CN114055476B - 空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统，包括：视觉监视系统，被配置为实时监视机械臂是否按照任务要求运动，以使得气浮台和机械臂保持在模拟的所需工况下；测量模块，被配置为测量机械臂在按照任务要求运动情况下，气浮台的喷气量、气浮台移动的速度；平面运动推力计算模块，被配置为利用测量模块提供的气浮台的喷气量、气浮台移动的速度推导机械臂按照任务要求运动情况下对气浮台的干扰力矩；所述所需工况包括：空间机械臂按照任务要求运动，且空间机械臂的系统重量在气浮台承载能力范围内，以避免干扰力矩超出气浮台调节能力。

Description

空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统。

背景技术

随着空间装置的在轨服务需求越来越迫切，空间机械臂已成为世界各航天大国的研究热点。空间机械臂在航天器的在轨组装、在轨维修、在轨燃料加注、在轨升级等在轨服务中起到关键作用，是航天器在轨服务的核心装备。在空间机械臂在轨任务过程中，其对于漂浮卫星基座通常会产生相应的扰动，对机械臂在轨使用的反作用力矩的测试对掌握空间机械臂使用状态具有重大意义，通过地面测试方式掌握有利于对控制系统设计与优化提出先验信息。

空间机械臂抓捕力矩测试的方法有很多种方法，大部分都是以动力学建模为主，利用运动轨迹数据驱动机械臂动力学模型，对机械臂进行机构运动仿真，考虑的因素少，在多关节、空间路径约束规划条件下，卫星变惯量等条件下很难，适用性差，不容易验证正确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统，以解决现有的空间机械臂抓捕力矩测试适用性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统，包括：

视觉监视系统实时监视机械臂是否按照任务要求运动，以使得气浮台和机械臂保持在模拟的所需工况下；

测量模块测量机械臂在按照任务要求运动情况下，气浮台的喷气量、气浮台移动的速度；

平面运动推力计算模块利用测量模块提供的气浮台的喷气量、气浮台移动的速度推导机械臂按照任务要求运动情况下对气浮台的干扰力矩；

所述所需工况包括：空间机械臂按照任务要求运动，且空间机械臂的系统重量在气浮台承载能力范围内，以避免干扰力矩超出气浮台调节能力。

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，还包括：

基于正交对称安装方式的冷气推力器控制气浮机器人的位姿，气浮机器人为长方体，四个冷气推力器分别安装在长方体与大理石平台垂直的四个侧壁上，其冷气推力器控制的气体流动方向与侧壁和大理石平台均平行，气体流动方向用于控制气浮机器人的姿态。

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，还包括：

设置气浮台的台体坐标系为(S,T)，设置各个冷气推力器的推力分别为F1、F2、F3、F4；

将气浮台作为平面运动刚体，设置平面运动刚体的质心C为基点；

由基点在大理石平台上的位置、以及平面运动刚体绕基点的转角确定平面运动刚体的位置；

设置大理石平台的坐标系为XOY，设置其为惯性系，设置基点的坐标为x_c,y_c。

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，还包括：

设置(S,T)坐标系中的S轴与X轴的夹角为

由x_c,y_c和

确定平面运动刚体的位置；

将平面运动刚体的运动分解为随质心C的平移和绕质心C的转动；

设置SCT为固连与质心C的台体参考系，将平面运动刚体相对于台体参考系的运动作为绕质心C的转动，则平面运动刚体对质心的动量矩为

L_c＝J_cω

其中J_c为平面运动刚体对通过质心C且与运动平面垂直的轴的转动惯量，ω为平面运动刚体的角速度。

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，还包括：

设在平面运动刚体上的外力能够向质心所在的运动平面简化为一平面力系F₁,F₂,…,F_n，则应用质心运动定理和相对于质心的动量矩定理，得到平面运动刚体的平面运动微分方程：

ma_c＝∑F_i

其中m为刚体质量，a_c为质心加速度，α为质心角速度；

应用平面运动刚体的平面运动微分方程在笛卡尔直角坐标系的投影式为

ma_cx＝∑F_x

ma_cy＝∑F_y

J_cα＝∑M_c(F_i)。

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，气浮机器人投影式为

利用气浮台控制程序计算四个冷气推力器的喷嘴的开通时间占空比D_i，当喷嘴占空比为100％时，用精密电子秤测每个喷嘴的力为F_0i，所以喷嘴的推力为：

F_i＝D_iF_0i

F_0i的测量方法大概就是把喷嘴的喷气口垂直对准电子秤，架空喷嘴，调节减压阀到最大，设置占空比为100％，喷气，读取电子秤测到的力；

i＝1、2、…、n；利用xpcscope的File模式保存程序运行的结果，程序运行结束后，保存四个喷嘴的工作数据，并计算每个喷嘴的推力，带入到气浮机器人投影式计算得出

