂连接，用于控制所述服务机械臂的运动；所述视觉系统分别与所述服务星和所述服务机械臂连接；所述第二工业机器人与所述目标星连接，所述末端工具和所述目标星相隔预定距离时，所述末端工具对所述目标星进行在轨操作。

优选地，所述第一工业机器人包括第一控制器、第一工业机器人手臂和第一基座，所述第一工业机器人手臂的一端与所述服务星的一端连接，所述第一工业机器人手臂的另一端与所述第一基座连接，所述第一控制器与所述第一工业机器人手臂连接，用于控制所述第一工业机器人手臂的运动；

所述第二工业机器人包括第二控制器、第二工业机器人手臂和第二基座，所述第二工业机器人手臂的一端与所述目标星连接，所述第二工业机器人手臂的另一端与所述第二基座连接，所述第二控制器与所述第二工业机器人手臂连接，用于控制所述第二工业机器人手臂的运动。

优选地，所述视觉系统包括全局相机和多个手眼相机，所述手眼相机的数量与所述服务机械臂的数量相适应；所述全局相机设置在所述服务星上，用于监视所述多臂空间机器人的工作过程；与所述力传感器连接的每个所述服务机械臂的一端还连接有所述手眼相机，所述手眼相机用于测量所述目标星和所述服务机械臂的位置和姿态。

优选地，还包括导轨组件，所述第一工业机器人的第一基座与所述导轨组件连接，所述第一工业机器人能在所述导轨组件上进行移动。

优选地，所述导轨组件包括导轨、支撑底座、齿轮齿条、伺服电机，所述导轨设置在所述支撑底座上，所述齿轮齿条设置在所述导轨上，所述第一基座与所述齿轮齿条连接，所述伺服电机分别与所述第一基座和所述齿轮齿条连接，所述伺服电机和齿轮齿条作为驱动部件带动所述第一基座在所述导轨上移动，从而带动所述第一工业机器人在所述导轨上移动。

优选地，还包括控制平台，所述第一工业机器人、所述第二工业机器人、所述多臂空间机器人、所述力传感器、所述视觉系统和所述导轨组件分别与所述控制平台连接。

优选地，所述控制平台包括主控计算机、以及分别与所述主控计算机网络连接的第一工业机器人上位机、第二工业机器人上位机、仿真显示计算机、视觉及力处理计算机和多臂空间机器人上位机；所述主控计算机还与所述导轨组件连接，所述第一工业机器人上位机与所述第一工业机器人连接，所述第二工业机器人上位机与所述第二工业机器人连接，所述多臂空间机器人上位机与所述多臂空间机器人连接，所述视觉及力处理计算机分别与所述力传感器和所述视觉系统连接。

优选地，所述第一工业机器人和所述第二工业机器人各自独立地具有：负载不低于200kg，自由度不少于6个。

优选地，所述支撑底座采用大理石制成。

优选地，所述多臂空间机器人为双臂空间机器人，包括两个服务机械臂，分别连接在所述服务星的另一端的两侧。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统采用“动力学模拟+运动学等效原理”，可模拟实现多臂空间机器人在轨目标抓捕、维修、精细操作等在轨操作任务。用两套工业机器人分别模拟服务星及目标星的运动，多臂空间机器人模拟多臂空间机器人对目标的操作，力传感器及视觉系统是传感部件。进一步地，各部分可以通过网络连接到控制平台，在控制台的统一协调控制下，完成在轨操作任务。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统的结构框图；

图2是本发明具体实施方式中的多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中的导轨的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式中的工业机器人的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中的服务星的结构示意图；

图6是本发明一优选实施方式中的多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统的结构框图；

图7是本发明一优选实施方式中的控制平台的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统包括第一工业机器人1、第二工业机器人2、多臂空间机器人8、服务星3、目标星4、力传感器5和视觉系统6；第一工业机器人1与服务星3的一端连接，多臂空间机器人8包括多个服务机械臂81、多个末端工具82和多臂空间机器人控制器83，末端工具82和力传感器5的数量分别与服务机械臂的数量相适应，每个服务机械臂81的一端都通过一力传感器与一末端工具82连接，每个服务机械臂81的另一端都连接在服务星3的另一端，多臂空间机器人控制器83与每个服务机械臂81连接连接，用于控制服务机械臂81的运动；视觉系统6分别与服务星3和服务机械臂81连接，第二工业机器人2与目标星4连接，末端工具82和目标星4相隔预定距离时，末端工具82对目标星4进行在轨操作。

