CN111571563B - 小行星附着机构半物理仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小行星附着机构半物理仿真系统及方法，直线导轨固定在地面上，移动台安装在导轨上，第二工业机器人的基座固定在移动台上，其末端安装有小行星附着机构；第一工业机器人安装在固定台上，其末端安装有六维力传感器，传感器与小行星地面模拟装置相连。控制第二工业机器人模拟小行星附着机构接近和附着在小行星地面的空间运动过程，控制第一工业机器人模拟小行星地面的自转。本发明能够模拟复杂的空间碰撞环境，实现小行星附着机构的半物理仿真，系统容易搭建，仿真结果更加精准，保证了地面模拟实验的可靠性，对深空探测等研究具有重要意义。

Description

小行星附着机构半物理仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及空间机器人地面验证技术领域，具体地，涉及一种小行星附着机构半物理仿真系统及方法。

背景技术

在深空探测中，小行星探测作为人类进一步探索宇宙和开发利用宇宙资源的一种重要手段，需要不断提高小行星勘探技术来为小行星探测工作提供技术保证。小行星表面的地貌、土壤及岩石成分采集和探测是小行星表面探测的重点，但是由于小行星表面几乎没有引力，空间机器人或者行星探测器很难与行星表面始终保持接触，在太空环境中容易受到扰动而漂移。到目前为止，人类通过研究设计不同的固定或者行星表面附着机构，帮助机器人或探测器能在低重力的环境下依然能与行星表面保持较长时间的接触，从而完成采集和探测工作。

由于地面重力环境的影响，设计的附着机构以及控制算法很难直接通过地面模拟环境验证其有效性，所以开展地面物理仿真实验需要克服重力的影响因素对动力学特性产生的不确定影响，进而模拟太空中的微重力环境。现有的模拟装置常用悬吊法或者气浮法来模拟在太空中微重力甚至零重力的环境，但是这两种方法实验的可重复性不高，从而影响多次地面物理仿真实验的精度，另一方面搭建系统的过程相对繁琐，需要较大的占地面积。从行星表面探测的角度出发，难以模拟具有自转运动的小行星，而自转运动本身也会对机器人或探测器附着到行星表面的过程产生较大的影响。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种小行星附着机构半物理仿真系统及方法。

根据本发明提供的一种小行星附着机构半物理仿真系统，包括直线导轨装置、第一工业机器人、第二工业机器人；

所述第一工业机器人的基座固定在地面上，能够模拟在微重力环境下小行星的自转；

所述直线导轨装置包括直线导轨和移动台，直线导轨固定在地面上，第二工业机器人的基座设置在移动台上，移动台安装在直线导轨上，第二工业机器人能够沿直线导轨方向移动，能够模拟在微重力环境下接近小行星表面的运动。

优选地，所述第二工业机器人的末端安装有小行星附着机构，通过第二工业机器人来平衡附着机构的重力，所述第二工业机器人、直线导轨装置和小行星附着机构用来模拟在微重力环境下空间小行星附着机构接近小行星表面的运动。

所述第一工业机器人的末端安装有六维力传感器，六维力传感器和小行星地面模拟装置连接，第一工业机器人、六维力传感器和小行星地面模拟装置模拟在微重力环境下小行星的自转。

优选地，所述移动台安装在直线导轨上，移动台上安装有伺服电机，驱动丝杆转动，带动滑块移动，从而带动安装在滑块上的移动台移动，使第二工业机器人和其末端的小行星附着机构在直线导轨方向上实现前后移动。

优选地，所述六维力传感器安装在第一工业机器人的末端，用于实时测量小行星附着机构与小行星地面模拟装置发生接触时产生的接触力状况，用于空间微重力环境下的碰撞过程的模拟。

优选地，所述小行星附着机构安装在第二工业机器人的末端，用于模拟在微重力环境下第二工业机器人接近并附着在小行星表面的运动过程，在附着过程中，根据第一工业机器人上的六维力传感器测量得到的接触力状况，模拟在附着过程中小行星附着机构受到接触力影响而产生的相对运动过程。

优选地，所述小行星地面模拟装置用于模拟与小行星附着机构接触的小行星自转运动过程，与六维力传感器相连，能够模拟产生附着过程的接触力。

根据本发明提供的一种小行星附着机构半物理仿真系统方法，利用上述的系统，包括以下步骤：

步骤一，首先完成实验平台的搭建，将移动台安装在直线导轨上，第二工业机器人的基座固定在移动台上，将小行星附着机构安装在第二工业机器人末端，而在第一工业机器人末端安装六维力传感器，六维力传感器连接小行星地面模拟装置；