和

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，还包括：

步骤一：搭建平台，将空间机械臂和气浮台、抓捕目标星和气浮台两者刚性连接成组合体，并将组合体放置在大理石平台上，打开气足阀门，气浮台使能，完成测试前准备；

步骤二：模拟待抓捕目标星的在轨状态，利用运动学等效算法将待抓捕目标星模型通过气浮台模拟实际空间非合作目标的运动状态；

步骤三：通过结构光相机采集步骤二中待抓捕目标星的运动状态，根据相应特征识别目标星相对机械臂位置姿态，确定最佳抓捕位置，将抓捕目标位置姿态信息传递给空间机械臂控制器，进行抓捕轨迹规划；

步骤四：计算机械臂运动对卫星本体的干扰力矩，利用xpcscope的File模式测量并记录抓捕过程机械臂运动对卫星本体干扰力情况，输出四个冷推力器占空比数据矩阵D₁.data、D₂.data、D₃.data、D₄.data，利用式子：

F_i＝D_iF_0i

将四个喷嘴的占空比转化抓捕过程中喷嘴的实时推力F1、F2、F3、F4，

为气浮台S轴方向受到的合力，

为气浮台T轴方向受到的合力,

为气浮台Z轴方向受到的合力矩。

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，还包括：

根据力的合成得到：

步骤五：计算抓捕过程机械臂对目标星的干扰力矩，利用xpcscope的File模式测量并记录抓捕过程机械臂运动对卫星本体干扰力情况，输出四个冷推力器占空比数据矩阵D₁.data、D₂.data、D₃.data、D₄.data，利用式子：

F_i＝D_iF_0i

将四个喷嘴的占空比转化抓捕过程中喷嘴的实时推力F1、F2、F3、F4，

为气浮台S轴方向受到的合力，

为气浮台T轴方向受到的合力,

为气浮台Z轴方向受到的合力矩；

根据力的合成得到：

可选的，在所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法中，空间机械臂抓捕力矩测试方法的适用范围满足：

机械臂基坐标系和气浮台的台体坐标系均为正交坐标系；

试验过程中空间机械臂和气浮台的相对关系刚性不变；

目标星抓捕接口与抓捕手抓相匹配；

空间机械臂抓捕力矩测试方法的约束条件满足：

机械臂重量在气浮台承载能力范围内，以保证气浮台运行平稳性；

机械臂扰动力不大于气浮台喷嘴最大推力。

本发明还提供一种空间机械臂抓捕力矩测试系统，包括：

视觉监视系统，被配置为实时监视机械臂是否按照任务要求运动，以使得气浮台和机械臂保持在模拟的所需工况下；

测量模块，被配置为测量机械臂在按照任务要求运动情况下，气浮台的喷气量、气浮台移动的速度；

平面运动推力计算模块，被配置为利用测量模块提供的气浮台的喷气量、气浮台移动的速度推导机械臂按照任务要求运动情况下对气浮台的干扰力矩；

所述所需工况包括：空间机械臂按照任务要求运动，且空间机械臂的系统重量在气浮台承载能力范围内，以避免干扰力矩超出气浮台调节能力。

在本发明提供的空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统中，通过实时监视机械臂是否按照任务要求运动，测量机械臂在按照任务要求运动情况下，气浮台的喷气量、气浮台移动的速度，利用测量模块提供的气浮台的喷气量、气浮台移动的速度推导机械臂按照任务要求运动情况下对气浮台的干扰力矩，提供了一种适用于空间机械臂抓捕的力矩测量系统，通过搭建气浮台、机械臂系统架于气浮台上，通过控制机械臂的运动，记录气浮台的喷气量、气浮台的运动速度、位置等情况，计算出机械臂在轨抓捕操控任务过程中下对气浮台系统的干扰力矩，有利于对控制系统设计与优化提出先验信息，为机械臂柔性飞行器的控制提供依据与输入。

