CN117007348A - 一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，包括关节解耦气浮装置、镜像机械臂、数字孪生机械臂、六自由度目标模拟器；关节解耦气浮装置将空间机械臂解耦，并以气浮方式支撑解耦后的空间机械臂，抵消或部分抵消空间机械臂关节由重力引起的负载力矩；镜像机械臂根据负载电机的驱动指令在地面三维空间进行六维运动，实现空间机械臂空间抓捕目标的全在环测试；六自由度目标模拟器由工业机械臂驱动，模拟被抓捕目标相对于空间机械臂基座的运动特性；数字孪生机械臂实现空间机械臂动力学实时计算、三维显示、目标相对位姿的计算功能。本发明能够实现机械臂在轨目标抓捕操控的完全复现，试验精度高，能够满足空间机械臂高动态地面实验需求。

Description

一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统

技术领域

本发明属于空间机器人地面试验领域，涉及一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统。

背景技术

科学技术的进步推进人类在太空的活动更加活跃。对航天器开展在轨捕获、维护、加注、模块升级等在轨服务是航天领域未来发展的热点。宇航员出舱执行在轨服务任务风险极高，空间机械臂代替宇航员开展在轨服务有利于降低风险、控制成本，具有很高的实用价值。为确保空间机械臂成功任务在轨执行任务，必须开展充分的地面实验。在地面重力环境下开展全状态实验测试空间机械臂在轨微重力运动规划及控制算法是空间机器人领域研究的热点。目前常用的空间机器人地面实验方法主要有6种，分别是基于自由落体运动的微重力模拟实验方法、基于抛物线飞行的微重力模拟实验方法、水浮法、气浮法、吊丝配重法、硬件在环混合实验方法。

自由落体法及抛物线飞行法能够高精度模拟失重环境但实验时间较短、成本很高，一般用于航天员训练，不适用于空间机械臂地面实验。水浮法依靠水的浮力抵消重力进而模拟太空微重力环境，水浮法不受时间限制但引入了水粘性阻尼且需要对被测试设备设计额外的防水措施，一般也不用于空间机械臂地面实验。气浮法通过气浮轴承形成微米级气膜抵消摩擦力支撑被测物体完成微重力环境动力学测试，该方法不受时间限制、成本低廉常用于卫星、飞船等航天器GNC系统地面实验，但对于多自由度空间机械臂地面实验，气浮法仅能开展平面2维微重力模拟，不能开展机械臂笛卡尔空间地面实验。吊丝配重法通过吊丝将机械臂悬吊并通过配重块抵消重力达到平衡，或者采用主动张力控制方法由电机控制吊丝的张力抵消被测物体的重力，该方法能够长时间模拟动态模拟微重力环境且成本较低，是空间机器人常用的地面实验方法，但该方法由于悬丝动力学扰动较大，实验时一般运动速度较慢不能满足空间机械臂高动态地面实验需求。硬件在环混合实验方法由空间机械臂动力学模型在环驱动两条或多条工业机械臂末端产生漂浮状态运动，一般用于在轨抓捕或接触操作算法研究，而不能对提供在轨服务的空间机械臂实物直接进行地面测试。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统。

本发明解决技术的方案是：

一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，包括关节解耦气浮装置、镜像机械臂、数字孪生机械臂、六自由度目标模拟器；

关节解耦气浮装置：将空间机械臂解耦为肩关节组合体、肘关节组合体、腕关节组合体；并以气浮方式支撑解耦后的空间机械臂，抵消或部分抵消空间机械臂关节由重力引起的负载力矩，实现空间机械臂各个关节协同运动；

镜像机械臂：根据负载电机的驱动指令在地面三维空间进行六维运动，其运动状态与空间机械臂各个关节运动状态一致，实现空间机械臂空间抓捕目标的全在环测试；所述负载电机的驱动指令根据空间机械臂关节实时运动状态产生；