步骤二，控制第二工业机器人模拟小行星附着机构的微重力状态；

步骤三，控制第一工业机器人模拟小行星的自转运动状态；

步骤四，控制直线导轨移动台和第二工业机器人的关节伺服运动，模拟在微重力环境下小行星附着机构靠近并附着在小行星表面的相对运动过程；

步骤五，第一工业机器人末端的六维力传感器采集小行星附着机构与小行星地面模拟装置发生碰撞过程产生的接触力信息；

步骤六，通过力补偿算法消除半物理仿真系统失真对实验结果的影响，得到校准后的接触力信息；

步骤七，将校准后的接触力信息通过六维力传感器相对位姿之间的坐标变换模型换算到固定坐标系下的接触力信息；

步骤八，通过碰撞动力学模型得到在微重力环境下受到接触力的影响小行星附着机构相对小行星表面的运动速度和运动位姿；

步骤九，将动力学解算得到的小行星附着机构的相对运动通过坐标变换得到第二工业机器人末端的运动位姿，通过工业机器人的运动学逆解，从而控制直线导轨和第二工业机器人的关节伺服运动，

步骤十，第二工业机器人末端的小行星附着机构根据碰撞动力学解算得到的运动轨迹会短暂地飘离小行星地面模拟装置，此时继续控制第一工业机器人重复步骤四到步骤十的过程，以完成半物理仿真系统实验。

优选地，步骤六中力补偿算法具体实现过程如下：

首先需要补偿六维力传感器测量系统部分的滞后误差；

将补偿后的力和力矩与第二工业机器人末端位姿在一个采样周期前后两个时刻的差值，利用质量-弹簧模型可以求解得到同一时刻下模拟碰撞过程的虚拟刚度；

根据正运动学可以求得第二工业机器人末端实际位姿，将实际位姿与步骤八中得到的理想运动位姿的差值作为控制系统部分的响应误差；

建立两个工业机器人发生碰撞时结构变形的质量-弹簧-阻尼模型，根据测量得到的力和力矩可以计算得到模拟器实际碰撞过程的结构变形误差；

最后根据辨识的虚拟刚度、响应误差和结构变形误差可以求解得到补偿力，进而求得补偿力矩，最终将补偿后的结果作为实际碰撞过程的输出代入到空间碰撞动力学模型中。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、利用直线导轨装置和工业机器人，可以真实模拟小行星附着机构接近小行星表面的过程，具有灵活、空间运动范围大的特点，适合小行星探测任务的半物理仿真；

2、利用工业机械臂可以模拟小行星的自转，设备简单，容易实现，适用于空间多目标存在运动的情况；

3、利用工业机器人和力传感器搭建的半物理仿真系统，相比传统的悬吊法和气浮法具有更高的实验可重复性，实验结果更加精准。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明小行星附着机构半物理仿真系统的结构示意图；

图2为本发明小行星附着机构和小行星地面模拟装置相对位姿关系的示意图；

图3为本发明小行星附着机构半物理仿真系统实验方法的控制框图。

图中示出：1—直线导轨装置；2—固定台；3—第一工业机器人；4—六维力传感器；5—小行星地面模拟装置；6—小行星附着机构；7—第二工业机器人；8—滑块；9—移动台；10—导轨电机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本发明针对克服目前的微重力装置实验可重复性差、可靠性低，适用范围较窄，没有通用性，难以完全实现行星表面附着过程的太空环境的技术问题。

实施例1

具体通过下述技术方案来解决上述技术问题，一种小行星附着机构半物理仿真系统包括直线导轨装置1、第一工业机器人3、第二工业机器人7、小行星地面模拟装置5、六维力传感器4和小行星附着机构6。如图1所示，直线导轨固定在地面上，移动台安装在导轨上，第二工业机器人的基座固定在移动台上，其末端安装有小行星附着机构；第一工业机器人安装在固定台上，其末端安装有六维力传感器，传感器与小行星地面模拟装置相连。控制第二工业机器人模拟小行星附着机构接近和附着在小行星地面的空间运动过程，控制第一工业机器人模拟小行星地面的自转。

直线导轨装置1包括直线导轨和移动台9，直线导轨固定在地面上，移动台9安装在直线导轨上，通过驱动移动台9上的导轨电机10，带动丝杠转动，从而控制安装有滑块8的移动台9在直线导轨方向上移动。优选情况是，所述移动台9安装在直线导轨上，移动台上安装有伺服电机，驱动丝杆转动，带动滑块移动，从而带动安装在滑块上的移动台移动，使第二工业机器人7和机器人末端的小行星附着机构6在导轨方向上实现前后移动。