附图说明

图1是本发明一实施例中的空间机械臂抓捕力矩测试系统示意图；

图2是本发明一实施例中的空间机械臂抓捕力矩测试系统执行机构安装位置示意图；

图3是本发明一实施例中的空间机械臂抓捕力矩测试系统冷气推力器示意图；

图4是本发明一实施例中的空间机械臂抓捕力矩测试方法惯性参考系与台体参考系示意图；

图5是本发明一实施例中的空间机械臂抓捕力矩测试方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的目的在于提供一种空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统，以解决现有的空间机械臂抓捕力矩测试适用性差的问题。

为了更加真实地得到抓捕控制力矩，本发明开发了一套地面气浮式力矩测试系统，通过搭建气浮平台抵消地面重力来模拟空间微重力环境，分别搭载服务卫星空间操控机械臂以及目标卫星模型，模拟空间任务环境，采用无线通信的方式，对抓捕任务过程中的系统各状态信息实时测量，实现对力矩的测试。这种测试系统可以测量机械臂在真实在轨抓捕操控过程中实时产生的干扰力矩。

为实现上述目的，本发明提供了一种空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统，包括：视觉监视系统，被配置为实时监视机械臂是否按照任务要求运动，以使得气浮台和机械臂保持在模拟的所需工况下；测量模块，被配置为测量机械臂在按照任务要求运动情况下，气浮台的喷气量、气浮台移动的速度；平面运动推力计算模块，被配置为利用测量模块提供的气浮台的喷气量、气浮台移动的速度推导机械臂按照任务要求运动情况下对气浮台的干扰力矩；所述所需工况包括：空间机械臂按照任务要求运动，且空间机械臂的系统重量在气浮台承载能力范围内，以避免干扰力矩超出气浮台调节能力。

需要注意的是，在开发该地面气浮式力矩测试系统时，本发明基于对现有技术中出现的弊病的洞察，尽量避免设计上的技术偏见，例如发明人洞察到通过角度传感器测量的角度折算和利用油压传感器对主臂变幅油缸的油压检测的方式计算出相应的力和力矩的方法，但是无法满足空间机械臂微重力环境要求；再例如用于空间机械臂相对位姿实时测量、模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力装置，通过动力学模型求解机械臂抓捕力矩，但是没有考虑空间机械臂抓捕过程中所在的卫星基座平台的运动；再例如将机械臂规划的轨迹作为驱动源在仿真环境中驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行器本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力，但局限在数字模型仿真，考虑因素相对较少。而本发明的方案完美避开了上述所有的技术偏见。

本发明属于卫星测量控制技术领域，特别是涉及一种适用于空间机械臂抓捕的力矩测试方法。本发明的目的在于克服现有机械臂力矩测量方法中存在的不足，提供一种适用于空间机械臂抓捕等操作的力矩测量方法。实现在地面对在轨操控抓捕过程中对卫星基座平台形成的干扰力矩的测量，有利于对姿轨控系统设计与优化提出先验信息。

如图1所示，本发明所适用于的空间机械臂应具有单轴或多轴控制的能力，同时地面测试设备包括气浮台、视觉监视系统等。其中，本发明不限制空间机械臂的关节数量，空间机械臂的控制方式、空间机械臂伸展形式。本发明涉及空间机械臂的尺寸要求在气浮台能力范围内，当前要求机械臂动态情况下横向质心变化和机械臂系统重量有限制。实际上对于本发明的能力可以按照实际机械臂测量需求提升。本发明涉及的机械臂不限制安装形式、不限于刚性连接系统的安装形式、不限于气浮台形式、不限于机械臂个数，即可以是多个空间机械臂组成的复杂操控抓捕系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：适用于空间机械臂抓捕的力矩测试系统，其原理是：利用气浮台的喷气量、气浮台移动的速度反演出机械臂按照要求运动情况下对气浮台的干扰力矩。需要注意的是，空间机械臂系统重量需在气浮台承载能力范围内，防止扰动过大超出气浮台调节能力。