如图2所示，第一工业机器人1包括第一控制器11、第一工业机器人手臂12和第一基座13，第一工业机器人手臂12的一端与服务星3的一端连接，第一工业机器人手臂12的另一端与第一基座13连接，第一控制器11用于控制第一工业机器人手臂12的运动。第二工业机器人2包括第二控制器21、第二工业机器人手臂22和第二基座23，第二工业机器人手臂22的一端与目标星4连接，第二工业机器人手臂22的另一端与第二基座23连接，第二控制器21用于控制第二工业机器人手臂22的运动。

本例中有两个服务机械臂、两个末端工具、两个力传感器，力传感器为六维腕力传感器，在对目标接触操作时，提供力反馈信息，避免力过大损坏目标和自己。其中，两个服务机械臂分别安装在服务星的两侧。视觉系统6包括全局相机61和手眼相机62，手眼相机62的数量与服务机械臂的数量相适应，在本例中，手眼相机62也为2个，在与力传感器5连接的每个服务机械臂81的那一端还连接有一手眼相机62，用于测量目标星4和服务机械臂81的位置和姿态。全局相机61设置在服务星3上，用于监视多个服务机械臂8的工作过程。

还包括导轨组件9，第一基座13与导轨组件9连接，第一工业机器人1能在导轨组件9上进行移动。

在优选的实施方式中，如图3所示，导轨组件9包括支撑底座91、齿轮齿条92、伺服电机93和导轨94，导轨94设在支撑底座91上，齿轮齿条92设置在导轨94上，第一基座13与齿轮齿条92连接，伺服电机93分别与第一基座13和齿轮齿条92连接，伺服电机93旋转带动齿轮齿条92运动，齿轮齿条92运动带动第一基座1运动，从而使得第一工业机器人1在导轨94上移动。

采用导轨，第一工业机器人手臂可在导轨上在水平面一个方向上进行运动，可以模拟服务星和目标星从远到近接近过程。

优选地，支撑底座采用大理石制成，这样不但美观且运行平稳不易变形。

优选地，第一工业机器人手臂和所述第二工业机器人手臂各自独立地具有：负载不低于200kg，自由度不少于6个。本例中为6自由度，如图4所示，为工业机器人的结构示意图。

为了完成对卫星目标的修复，微重力环境下自旋目标抓捕模拟实验是非常重要的，自旋目标抓捕模拟实验中对微重力环境下自旋目标运动的模拟是试验准确性和可靠性的关键的部分，这是因为自旋目标绕其旋转轴转动，其旋转轴也处于运动状态。采用基于6自由度的工业机器人的运动地面模拟方法继承了数字仿真的简便、灵活性高的优点和物理仿真的真实效果，且采用工业机器人代替三轴转台，具有更强的可实现性和经济效益。如图5所示，可以采用铝合金及工业铝型材加工完成服务星3的设计，图中31是帆板、32是对接环、33是发动机喷嘴、34是卫星框架，其中对接环根据GJB 4228-2001卫星与运载火箭对接尺寸图谱设计，在设计服务星时，考虑到机器人尺寸，设计了缩小版对接环，为了保其功能和加工精度等指标，同时考虑质量，外观，体积，选择铝合金材料作为结构本体的主要材料，卫星框架采用工业铝型材搭建框架。目标星的结构类似服务星，不再赘述。