第二工业机器人7的基座固定安装在直线导轨装置1上的移动台9上，通过控制第二工业机器人7的关节电机从而控制小行星附着机构6在空间运动的位置和姿态。而第二工业机器人7的末端安装有小行星附着机构6，通过第二工业机器人7来平衡附着机构的重力，同样可以控制附着机构上的电机来实现附着在小行星表面的过程。所述第二工业机器人7、所述直线导轨装置1和所述小行星附着机构6用来模拟在微重力环境下空间小行星附着机构接近小行星表面的运动。

第一工业机器人3的基座固定安装在地面上，也可以是安装在直线导轨一端的固定台2上。如图2所示，第一工业机器人3的末端安装有六维力传感器4和小行星地面模拟装置5，用于实时测量小行星附着机构6与小行星地面模拟装置5发生接触时产生的接触力状况，第一工业机器人3通过六维力传感器4和小行星地面模拟装置5相连，用于模拟小行星在自转的过程中与附着机构发生接触使在微重力环境下的接触力变化情况，模拟在微重力环境下小行星的自转。优选情况是，所述六维力传感器安装在第一工业机器人3末端，用于实时测量小行星附着机构与小行星地面模拟装置发生接触时产生的接触力状况，用于空间微重力环境下的碰撞过程的模拟。

所述小行星附着机构6安装在第二工业机器人7末端，用于模拟在微重力环境下机器人接近并附着在小行星表面的运动过程，在附着过程中，根据第一工业机器人3上的六维力传感器4测量得到的接触力状况，模拟在附着过程中小行星附着机构受到接触力影响而产生的相对运动过程。所述小行星地面模拟装置5的一端与小行星附着机构6接触接触，用于模拟与小行星附着机构6接触的小行星自转运动过程，另一端与六维力传感器4相连，可以模拟产生附着过程的接触力。

实施例2

实施例2可以视为是实施例1的优选例。实施例2说明的小行星附着机构半物理仿真方法，利用了实施例1说明的小行星附着机构半物理仿真系统。

如图3所示，小行星附着机构半物理仿真方法，包括以下步骤：

步骤一，首先完成实验平台的搭建，将移动台9安装在直线导轨上，第二工业机器人7的基座固定在移动台9上，将小行星附着机构6安装在第二工业机器人7的末端，而在第一工业机器人3的末端安装六维力传感器4，六维力传感器4连接小行星地面模拟装置5；

步骤二，控制第二工业机器人7模拟小行星附着机构6的微重力状态；

步骤三，控制第一工业机器人3模拟小行星的自转运动状态；

步骤四，控制直线导轨移动台和第二工业机器人7的关节伺服运动，模拟在微重力环境下小行星附着机构靠近并附着在小行星表面的相对运动过程；

步骤五，第一工业机器人3末端的六维力传感器4采集小行星附着机构6与小行星地面模拟装置5发生碰撞过程产生的接触力信息；

步骤六，通过力补偿算法消除半物理仿真系统失真对实验结果的影响，首先需要补偿六维力传感器4测量系统部分的滞后误差；将补偿后的力和力矩与第二工业机器人7末端位姿在一个采样周期前后两个时刻的差值，利用质量-弹簧模型可以求解得到同一时刻下模拟碰撞过程的虚拟刚度；根据正运动学可以求得第二工业机器人7末端实际位姿，将实际位姿与步骤八中得到的理想运动位姿的差值作为控制系统部分的响应误差；建立两个工业机器人发生碰撞时结构变形的质量-弹簧-阻尼模型，根据测量得到的力和力矩可以计算得到模拟器实际碰撞过程的结构变形误差；最后根据辨识的虚拟刚度、响应误差和结构变形误差可以求解得到补偿力，进而求得补偿力矩，最终将补偿后的结果作为实际碰撞过程校准结果输出；质量-弹簧-阻尼模型属于本领域技术人员所熟知的常规技术，此处不做赘述。

步骤七，将校准后的接触力信息通过六维力传感器4相对位姿之间的坐标变换模型换算到固定坐标系下的接触力信息；

步骤八，通过碰撞动力学模型得到在微重力环境下受到接触力的影响小行星附着机构6相对小行星表面的运动速度和运动位姿；碰撞动力学模型属于本领域技术人员所熟知的常规技术，此处不做赘述。

步骤九，将动力学解算得到的小行星附着机构的相对运动通过坐标变换得到第二工业机器人7末端的运动位姿，通过工业机器人的运动学逆解，从而控制直线导轨和第二工业机器人7的关节伺服运动；动力学解算属于本领域技术人员所熟知的常规技术，此处不做赘述。

步骤十，第二工业机器人7末端的小行星附着机构根据碰撞动力学解算得到的运动轨迹会短暂地飘离小行星地面模拟装置，此时继续控制第二工业机器人7重复步骤四到步骤十的过程，即完成半物理仿真系统实验。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种小行星附着机构半物理仿真系统，其特征在于，包括直线导轨装置、第一工业机器人、第二工业机器人；