六自由度目标模拟器：由工业机械臂驱动，模拟被抓捕目标相对于空间机械臂基座的运动特性；

数字孪生机械臂：实现空间机械臂动力学实时计算、三维显示、目标相对位姿的计算功能。

优选的，空间机械臂包括七个关节，肘部4关节固定在肘部固定连接件上，肘部4关节上部连接肩部3关节，肩部3关节通过肩部臂杆连接肩部2关节，肩部2关节与肩部1关节连接，肩部2关节的旋转轴与肩部1关节的旋转轴相互垂直；肘部4关节下部连接腕部5关节，腕部5关节通过腕部臂杆连接腕部6关节，腕部6关节连接腕部7关节，腕部7关节连接末端执行器；

肩部3关节、肩部臂杆、肩部2关节、肩部1关节组成“肩关节组合体”；肘部4关节构成“肘关节组合体”；腕部5关节、腕部臂杆、腕部6关节、腕部7关节组成“腕关节组合体”。

优选的，所述关节解耦气浮装置包括平面气浮装置和气浮基座。

优选的，平面气浮装置的一种试验状态如下：

将空间机械臂肘部固定连接件安装在气浮基座上，实现七自由度空间机械臂解耦为“3+1+3”自由度，此时需要两个气浮装置，分别支撑肩部臂杆和腕部臂杆，解耦后“肩关节组合体”包括3自由度、“肘关节组合体”包括1自由度、“腕关节组合体”包括3自由度，实现地面试验机械臂七自由度与空间中真实转动情况的完全试验验证。

优选的，平面气浮装置的一种试验状态如下：将空间机械臂肩部1关节通过肩部固定连接件安装气浮基座上，此时需要三个平面气浮装置，分别支撑肩部臂杆、肘部4关节，腕部臂杆，实现七自由度空间机械臂2关节，4关节和5、6、7关节与空间中真实转动情况的完全试验验证。

优选的，肩部1关节无外部负载，肩部2关节以肩部1关节为负载，肩部3关节以肩部1关节、肩部2关节及肩部臂杆为负载；在肩部臂杆上设计滑环机构，以平衡肩部3关节以及肘部4关节负载弯矩，使得肩部3关节和肘部4关节几乎不承受肩部1关节和肩部2关节重量产生的负载扭矩；在腕部臂杆上设计滑环机构，以平衡腕部6关节、腕部7关节以及末端执行器的负载弯矩，使得腕部5关节和肘部4关节几乎不承受腕部6关节、腕部7关节以及末端执行器重量产生的负载扭矩。

优选的，腕部7关节负载仅为末端执行器，腕部6关节负载为腕部7关节及末端执行器的组合体。

优选的，所述镜像机械臂运动学参数及涉及碰撞检测的外形参数与空间机械臂一致；镜像机械臂由空间机械臂关节运动状态驱动，高精度复现空间机械臂末端笛卡尔运动状态，并直接带动手眼相机完成对目标位姿的动态测量。

优选的，利用空间动力学补偿控制方法，实时计算地面试验系统残余力矩误差，消除关节解耦气浮装置未完全抵消的地面重力干扰误差。

优选的，所述空间动力学补偿控制方法实现步骤如下：

第一步，根据空间机械臂的动力学参数建立固定基空间机械臂在轨动力学模型，并按照各关节运动角度、角速度、角加速度输入计算第j个关节所需的关节力矩τ_jm，j＝1,2,3,4,5,6,7；

第二步，将空间机械臂肘部固定连接件安装在气浮基座上，输入与第一步相同的各关节运动角度、角速度、角加速度，实时记录空间机械臂第j个关节的关节力矩传感器测量值τ_ja；

第三步，选取N段任务对应的空间机械臂的各关节运动角度、角速度、角加速度轨迹，分别按照第一步和第二步计算每段任务中第j个关节所需的关节力矩τ_jm1,τ_jm2...τ_jmN，并记录每段任务中第j个关节的关节力矩传感器测量值τ_ja1,τ_ja2...τ_jaN，其中N≥5；

