CN109367828B - 一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统及应用方法，地面物理验证系统包括试验台、第一本体、第二本体、空间机械臂、弹射装置、锁紧机构、抛射物、气足和供气系统；试验台为光滑平台，第一本体、第二本体、空间机械臂、抛射物和弹射装置通过气足支撑；试验开始时，锁紧机构锁紧抛射物，抛射时，锁紧机构打开，抛射物被弹射装置弹出，第二本体实时测量抛射物的速度、位置和姿态信息，第一本体实时测量空间机械臂的速度、位置和姿态信息，以验证空间机器人臂载抛射过程是否达到预期效果。本发明能够在地面降维度模拟空间机器人臂载抛射过程及抛射后漂浮基空间机器人位姿变化情况，验证空间机器人臂载抛射控制算法的可行性和有效性。

Description

一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统及应用方法

技术领域

本发明涉及一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，属于空间机器人地面试验验证领域。

背景技术

由于空间机器人空间作业的模拟试验需要在地面进行，因此空间机器人地面试验验证系统要在地面模拟太空的微重力环境，通过各种重力补偿的方式抵消空间机器人所受到的重力影响，模拟验证空间机器人各关节的活动能力、整体运动性能等指标,并进行机器人空间作业的模拟试验。一方面验证空间系统上所采用的理论、方法是否合理，为下一步的空间实验提供依据；另一方面及时发现结构、性能等方面的缺陷或故障，并进行改进和完善，保证机器人在太空环境中能执行并完成各种规划任务。

随着航天技术的不断发展，机器人臂载抛射在空间中的应用越来越多，如何在地面验证空间机器人臂载抛射控制算法的可行性和有效性，就变得愈加迫切。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统及应用方法，能够在地面降维度模拟空间机器人臂载抛射过程及抛射后漂浮基空间机器人位姿变化情况，验证空间机器人臂载抛射控制算法的可行性和有效性。

本发明的技术解决方案是：

一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，包括试验台、第一本体、第二本体、空间机械臂、弹射装置、锁紧机构、抛射物、气足和供气系统；

试验台为光滑平台，气足位于试验台上，第一本体、第二本体、空间机械臂、抛射物和弹射装置通过气足支撑；

空间机械臂基座固定在第一本体上，空间机械臂末端与弹射装置连接，锁紧机构一端与弹射装置连接，另一端用于抱紧或松开抛射物，抛射物同时固定在第二本体上；供气系统用于为气足供气；

试验开始时，锁紧机构锁紧抛射物，抛射时，锁紧机构打开，抛射物被弹射装置弹出，第二本体实时测量抛射物的速度、位置和姿态信息，第一本体实时测量空间机械臂的速度、位置和姿态信息，以验证空间机器人臂载抛射过程是否达到预期效果。

还包括控制器和人机交互单元；

用户根据需要通过人机交互单元向控制器输入机械臂关节角、电机转动角度及锁紧机构打开或锁紧指令；控制器根据上述指令控制机械臂各个关节运动、电机转动及锁紧机构打开或锁紧，并把机械臂各个关节角、电机转动角度及锁紧机构打开或锁紧状态实时反馈给人机交互单元显示；

同时人机交互单元能够实时接收第二本体及第一本体的测量信息并显示。

所述弹射装置包括电机、滚珠丝杠副、弹簧机构和外壳，外壳与空间机械臂的末端连接，电机固定在外壳内部，电机输出轴与滚珠丝杠副一端连接，滚珠丝杠副另一端与弹簧机构连接；电机、滚珠丝杠副和弹簧机构均位于外壳内部。

控制器与人机交互单元之间，人机交互单元与第一本体之间、人机交互单元与第二本体之间均通过EtherCAT网络通信。

第一本体中安装有第一惯性测量单元，用于实时测量空间机械臂的速度、位置和姿态信息；第二本体中安装有第二惯性测量单元，用于实时测量抛射物的速度、位置和姿态信息。

试验台由大理石材料铺成，平面度为1μm/m。

试验台边缘处安装物理限位装置。

第一本体、第二本体下面分别安装3个圆形气足，每个圆形气足的节流孔沿气足边缘均匀分布，第一本体的3个圆形气足位于以第一本体下表面中心为内心的等边三角形三个顶点上，第二本体的3个圆形气足位于以第二本体下表面中心为内心的等边三角形三个顶点上。