基于正交对称安装方式的伺服冷气推力器组用于控制气浮机器人的位姿，四个冷气推力器的位置如图2所示，冷气推力器如图3所示，带有喷嘴和飞轮，飞轮(飞轮通过动量交换实现气浮台的控制)用于控制气浮机器人的姿态。

气浮台的设计包括：顶层设置信标灯；中层设置驱动盒、路由器、电池盒、飞轮及其电机、冷气推力器；底层设置高压气体通路、一级减压阀、二级减压阀；底部设置气足及其导管。

其中，S,T为台体坐标系，F1～F4为各个冷气推力器的推力，平面运动刚体的位置可由基点的位置与刚体绕基点的转角确定。取质心C为基点，如图所示(其中XOY系为惯性系)，其坐标为x_c,y_c。设S轴与X轴的夹角为

则刚体的位置可由x_c,y_c和

确定。刚体的运动可分解为随质心的平移和绕质心的转动两部分。

图4中，SCT为固连与质心C的台体参考系，平面运动刚体相对于此动系的运动就是绕质心C的转动，则刚体对质心的动量矩为

L_c＝J_cω (1)

其中J_c为刚体对通过质心C且与运动平面垂直的轴的转动惯量，ω为其角速度。

设在刚体上的外力可向质心所在的运动平面简化为一平面力系F₁,F₂,…,F_n，则应用质心运动定理和相对于质心的动量矩定理，得

ma_c＝∑F_i (2)

其中m为刚体质量，a_c为质心加速度，α为质心角速度。式(2)，式(3)即为刚体的平面运动微分方程。

应用刚体的平面运动微分方程在笛卡尔直角坐标系的投影式

ma_cx＝∑F_x

ma_cy＝∑F_y

J_cα＝∑M_c(F_i)

对于气浮机器人，有

利用气浮台控制程序可以计算出四个喷嘴的开通时间占空比D_i，当喷嘴占空比为100％时，用精密电子秤测出每个喷嘴的力为F_0i，所以喷嘴的推力为：

F_i＝D_iF_0i

F_0i的测量方法大概就是把喷嘴的喷气口垂直对准电子秤，架空喷嘴，调节减压阀到最大，设置占空比为100％，喷气，读取电子秤测到的力；

利用xpcscope的File模式可以保存程序运行的结果，程序运行结束后，保存出四个喷嘴的工作数据，并计算出每个喷嘴的推力，带入到公式(4)～(6)计算即可得出

和

该方法适用范围需满足以下基本条件：机械臂基坐标系和气浮台坐标系均为正交坐标系；试验过程中空间机械臂和气浮台的相对关系刚性不变；目标星抓捕接口与抓捕手抓相匹配。同时使用方法需要满足以下约束条件：为保证气浮台运行平稳性，机械臂重量需在气浮台承载能力范围内；机械臂扰动力不能大于气浮台喷嘴最大推力。

本发明提供一种适用于空间机械臂抓捕的力矩测量系统，通过搭建气浮台、机械臂系统架于气浮台上，通过控制机械臂的运动，记录气浮台的喷气量、气浮台的运动速度、位置等情况，计算出机械臂在轨抓捕操控任务过程中下对气浮台系统的干扰力矩，有利于对控制系统设计与优化提出先验信息，为机械臂柔性飞行器的控制提供依据与输入。

本发明流程如图5所示，包括：

步骤一：搭建平台，将空间机械臂和气浮台、抓捕目标星和气浮台两者刚性连接成组合体，并将组合体放置在大理石平台上，打开气足阀门，气浮台使能，完成测试前准备。

步骤二：模拟待抓捕目标星的在轨状态，利用运动学等效算法将待抓捕目标星模型通过气浮台模拟实际空间非合作目标的运动状态；

步骤三：通过结构光相机采集上一步骤中待抓捕目标星的运动状态，根据相应特征识别目标星相对机械臂位置姿态，确定最佳抓捕位置，将抓捕目标位置姿态信息传递给空间机械臂控制器，进行抓捕轨迹规划；