第四步，利用如下公式求取第j个关节的归一化力矩补偿值Δτ_js：

其中，T_s为采样频率，T_i为第i段任务的任务时长，k＝[T_i/T_s]，[]为取整数符号，τ_jmit和τ_jait分别为空间机械臂第j个关节在第i段任务第t个采样周期时的计算关节力矩和力矩传感器测量的关节力矩，q_jit为第j个关节在第i段任务第t个采样周期时的关节运动角度，单位为弧度；

第五步，利用第j个关节的归一化力矩补偿值对测得的第j个关节的关节力矩传感器测量值进行动力学补偿，补偿后第j个关节的地面试验力矩值为τ_je＝τ_ja+q_jΔτ_js，其中，q_j为当前空间机械臂第j个关节运动角度。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明提出的包括关节解耦气浮装置、镜像机械臂、数字孪生机械臂、六自由度目标模拟器的空间机械臂全状态气浮地面试验系统，能够实现机械臂在轨目标抓捕操控的完全复现，且地面气浮试验、镜像机械臂试验、数字孪生机械臂试验互为对照，更全面对比和验证空间机械臂在轨执行任务各项数据的正确性和合理性。

(2)本发明通过关节解耦气浮试验方法实现地面环境中空间机械臂所有关节完全复现在轨执行任务时空间机械臂关节运动情况；通过空间动力学补偿控制方法，能够实时计算地面试验系统残余力矩误差，消除关节解耦气浮装置未完全抵消的地面重力干扰误差。试验精度高，能够满足空间机械臂高动态地面实验需求。

附图说明

图1动力学补偿控制算法流程图；

图2为本发明的空间机械臂示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

本发明一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统包括关节解耦气浮装置、镜像机械臂系统、数字孪生机械臂、6自由度目标模拟器，实现对空间机械臂、机械臂控制器、手眼相机等空间机械臂系统实物产品的性能测试。

关节解耦气浮装置，将空间机械臂解耦为肩关节组合体、肘关节组合体、腕关节组合体；并以气浮方式支撑解耦后的空间机械臂，抵消或部分抵消空间机械臂关节由重力引起的负载力矩，进而对空间机械臂实施减载支撑，实现机械臂7个关节协同运动。

镜像机械臂由大负载电机驱动，能够在地面三维空间实现六维运动，其运动学参数及设计碰撞检测的关键外形参数与空间机械臂一致。

镜像机械臂，由空间机械臂关节运动状态驱动，高精度复现空间机械臂末端笛卡尔运动状态，并直接带动手眼相机完成对目标位姿的动态测量。

试验目标为六自由度目标模拟器，由工业机械臂驱动，模拟被抓捕目标相对于空间机械臂基座的运动特性。

数字孪生机械臂实现空间机械臂动力学实时计算、三维显示、目标相对位姿计算等功能。

本发明实现在地面重力环境下对空间机械臂关节空间及笛卡尔空间运动解耦，支持空间机械臂、机械臂控制器、手眼相机等全部实物产品在环的地面实验。

本发明的空间机械臂如图2所示。空间机械臂包括七个关节，肘部4关节固定在肘部固定连接件上，肘部4关节上部连接肩部3关节，肩部3关节通过肩部臂杆连接肩部2关节，肩部2关节与肩部1关节连接，肩部2关节的旋转轴与肩部1关节的旋转轴相互垂直；肘部4关节下部连接腕部5关节，腕部5关节通过腕部臂杆连接腕部6关节，腕部6关节连接腕部7关节，腕部7关节连接末端执行器；