空间机械臂下方的气足位于

关节处，n为空间机械臂的自由度。

所述地面物理验证系统的应用方法，包括如下步骤：

步骤一、在试验台上，通过供气系统为气足供气，气足底部喷出一定压力压缩空气，从而产生微重力、无摩擦的实验环境。

步骤二、通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构打开指令，控制器控制锁紧机构打开，将抛射物放置在锁紧机构工作范围；

步骤三、通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构锁紧指令，控制器控制锁紧机构锁紧，锁紧机构将抛射物锁紧；

步骤四、通过人机交互单元向控制器输入电机转动角度值，控制器控制电机转动，带动滚珠丝杠副产生位移，压缩弹簧机构；

步骤五、当弹簧机构压缩达到预期值，通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构打开指令，控制器控制锁紧机构打开，利用弹簧机构作用力弹出抛射物；

步骤六、第二本体实时测量抛射物的速度、位置和姿态信息，第一本体实时测量空间机械臂的速度、位置和姿态信息，并将测量信息实时反馈给人机交互单元显示，以验证控制器中的臂载抛射控制算法是否达到预期效果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对空间机器人臂载抛射应用设计地面物理验证系统，能够降维度模拟空间机器人臂载抛射过程及抛射后漂浮基空间机器人位姿变化情况，验证空间机器人臂载抛射控制算法的可行性和有效性。

(2)本发明针对臂载抛射应用，设计一种可变抛射力锁紧机构，能够动态调节臂载抛射力，增大了本发明的适用性。

(3)本发明试验台由大理石材料铺成，平面度达到1μm/m，大理石材料应力变形小，结构尺寸稳定，且测量容易实现，维护方便。另外，试验台边缘安装物理限位装置，以防止由于控制等原因造成机器人运动过界而破坏平台或损坏自身结构。

(4)本发明气足安装位置及布局，能够以较少数量的气足实现空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统的微重力模拟，降低了系统的成本，增大了本发明的易用性。

附图说明

图1为本发明系统组成框图；

图2为本发明控制框图。

具体实施方式

通常可供采用的重力补偿方式主要有气浮方式、吊丝配重、水浮方式，以及自由落体方式。这几种重力补偿方式的区别明显，其补偿效果也各不相同。吊丝配重是一种广泛采用的重力补偿方式，通过滑轮组利用配重物的重量来补偿机器人的重力影响，具有费用低、易维护等特点。但吊丝配重难以完全补偿重力影响，使部分驱动力较小的关节的运动受到限制，另外吊丝也会导致系统运动过程中的晃动，影响机械臂定位精度。水浮实验系统是通过水或其他液体的浮力来补偿机器人的重力影响，从而实现空间机器人三维工作空间上的物理仿真。但是水浮实验系统建造费用高、实验时需要保证系统的密封性。物体在做自由落体运动时处于失重状态，因此通过自由落体运动可以得到很好的微重力环境。但是，自由落体方式的微重力实验系统造价昂贵，维护费用高，工作时间短，其应用受到很大限制。

气浮实验系统具有建造周期短、费用低和易于实现等特点，目前，空间机械臂的气浮试验主要针对机械臂本身的负载能力、定位精度、抓捕能力等进行试验，并没有针对空间机器人臂载抛射应用的气浮实验系统。

本发明为了解决在地面重力环境中模拟微重力环境臂载抛射过程及抛射后漂浮基空间机器人位姿变化情况的问题，提出了一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，能够降维度模拟空间机器人臂载抛射过程及抛射后漂浮基空间机器人位姿变化情况，验证空间机器人臂载抛射控制算法的可行性和有效性。

如图1所示，包括试验台1、第一本体2、第二本体3、空间机械臂6、弹射装置7、锁紧机构10、抛射物8、气足9、供气系统、控制器和人机交互单元。

试验台1为光滑平台，气足位于试验台1上，第一本体2、第二本体3、空间机械臂6、抛射物8和弹射装置7通过气足支撑。

第一本体2、第二本体3下面分别安装3个圆形气足，每个圆形气足的节流孔沿气足边缘均匀分布，第一本体2的3个圆形气足位于以第一本体2下表面中心为内心的等边三角形三个顶点上，第二本体3的3个圆形气足位于以第二本体3下表面中心为内心的等边三角形三个顶点上。