在优选的实施方式中，如图6所示，多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统还包括控制平台7，第一工业机器人1、第二工业机器人2、多臂空间机器人8、力传感器5、视觉系统6和导轨组件9分别与控制平台7连接。具体来说，多臂空间机器人控制器83与控制平台7通信连接，用于根据控制平台7的指令来控制服务机械臂81的运动，第一工业机器人1中的第一控制器11与控制平台7通信连接，用于根据控制平台7的指令来控制第一工业机器人手臂12的运动；第二工业机器人2中的第二控制器21与控制平台7通信连接，用于根据控制平台7的指令来控制第二工业机器人手臂22的运动。视觉系统6中的全局相机61和每个手眼相机62均与控制平台7通信连接，导轨组件9中的伺服电机93与控制平台7通信连接。更优选地，如图7所示，控制平台7包括主控计算机71、以及分别与主控计算机71通过网络10相互通信连接的第一工业机器人上位机72、第二工业机器人上位机73、仿真显示计算机74、视觉及力处理计算机75和多臂空间机器人上位机76；结合图2和图3看，伺服电机93与主控计算机71通信连接，第一工业机器人上位机72与第一控制器11连接，第二工业机器人上位机73与第二控制器21连接，多臂空间机器人上位机76与多臂空间机器人控制器83连接，视觉及力处理计算机75分别与力传感器5和视觉系统6中的全局相机61和手眼相机62连接。主控计算机71主要负责开展在轨试验时，试验系统的信息采集、处理及任务规划，控制各机械臂的运动等，主控计算机71里设有力传感器的控制算法软件、地面总控软件、导轨组件控制软件、服务机械臂运动规划软件、目标动力学模型等；第一工业机器人上位机72和第二工业机器人上位机73的界面包括控制指令、状态显示、轨迹规划和接收传感器数据等，其中控制指令可实现设置运动方式、发送运动指令和紧急制动等功能，状态界面显示机器人期望位姿和实际位姿，轨迹规划设定机器人离线轨迹，传感器部分提供了上位机与力、视觉等传感器的网络接口，第一工业机器人上位机72中设有第一工业机器人运动等效软件等；第二工业机器人上位机73中设有第二工业机器人运动等效软件等；视觉及力处理计算机75中设有视觉测量软件、力测量软件等；仿真显示计算机74中设有服务机械臂图形仿真软件等。

在本发明的系统上，可进行微重力环境下的多臂空间机器人地面仿真实验，可对空间机器人在轨目标抓捕运动过程进行模拟试验，可模拟空间微重力环境下卫星的三维运动和姿态变化，支持多臂空间机器人、抓捕目标的六自由度动力学解算、六自由度运动学仿真；可验证和评估空间机器人在轨任务规划和控制算法。具体具备的功能包括：

1、双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统在进行空间机器人在轨操作任务时从远距离到近距离接近过程、近距离目标测量、对目标星(也称目标)抓捕、维修等在轨服务过程开展地面试验。

2、通过导轨组件带动第一工业机器人及服务星，能模拟卫星对目标从远距离到近距离的跟踪接近过程。

3、服务星及服务机械臂模拟多臂空间机器人对目标的抓捕及操作。

4、视觉系统可对目标进行三维位姿测量。

5、力传感器实时反馈末端工具与目标的接触力大小，多臂空间机器人的末端工具可对目标完成接触精细操作。

6、仿真显示计算机可通过仿真软件对整个系统的运动过程进行仿真显示。

7、第二工业机器人及目标星可对目标卫星自旋运动过程进行模拟。

由于多臂空间机器人与地面的工业机器人在构型上的差异，多臂空间机器人规划产生的关节角指令无法直接作用于工业机器人，末端等效转换模块接收到当前输出的多臂空间机器人的位姿和关节角信息后，首先通过运动学正解得到空间机器人末端的位姿信息，然后利用工业机器人进行运动学逆解，得到等效的工业机器人关节角指令，进行工业机器人的控制，其中的仿真、规划、图形显示等都是以多臂空间机器人为对象的，但是在实物试验系统中，用工业机器人来模拟抓捕过程，然后反馈的是真实的视觉测量信息和力信息，给多臂空间机器人仿真计算。软件运行流程如下：

1、主控计算机71接收到在轨操作(如抓捕)任务指令，规划目标星的运动，并将指令发送给第二工业机器人上位机73，第二工业机器人上位机73根据运动学等效原理控制第二控制器从而控制第二工业机器人手臂带动目标星4运动；

2、主控计算机71规划第一基座13的运动，发送指令给第一工业机器人上位机72和伺服电机93，第一工业机器人上位机72接收到当前输出的第一基座13的位姿信息后，利用工业机器人运动学逆解，得到工业机器人关节角指令，进行第一工业机器人1的控制，模拟多臂空间机器人的运动。

3、视觉及力处理计算机75实时根据全局相机61和手眼相机62采集的图片，对目标进行位姿测量，并将处理结果发送给主控计算机71；

4、主控计算机71根据视觉测量结果判断目标到达抓捕范围，规划控制多臂空间机器人8中的服务机械臂81对目标进行抓捕，发送抓捕运动指令给多臂空间机器人上位机76，多臂空间机器人上位机76接收到输出的服务机械臂81的关节角信息后，首先通过运动学正解得到末端工具82的位姿信息，然后利用机器人运动学逆解，得到等效的服务机械臂关节角指令，进行服务机械臂的控制，实现对目标抓捕和精细操作；