关节解耦气浮装置包括平面气浮装置和基座；通过固定肘关节的方式将7自由度空间机械臂分解为“”“3+1+3”自由度，解耦后分别为“肩关节组合体”、“肘关节组合体”、“腕关节组合体”。肩部3关节、肩部臂杆、肩部2关节、肩部1关节组成“肩关节组合体”；肘部4关节构成“肘关节组合体”；腕部5关节、腕部臂杆、腕部6关节、腕部7关节组成“腕关节组合体”。平面气浮装置有两种试验状态：

第一种，将空间机械臂肘部固定连接件安装在气浮基座上，实现七自由度空间机械臂解耦为“3+1+3”自由度，此时需要两个气浮装置，分别支撑肩部臂杆和腕部臂杆，解耦后“肩关节组合体”包括3自由度、“肘关节组合体”包括1自由度、“腕关节组合体”包括3自由度，实现地面试验机械臂七自由度与空间中真实转动情况的完全试验验证。

第二种，将空间机械臂肩部1关节通过肩部固定连接件安装气浮基座上，此时需要三个平面气浮装置，分别支撑肩部臂杆、肘部4关节，腕部臂杆，实现七自由度空间机械臂2关节，4关节和5、6、7关节与空间中真实转动情况的完全试验验证。

“肘关节组合体”，由平面气浮装置支撑肘部4关节两侧的肩部臂杆和腕部臂杆，抵消关节负载弯矩，实现零重力效果。

“肩关节组合体”，由于肘部结构固连、平面气浮装置1气足支撑了肩部臂杆且肩部基座自由。肩部1关节无外部负载，肩部2关节以肩部1关节结构为负载，肩部3关节以肩部1和肩部2关节组合体及肩部臂杆为负载。在肩部臂杆上设计滑环机构，可平衡肩部3关节负载弯矩使得肩部3关节和肘部4关节几乎不承受肩部1关节和肩部2关节结构重量产生的负载扭矩。

“腕关节组合体”，由于肘部结构固连、平面气浮装置2气足支撑了腕部臂杆且腕部整体结构自由。腕部7关节负载仅为末端执行器，腕部6关节负载为腕部7关节及末端执行组合体，在腕部臂杆上设计滑环机构，以平衡腕部6关节、腕部7关节以及末端执行器的负载弯矩，使得腕部5关节和肘部4关节几乎不承受腕部6关节、腕部7关节以及末端执行器重量产生的负载扭矩。

本发明首先利用七自由度关节解耦气浮系统将空间机械臂肩关节、肘关节及腕关节进行气浮支撑，将七自由度空间机械臂解耦为“3+1+3”自由度，抵消了自身重力弯矩，实现了七关节地面±180°联动、复现空间运动状态。并且，利用提出的如图1所示的7DOF关节空间动力学补偿控制方法，实时计算地面试验系统残余力矩误差，消除了气浮解耦试验装置未完全抵消的地面重力干扰误差。

如图1所示，空间动力学补偿控制方法实现步骤如下：

第一步，根据空间机械臂的动力学参数建立固定基空间机械臂在轨动力学模型，并按照各关节运动角度、角速度、角加速度输入计算第j个关节所需的关节力矩τ_jm，j＝1,2,3,4,5,6,7；

第二步，将空间机械臂肘部固定连接件安装在气浮基座上，输入与第一步相同的各关节运动角度、角速度、角加速度，实时记录空间机械臂第j个关节的关节力矩传感器测量值τ_ja；

第三步，选取N段任务对应的空间机械臂的各关节运动角度、角速度、角加速度轨迹，分别按照第一步和第二步计算每段任务中第j个关节所需的关节力矩τ_jm1,τ_jm2...τ_jmN，并记录每段任务中第j个关节的关节力矩传感器测量值τ_ja1,τ_ja2...τ_jaN，其中N≥5；