空间机械臂6基座通过轴承固定在第一本体2上，空间机械臂6末端与弹射装置7连接，锁紧机构10一端与弹射装置7连接，另一端用于抱紧或松开抛射物8，抛射物8通过轴承固定在第二本体3上。供气系统的作用是为气足提供稳定干燥的气源，气体由气泵进入系统,最终通过软管送至气足。

弹射装置7包括电机74、滚珠丝杠副71、弹簧机构72和外壳73，外壳与空间机械臂的末端连接，电机74固定在弹射装置外壳73内部，电机74输出轴与滚珠丝杠副71一端连接，滚珠丝杠副71另一端与弹簧机构72连接。电机74、滚珠丝杠副71和弹簧机构72均位于外壳73内部。弹射装置利用电机带动滚珠丝杠副对弹簧机构进行压缩，压缩量可控，通过控制压缩量可使抛射物具有不同的初速度。

第一本体2的中心位置安装有第一惯性测量单元4，用于实时测量空间机械臂6的速度、位置和姿态信息；第二本体3的中心位置安装有第二惯性测量单元5，用于实时测量抛射物8的速度、位置和姿态信息。

如图2所示，人机交互单元包括指令输入模块及数据显示模块。用户根据需要通过人机交互单元向控制器输入机械臂关节角、电机转动角度及锁紧机构打开或锁紧指令；控制器通过EtherCAT通信模块接收人机交互单元发送的机械臂各个关节角指令，控制机械臂各个关节单独运动，通过EtherCAT通信模块接收来自人机交互单元的锁紧机构打开/锁紧指令，控制锁紧机构实现打开/锁紧运动；通过EtherCAT通信模块接收来自人机交互单元的电机转动角度值，控制电机运动；并把机械臂各个关节角、电机转动角度及锁紧机构打开或锁紧状态实时反馈给人机交互单元显示。同时人机交互单元能够实时接收第二本体及第一本体的测量信息并显示。

试验开始时，锁紧机构10锁紧抛射物8，抛射时，锁紧机构10打开，抛射物8被弹射装置7弹出，第二本体3实时测量抛射物8的速度、位置和姿态信息，第一本体2实时测量空间机械臂6的速度、位置和姿态信息，以验证空间机器人臂载抛射过程是否达到预期效果。

本发明中，试验台由大理石材料铺成，平面度达到1μm/m，大理石材料应力变形小，结构尺寸稳定，且测量容易实现，维护方便。另外，试验台外部边缘安装物理限位装置，以防止由于控制等原因造成机器人运动过界而破坏平台或损坏自身结构。

空间机械臂6下方的气足位于

关节处，n为空间机械臂6的自由度。如六自由度机械臂三关节下方布置一个气足，用于支撑长臂杆。弹射装置下方布置一个气足，用于支撑小臂杆及弹射装置重力。

本发明地面物理验证系统的应用方法，包括如下步骤：

步骤一、在试验台上，通过供气系统为气足供气，气足底部喷出一定压力压缩空气，从而产生微重力、无摩擦的实验环境。

步骤二、通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构打开指令，控制器控制锁紧机构打开，将抛射物放置在锁紧机构工作范围；

步骤三、通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构锁紧指令，控制器控制锁紧机构锁紧，锁紧机构将抛射物锁紧；

步骤四、通过人机交互单元向控制器输入电机转动角度值，控制器控制电机转动，带动滚珠丝杠副产生位移，压缩弹簧机构；

步骤五、当弹簧机构压缩达到预期值，通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构打开指令，控制器控制锁紧机构打开，利用弹簧机构作用力弹出抛射物；

步骤六、第二本体实时测量抛射物的速度、位置和姿态信息，第一本体实时测量空间机械臂的速度、位置和姿态信息，并将测量信息实时反馈给人机交互单元显示，以验证控制器中的臂载抛射控制算法是否达到预期效果。

本发明适用于空间机器人臂载抛射的地面验证，能够降维度模拟空间机器人臂载抛射过程及抛射后漂浮基空间机器人位姿变化情况，进行机器人空间作业的模拟试验，验证空间机器人臂载抛射控制算法的可行性和有效性。本发明获得的数据一方面验证空间系统上所采用的理论、方法是否合理，为下一步的空间实验提供依据；另一方面及时发现结构、性能等方面的缺陷或故障，并进行改进和完善，保证机器人在太空环境中能执行并完成各种规划任务。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：包括试验台(1)、第一本体(2)、第二本体(3)、空间机械臂(6)、弹射装置(7)、锁紧机构(10)、抛射物(8)、气足(9)和供气系统；