5、仿真显示计算机74接收主控计算机71发来的第一工业机器人1、第二工业机器人2、服务机械臂、目标星等的设备状态(如所有机器人的关节角度、导轨移动距离、视觉测量结果等)，实时对多臂空间机器人对目标的抓捕过程进行三维图形显示。

6、当视觉及力处理计算机75中的力测量软件显示服务机械臂上的末端工具82与目标的接触力达到抓捕预设值时，结束试验任务，完成对目标的抓捕。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于，包括第一工业机器人、第二工业机器人、双臂空间机器人、服务星、目标星、力传感器和视觉系统；

所述第一工业机器人与所述服务星的一端连接；

所述双臂空间机器人包括两个服务机械臂、两个末端工具和双臂空间机器人控制器，每个服务机械臂的一端都通过一力传感器与一末端工具连接，所述力传感器实时反馈末端工具与目标的接触力大小，所述双臂空间机器人的末端工具对目标完成接触精细操作，两个服务机械臂的另一端分别连接在所述服务星的另一端的两侧，所述双臂空间机器人控制器与每个所述服务机械臂连接，用于控制所述服务机械臂的运动；

所述视觉系统包括全局相机和手眼相机，所述视觉系统根据所述全局相机和手眼相机采集的图片对目标进行三维位姿测量；所述全局相机设置在所述服务星上，用于监视所述双臂空间机器人的工作过程；与所述力传感器连接的每个所述服务机械臂的一端连接一个手眼相机，所述手眼相机用于测量所述目标星和所述服务机械臂的位置和姿态；

所述第二工业机器人与所述目标星连接，所述末端工具和所述目标星相隔预定距离时，所述末端工具对所述目标星进行在轨操作。

2.如权利要求1所述的双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于：

所述第一工业机器人包括第一控制器、第一工业机器人手臂和第一基座，所述第一工业机器人手臂的一端与所述服务星的一端连接，所述第一工业机器人手臂的另一端与所述第一基座连接，所述第一控制器与所述第一工业机器人手臂连接，用于控制所述第一工业机器人手臂的运动；

所述第二工业机器人包括第二控制器、第二工业机器人手臂和第二基座，所述第二工业机器人手臂的一端与所述目标星连接，所述第二工业机器人手臂的另一端与所述第二基座连接，所述第二控制器与所述第二工业机器人手臂连接，用于控制所述第二工业机器人手臂的运动。

3.如权利要求2所述的双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于，还包括导轨组件，所述第一工业机器人的第一基座与所述导轨组件连接，所述第一工业机器人能在所述导轨组件上进行移动。

4.如权利要求3所述的双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于，所述导轨组件包括导轨、支撑底座、齿轮齿条、伺服电机，所述导轨设置在所述支撑底座上，所述齿轮齿条设置在所述导轨上，所述第一基座与所述齿轮齿条连接，所述伺服电机分别与所述第一基座和所述齿轮齿条连接，所述伺服电机和齿轮齿条作为驱动部件带动所述第一基座在所述导轨上移动，从而带动所述第一工业机器人在所述导轨上移动。

5.如权利要求3所述的双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于，还包括控制平台，所述第一工业机器人、所述第二工业机器人、所述双臂空间机器人、所述力传感器、所述视觉系统和所述导轨组件分别与所述控制平台连接。

6.如权利要求5所述的双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于，所述控制平台包括主控计算机、以及分别与所述主控计算机网络连接的第一工业机器人上位机、第二工业机器人上位机、仿真显示计算机、视觉及力处理计算机和双臂空间机器人上位机；

所述主控计算机还与所述导轨组件连接，所述第一工业机器人上位机与所述第一工业机器人连接，所述第二工业机器人上位机与所述第二工业机器人连接，所述双臂空间机器人上位机与所述双臂空间机器人连接，所述视觉及力处理计算机分别与所述力传感器和所述视觉系统连接。

7.如权利要求1或2所述的双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于，所述第一工业机器人和所述第二工业机器人各自独立地具有：负载不低于200kg，自由度不少于6个。

8.如权利要求4所述的双臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，其特征在于，所述支撑底座采用大理石制成。

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