步骤四：计算机械臂运动对卫星本体的干扰力矩，利用xpcscope的File模式测量并记录抓捕过程机械臂运动对卫星本体干扰力情况，输出四个冷推力器占空比数据矩阵D₁.data、D₂.data、D₃.data、D₄.data，利用式子：

F_i＝D_iF_0i

将四个喷嘴的占空比转化抓捕过程中喷嘴的实时推力F1、F2、F3、F4，

为气浮台S轴方向受到的合力，

为气浮台T轴方向受到的合力,

为气浮台Z轴方向受到的合力矩。

根据力的合成可知：

步骤五：计算抓捕过程机械臂对目标星的干扰力矩，利用xpcscope的File模式测量并记录抓捕过程机械臂运动对卫星本体干扰力情况，输出四个冷推力器占空比数据矩阵D₁.data、D₂.data、D₃.data、D₄.data，利用式子：

F_i＝D_iF_0i

将四个喷嘴的占空比转化抓捕过程中喷嘴的实时推力F1、F2、F3、F4，

为气浮台S轴方向受到的合力，

为气浮台T轴方向受到的合力,

为气浮台Z轴方向受到的合力矩。

根据力的合成可知：

本发明的空间机械臂抓捕力矩测试方法基于一种空间机械臂在轨抓捕地面试验系统实施，空间机械臂在轨抓捕地面试验系统包括：第一模拟星，被配置为模拟机械臂所在的卫星；第二模拟星，被配置为模拟机械臂所要动作的目标星；气浮系统，被配置为根据操控参数，利用其包括的目标抵近模拟模块、姿态修正模块和抓捕仿真模块进行动作，检验第一模拟星上的机械臂能否完成针对第二模拟星的抓捕任务；大理石平台，被配置为提供试验场地，承载第一模拟星、第二模拟星、气浮系统和各个模块；以及综合管理系统，被配置为融合各个模块的信息、参数并对各个模块进行控制和监测。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，还包括：飞行器动力学模块，被配置为存储和提供飞行器动力学模型至其他模块；飞行器相对位置姿态模拟模块，被配置为通过飞行器动力学模型形成第一模拟星和第二模拟星的相对位置和/或相对姿态；空间环境模拟模块，被配置为模拟空间环境，将模拟的空间环境参数提供至其他模块；机械臂在轨任务规划模块，被配置为根据空间环境参数形成机械臂在轨任务规划，并将机械臂在轨任务规划提供至气浮系统；操控抓捕任务执行模拟模块，被配置为根据机械臂在轨任务规划、以及第一模拟星和第二模拟星的相对位置和/或相对姿态，形成执行抓捕任务所需的操控参数。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，所述气浮系统还包括：气浮机器人系统，被配置为使用基于正交对称安装方式的冷气推进组作为执行机构；气浮机器人系统包括：控制分系统，被配置为通过仪表平台子系统、动量交换子系统、位姿控制子系统控制用于控制气浮机器人的位姿及交会对接；供气与供电分系统，被配置为通过气浮轴承子系统、气源供气子系统、电源子系统向气浮机器人提供动力。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，仪表平台子系统作为整个气浮系统的安装平台，根据工作条件及外部接口约束，仪表平台子系统整体分三层：下层用于安装气浮轴承子系统、气源供气子系统、机器人保护子系统，以保证储气瓶的充放气方便，减小多余的气路布置，并降低平台重心；中层用于安装动量交换子系统、位姿控制子系统、交会对接子系统；上层用于安装交会对接子系统、智能识别分系统中的标志灯、机械臂、激光雷达，以满足气浮平台的功能特性需求。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，当输入操控参数时，位姿控制子系统结合气浮机器人当前的位姿信息做出路径规划，再应用双环PID控制律求解出控制量，然后应用力矩分配算法，将控制量分配到每个执行机构上，最后通过串口将每个执行机构的控制量输出给驱动板；驱动板通过串口将工业控制计算机的控制信号转换为PWM信号以驱动执行机构。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，气浮轴承子系统包括3个气足，气足采用7075的航空铝，表面硬质氧化，通过表面处理之后，增加硬度，防锈；采用宝石节流孔，在气压为0.2MPa的情况下，耗气量为0.5L/min，高压气源气体经过气足的节流小孔流入气足下端面与大理石平台间的间隙，形成一层气膜，从而产生向上的作用力，使安装于气足上的气浮系统悬浮，达到失重状态，由于气足下端面气膜的存在，使得气浮机器人能够实现三自由度运动，并通过调整气浮系统的平面度，降低重力干扰；每个气足承载能力为15Kg，搭载的有效载荷不小于15Kg。