试验台(1)为光滑平台，气足位于试验台(1)上，第一本体(2)、第二本体(3)、空间机械臂(6)、抛射物(8)和弹射装置(7)通过气足支撑；

第一本体(2)、第二本体(3)下面分别安装3个圆形气足，每个圆形气足的节流孔沿气足边缘均匀分布，第一本体(2)的3个圆形气足位于以第一本体(2)下表面中心为内心的等边三角形三个顶点上，第二本体(3)的3个圆形气足位于以第二本体(3)下表面中心为内心的等边三角形三个顶点上；

空间机械臂(6)基座固定在第一本体(2)上，空间机械臂(6)末端与弹射装置(7)连接，锁紧机构(10)一端与弹射装置(7)连接，另一端用于抱紧或松开抛射物(8)，抛射物(8)同时固定在第二本体(3)上；供气系统用于为气足(9)供气；

试验开始时，锁紧机构(10)锁紧抛射物(8)，抛射时，锁紧机构(10)打开，抛射物(8)被弹射装置(7)弹出，第二本体(3)实时测量抛射物(8)的速度、位置和姿态信息，第一本体(2)实时测量空间机械臂(6)的速度、位置和姿态信息，以验证空间机器人臂载抛射过程是否达到预期效果。

2.根据权利要求1所述的一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：还包括控制器和人机交互单元；

用户根据需要通过人机交互单元向控制器输入机械臂关节角、电机转动角度及锁紧机构打开或锁紧指令；控制器根据上述指令控制机械臂各个关节运动、电机转动及锁紧机构打开或锁紧，并把机械臂各个关节角、电机转动角度及锁紧机构打开或锁紧状态实时反馈给人机交互单元显示；

同时人机交互单元能够实时接收第二本体(3)及第一本体(2)的测量信息并显示。

3.根据权利要求2所述的一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：所述弹射装置(7)包括电机(74)、滚珠丝杠副(71)、弹簧机构(72)和外壳(73)，外壳(73)与空间机械臂(6)的末端连接，电机(74)固定在外壳(73)内部，电机(74)输出轴与滚珠丝杠副(71)一端连接，滚珠丝杠副(71)另一端与弹簧机构(72)连接；电机(74)、滚珠丝杠副(71)和弹簧机构(72)均位于外壳(73)内部。

4.根据权利要求3所述的一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：控制器与人机交互单元之间，人机交互单元与第一本体(2)之间、人机交互单元与第二本体(3)之间均通过EtherCAT网络通信。

5.根据权利要求1所述的一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：第一本体(2)中安装有第一惯性测量单元(4)，用于实时测量空间机械臂(6)的速度、位置和姿态信息；第二本体(3)中安装有第二惯性测量单元(5)，用于实时测量抛射物(8)的速度、位置和姿态信息。

6.根据权利要求1所述的一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：试验台由大理石材料铺成，平面度为1μm/m。

7.根据权利要求6所述的一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：试验台边缘处安装物理限位装置。

8.根据权利要求1所述的一种空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统，其特征在于：空间机械臂(6)下方的气足位于

关节处，n为空间机械臂(6)的自由度。

9.一种如权利要求3所述空间机器人臂载抛射的地面物理验证系统的应用方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、在试验台上，通过供气系统为气足供气，气足底部喷出一定压力压缩空气，从而产生微重力、无摩擦的实验环境；

步骤二、通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构打开指令，控制器控制锁紧机构打开，将抛射物放置在锁紧机构工作范围；

步骤三、通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构锁紧指令，控制器控制锁紧机构锁紧，锁紧机构将抛射物锁紧；

步骤四、通过人机交互单元向控制器输入电机转动角度值，控制器控制电机转动，带动滚珠丝杠副产生位移，压缩弹簧机构；

步骤五、当弹簧机构压缩达到预期值，通过人机交互单元向控制器输入锁紧机构打开指令，控制器控制锁紧机构打开，利用弹簧机构作用力弹出抛射物；

步骤六、第二本体实时测量抛射物的速度、位置和姿态信息，第一本体实时测量空间机械臂的速度、位置和姿态信息，并将测量信息实时反馈给人机交互单元显示，以验证控制器中的臂载抛射控制算法是否达到预期效果。

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