所述第一工业机器人的基座固定在地面上，能够模拟在微重力环境下小行星的自转；

所述直线导轨装置包括直线导轨和移动台，直线导轨固定在地面上，第二工业机器人的基座设置在移动台上，移动台安装在直线导轨上，第二工业机器人能够沿直线导轨方向移动，能够模拟在微重力环境下接近小行星表面的运动；

所述第二工业机器人的末端安装有小行星附着机构，通过第二工业机器人来平衡附着机构的重力，所述第二工业机器人、直线导轨装置和小行星附着机构用来模拟在微重力环境下空间小行星附着机构接近小行星表面的运动；

所述第一工业机器人的末端安装有六维力传感器，六维力传感器和小行星地面模拟装置连接，第一工业机器人、六维力传感器和小行星地面模拟装置模拟在微重力环境下小行星的自转；

所述六维力传感器安装在第一工业机器人的末端，用于实时测量小行星附着机构与小行星地面模拟装置发生接触时产生的接触力状况，用于空间微重力环境下的碰撞过程的模拟；

所述小行星附着机构安装在第二工业机器人的末端，用于模拟在微重力环境下第二工业机器人接近并附着在小行星表面的运动过程，在附着过程中，根据第一工业机器人上的六维力传感器测量得到的接触力状况，模拟在附着过程中小行星附着机构受到接触力影响而产生的相对运动过程。

2.根据权利要求1所述的小行星附着机构半物理仿真系统，其特征在于，所述移动台安装在直线导轨上，移动台上安装有伺服电机，驱动丝杆转动，带动滑块移动，从而带动安装在滑块上的移动台移动，使第二工业机器人和其末端的小行星附着机构在直线导轨方向上实现前后移动。

3.根据权利要求2所述的小行星附着机构半物理仿真系统，其特征在于，所述小行星地面模拟装置用于模拟与小行星附着机构接触的小行星自转运动过程，与六维力传感器相连，能够模拟产生附着过程的接触力。

4.一种小行星附着机构半物理仿真系统方法，利用权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，包括：

步骤一，首先完成实验平台的搭建，将移动台安装在直线导轨上，第二工业机器人的基座固定在移动台上，将小行星附着机构安装在第二工业机器人末端，而在第一工业机器人末端安装六维力传感器，六维力传感器连接小行星地面模拟装置；

步骤二，控制第二工业机器人模拟小行星附着机构的微重力状态；

步骤三，控制第一工业机器人模拟小行星的自转运动状态；

步骤四，控制直线导轨移动台和第二工业机器人的关节伺服运动，模拟在微重力环境下小行星附着机构靠近并附着在小行星表面的相对运动过程；

步骤五，第一工业机器人末端的六维力传感器采集小行星附着机构与小行星地面模拟装置发生碰撞过程产生的接触力信息；

步骤六，通过力补偿算法消除半物理仿真系统失真对实验结果的影响，得到校准后的接触力信息；

步骤七，将校准后的接触力信息通过六维力传感器相对位姿之间的坐标变换模型换算到固定坐标系下的接触力信息；

步骤八，通过碰撞动力学模型得到在微重力环境下受到接触力的影响小行星附着机构相对小行星表面的运动速度和运动位姿；

步骤九，将动力学解算得到的小行星附着机构的相对运动通过坐标变换得到第二工业机器人末端的运动位姿，通过工业机器人的运动学逆解，从而控制直线导轨和第二工业机器人的关节伺服运动，

步骤十，第二工业机器人末端的小行星附着机构根据碰撞动力学解算得到的运动轨迹会短暂地飘离小行星地面模拟装置，此时继续控制第一工业机器人重复步骤四到步骤十的过程，以完成半物理仿真系统实验。

5.根据权利要求4所述的小行星附着机构半物理仿真系统方法，其特征在于，步骤六中力补偿算法具体实现过程如下：

首先需要补偿六维力传感器测量的滞后误差；

将补偿后的力和力矩与第二工业机器人末端位姿在一个采样周期前后两个时刻的差值，利用质量-弹簧模型求解得到同一时刻下模拟碰撞过程的虚拟刚度；

根据正运动学求得第二工业机器人末端实际位姿，将实际位姿与步骤八中得到的理想运动位姿的差值作为控制系统部分的响应误差；

建立两个工业机器人发生碰撞时结构变形的质量-弹簧-阻尼模型，根据测量得到的力和力矩计算得到模拟器实际碰撞过程的结构变形误差；

最后根据虚拟刚度、响应误差和结构变形误差求解得到补偿力，进而求得补偿力矩，最终将补偿后的结果作为实际碰撞过程的输出代入到空间碰撞动力学模型中。

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