在本发明的一个实施例中，三个气足通过自适应水平保持装置与气浮机器人底部相连接，自适应水平保持装置使气足下表面始终与大理石台上表面保持平行，同时保证气浮系统的稳定。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，气源供气子系统包括高压气瓶、高低压气路、充气开关、减压阀；充气开关开启时，外界向高压气瓶充气；充气开关关闭时，高压气瓶经过高低压气路及减压阀向三个气足供气，使用高压气瓶或外界气源供气，压缩气体经过两个气压调节器，最终由气足喷出；在高压气瓶的充气端设有安全阀，在压力超过阈值时自动泄气；高压调节器至充气阀之间为第一部分气路，第一部分气路最大允许压强为30MPa，为保证安全，设置安全阀阈值为20MPa，即当第一部分气路压力大于20MPa时，安全阀自动泄气以保证安全；高压调节器至调试用外接气源、以及低压调节器之间为第二部分气路，第二部分气路最大允许压强为0.8MPa，低压调节器至气足之间为第三部分气路，第三部分气路最大允许压强为0.8MPa，实际工作时气压为0.2MPa。

电源子系统由10000mAh可充电锂电池、充电器及稳压及变压模块组成。(如图4-5所示)稳压及变压模块将大容量锂电池的电压转化为稳定的电压，其中，飞轮电机功率近似为15W，4个冷气推力装置电磁阀功率近似为48W，工业控制计算机功率经测试为8W，控制板功率近似为2W，指示灯、路由器、稳压变压模块功率近似为5W，按供给电磁装置的功率为8W计算，电源子系统充满电之后可以连续供电1小时10分钟。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，所述综合管理系统包括：智能识别分系统，被配置为基于计算机视觉原理，采用单目相机的测量方案，以气浮机器人顶部的靶标为参照物，实现对气浮机器人的位姿测量；综合管理分系统，被配置为执行以下动作：运行xPC Target方案的宿主机-目标机“双机”模式；编辑Simulink代码；通过无线传输子系统将代码下载到目标机中执行；实时修改Simulink代码中的控制参数、发出位置指令；实时监控气浮机器人的姿态信息。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，智能识别分系统将单目相机中的靶标图像进行二值化处理后形成识别图像，其中对识别图像进行如下设置：最外层的黑色圆形标志点质心记作Z，内含的3个白色圆形标志点质心组成三角形ABC，最长边为AB，与之相对的顶点为C，次长边为AC，与之相对的顶点为B，最短边为BC，与之对应的顶点为A；首先以整张识别图像为目标区域，以黑色为前景色，白色为背景色，提取轮廓，并求解质心Z和轮廓半径，求得Z点的坐标和对应标志点的外接矩形；之后，以标志点Z的外接矩形为目标区域，以白色为前景色，黑色为背景色，提取轮廓，并求解质心，得到3个白色标志点的质心坐标，其中A、B两点的坐标进一步用于待测目标的位姿计算，C点用于待测目标之间的区分；采用靶标识别算法，通过AB的长度以及C到AB中点的距离完成多个目标的区分；整个测姿定位过程主要分三个环节，包括图像采集、特征提取和目标检测并输出结果，其中：图像采集包括：根据工作距离、成像范围等要求，设置合适的曝光时间、调节光圈及焦距，采集出成像效果最佳的图像；图像采集即得到被测物体的图像，需要的硬件部分包括光源、镜头、传感器、相机-计算机接口；摄像机与计算机的接口接收视频信号并将其放置到计算机内存，也就是信号转换为灰色或彩色矩阵图像；这一过程需要在计算机中安装一块图像采集卡的专用接口卡；特征提取包括：在指定区域生成模板图像，即生成该区域的特征，定位出模板图像的中心(参考点)，并圈定所拍摄图像的搜索区域；目标检测并输出结果包括：使用模板图像中的边缘等特征信息在搜索区域内进行搜索，根据与模板图像的对比，返回测试图像参考点的位置和角度偏移信息，并根据既定的判定条件，判定本次测姿定位数据是否可靠；如果数据可靠，位置和角度数据将通过千兆路由器，发送到气浮机器人上的工业控制计算机。

在本发明的一个实施例中，在所述的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，还包括：机器人保护子系统，被配置为位于仪表平台子系统最底层，用于避免气浮机器人之间相撞，损坏动量交换子系统；机器人支撑系统，被配置为支撑气浮系统并确保其正常工作，使得气浮系统浮于大理石平台上，实现水平两维平动和绕竖直轴的转动；在无控状态下，若要气浮机器人水平方向加速度残差不大于0.005m/s2，根据牛顿第二定律，设高精度大理石平台倾角为θ，

g×sinθ≈gθ＝0.005

其中g为重力加速度，得到

θ≈0.0005＝0.0005

大理石台倾角小于0.0005弧度即103角秒。

在本发明提供的空间机械臂在轨抓捕地面试验系统中，通过在大理石平台上，气浮系统根据操控参数，利用其包括的目标抵近模拟模块、姿态修正模块和抓捕仿真模块进行动作，检验模拟机械臂所在卫星的第一模拟星上的机械臂能否完成针对模拟机械臂所要动作的目标星的第二模拟星的抓捕任务，综合管理系统融合各个模块的信息、参数并对各个模块进行控制和监测，实现了模拟在轨姿态下抓捕机械臂对目标星的抵近，姿态修正(轨道面内)，抓捕全流程的仿真，可以有效完成星上和地面机械臂操控抓捕各阶段的关键技术仿真与验证。

本发明提供了一种操控抓捕地面演示验证系统，其能够实现模拟救援星以及目标星的在轨状态，包括飞行器动力学，飞行器相对位置姿态的模拟、空间环境的模拟、机械臂在轨任务规划以及操控抓捕任务执行的模拟等。

综上，上述实施例对空间机械臂抓捕力矩测试方法及系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种空间机械臂抓捕力矩测试方法，其特征在于，包括：

视觉监视系统实时监视机械臂是否按照任务要求运动，以使得气浮台和机械臂保持在模拟的所需工况下；

测量模块测量机械臂在按照任务要求运动情况下，气浮台的喷气量、气浮台移动的速度；

平面运动推力计算模块利用测量模块提供的气浮台的喷气量、气浮台移动的速度推导机械臂按照任务要求运动情况下对气浮台的干扰力矩；

所述所需工况包括：空间机械臂按照任务要求运动，且空间机械臂的系统重量在气浮台承载能力范围内，以避免干扰力矩超出气浮台调节能力；

步骤一：搭建平台，将空间机械臂和气浮台、抓捕目标星和气浮台两者刚性连接成组合体，并将组合体放置在大理石平台上，打开气足阀门，气浮台使能，完成测试前准备；

步骤二：模拟待抓捕目标星的在轨状态，利用运动学等效算法将待抓捕目标星模型通过气浮台模拟实际空间非合作目标的运动状态；

步骤三：通过结构光相机采集步骤二中待抓捕目标星的运动状态，根据相应特征识别目标星相对机械臂位置姿态，确定最佳抓捕位置，将抓捕目标位置姿态信息传递给空间机械臂控制器，进行抓捕轨迹规划；

步骤四：计算机械臂运动对卫星本体的干扰力矩，利用xpcscope的File模式测量并记录抓捕过程机械臂运动对卫星本体干扰力情况，输出四个冷推力器占空比数据矩阵D₁.data、D₂.data、D₃.data、D₄.data，利用式子：

F_i＝D_iF_0i

将四个喷嘴的占空比转化抓捕过程中喷嘴的实时推力F1、F2、F3、F4，

为气浮台S轴方向受到的合力，

为气浮台T轴方向受到的合力,

为气浮台Z轴方向受到的合力矩；

根据力的合成得到：

步骤五：计算抓捕过程机械臂对目标星的干扰力矩，利用xpcscope的File模式测量并记录抓捕过程机械臂运动对目标星干扰力情况，输出四个冷推力器占空比数据矩阵D₁.data、D₂.data、D₃.data、D₄.data，利用式子：

F_i＝D_iF_0i

将四个喷嘴的占空比转化抓捕过程中喷嘴的实时推力F1、F2、F3、F4；

根据力的合成得到：

空间机械臂抓捕力矩测试方法的适用范围满足：

机械臂基坐标系和气浮台的台体坐标系均为正交坐标系；

试验过程中空间机械臂和气浮台的相对关系刚性不变；

目标星抓捕接口与抓捕手抓相匹配；

空间机械臂抓捕力矩测试方法的约束条件满足：

机械臂重量在气浮台承载能力范围内，以保证气浮台运行平稳性；

机械臂扰动力不大于气浮台喷嘴最大推力。

2.如权利要求1所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法，其特征在于，还包括：

基于正交对称安装方式的冷气推力器控制气浮机器人的位姿，气浮机器人为长方体，四个冷气推力器分别安装在长方体与大理石平台垂直的四个侧壁上，其冷气推力器控制的气体流动方向与侧壁和大理石平台均平行，气体流动方向用于控制气浮机器人的姿态。

3.如权利要求2所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法，其特征在于，还包括：

设置气浮台的台体坐标系为(S,T)，设置各个冷气推力器的推力分别为F1、F2、F3、F4；

将气浮台作为平面运动刚体，设置平面运动刚体的质心C为基点；

由基点在大理石平台上的位置、以及平面运动刚体绕基点的转角确定平面运动刚体的位置；

设置大理石平台的坐标系为XOY，设置其为惯性系，设置基点的坐标为x_c,y_c。

4.如权利要求3所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法，其特征在于，还包括：

设置(S,T)坐标系中的S轴与X轴的夹角为

由x_c,y_c和

确定平面运动刚体的位置；

将平面运动刚体的运动分解为随质心C的平移和绕质心C的转动；

设置SCT为固连与质心C的台体参考系，将平面运动刚体相对于台体参考系的运动作为绕质心C的转动，则平面运动刚体对质心的动量矩为

L_c＝J_cω

其中J_c为平面运动刚体对通过质心C且与运动平面垂直的轴的转动惯量，ω为平面运动刚体的角速度。

5.如权利要求4所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法，其特征在于，还包括：

设在平面运动刚体上的外力能够向质心所在的运动平面简化为一平面力系F₁,F₂,…,F_n，则应用质心运动定理和相对于质心的动量矩定理，得到平面运动刚体的平面运动微分方程：

ma_c＝∑F_i

其中m为刚体质量，a_c为质心加速度，α为质心角速度；

应用平面运动刚体的平面运动微分方程在笛卡尔直角坐标系的投影式为

ma_cx＝∑F_x

ma_cy＝∑F_y

J_cα＝∑M_c(F_i)。

6.如权利要求5所述的空间机械臂抓捕力矩测试方法，其特征在于，气浮机器人投影式为

利用气浮台控制程序计算四个冷气推力器的喷嘴的开通时间占空比D_i，当喷嘴占空比为100％时，用精密电子秤测每个喷嘴的力为F_0i，所以喷嘴的推力为：

F_i＝D_iF_0i

F_0i的测量方法是把喷嘴的喷气口垂直对准电子秤，架空喷嘴，调节减压阀到最大，设置占空比为100％，喷气，读取电子秤测到的力；

i＝1、2、…、n；利用xpcscope的File模式保存程序运行的结果，程序运行结束后，保存四个喷嘴的工作数据，并计算每个喷嘴的推力，带入到气浮机器人投影式计算得出

和

7.一种实施如权利要求1所述的方法的空间机械臂抓捕力矩测试系统，其特征在于，包括：

视觉监视系统，被配置为实时监视机械臂是否按照任务要求运动，以使得气浮台和机械臂保持在模拟的所需工况下；

测量模块，被配置为测量机械臂在按照任务要求运动情况下，气浮台的喷气量、气浮台移动的速度；

平面运动推力计算模块，被配置为利用测量模块提供的气浮台的喷气量、气浮台移动的速度推导机械臂按照任务要求运动情况下对气浮台的干扰力矩；

所述所需工况包括：空间机械臂按照任务要求运动，且空间机械臂的系统重量在气浮台承载能力范围内，以避免干扰力矩超出气浮台调节能力。

Images