第四步，利用如下公式求取第j个关节的归一化力矩补偿值Δτ_js：

4.1令β＝0；

4.2令k＝[T_i/T_s]，t＝1；

4.3进入步骤4.4；

4.4判断t是否小于k，若是，则t＝t+1，返回步骤4.3；若否，进入步骤4.5；

4.5判断i是否小于N，若是，则i＝i+1，返回步骤4.2；若否，则进入4.6；

4.6利用公式Δτ_js＝β/N求取归一化力矩补偿值；

其中，T_s为采样频率，T_i为第i段任务的任务时长，[]为取整数符号，τ_jmit和τ_jait分别为空间机械臂第j个关节在第i段任务第t个采样周期时的计算关节力矩和力矩传感器测量关节力矩，q_jit为第j个关节在第i段任务第t个采样周期时的关节角，单位为弧度；

上述4.1-4.6即相当于归一化力矩补偿值为

第五步，利用第j个关节的归一化力矩补偿值对测得的第j个关节的关节力矩传感器测量值进行动力学补偿，补偿后第j个关节的地面试验力矩值为τ_je＝τ_ja+q_jΔτ_js，其中，q_j为当前空间机械臂第j个关节运动角度。

本发明利用镜像机械臂与空间机械臂实时交互，解决了弱刚度空间机械的地面高刚度重建、本体与镜像高速信息交互和高动态控制等难题。

本发明利用七自由度关节解耦气浮系统和镜像机械臂，实现空间目标抓捕全状态地面试验，解决了视觉跟踪精度测试和地面试验问题，实现了空间机械臂空间抓捕软硬件全在环测试。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：包括关节解耦气浮装置、镜像机械臂、数字孪生机械臂、六自由度目标模拟器；

关节解耦气浮装置：将空间机械臂解耦为肩关节组合体、肘关节组合体、腕关节组合体；并以气浮方式支撑解耦后的空间机械臂，抵消或部分抵消空间机械臂关节由重力引起的负载力矩，实现空间机械臂各个关节协同运动；

镜像机械臂：根据负载电机的驱动指令在地面三维空间进行六维运动，其运动状态与空间机械臂各个关节运动状态一致，实现空间机械臂空间抓捕目标的全在环测试；所述负载电机的驱动指令根据空间机械臂关节实时运动状态产生；

六自由度目标模拟器：由工业机械臂驱动，模拟被抓捕目标相对于空间机械臂基座的运动特性；

数字孪生机械臂：实现空间机械臂动力学实时计算、三维显示、目标相对位姿的计算功能。

2.根据权利要求1所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：空间机械臂包括七个关节，肘部4关节固定在肘部固定连接件上，肘部4关节上部连接肩部3关节，肩部3关节通过肩部臂杆连接肩部2关节，肩部2关节与肩部1关节连接，肩部2关节的旋转轴与肩部1关节的旋转轴相互垂直；肘部4关节下部连接腕部5关节，腕部5关节通过腕部臂杆连接腕部6关节，腕部6关节连接腕部7关节，腕部7关节连接末端执行器；

肩部3关节、肩部臂杆、肩部2关节、肩部1关节组成“肩关节组合体”；肘部4关节构成“肘关节组合体”；腕部5关节、腕部臂杆、腕部6关节、腕部7关节组成“腕关节组合体”。

3.根据权利要求2所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：所述关节解耦气浮装置包括平面气浮装置和气浮基座。

4.根据权利要求3所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：平面气浮装置的一种试验状态如下：

将空间机械臂肘部固定连接件安装在气浮基座上，实现七自由度空间机械臂解耦为“3+1+3”自由度，此时需要两个气浮装置，分别支撑肩部臂杆和腕部臂杆，解耦后“肩关节组合体”包括3自由度、“肘关节组合体”包括1自由度、“腕关节组合体”包括3自由度，实现地面试验机械臂七自由度与空间中真实转动情况的完全试验验证。

5.根据权利要求3所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：平面气浮装置的一种试验状态如下：将空间机械臂肩部1关节通过肩部固定连接件安装气浮基座上，此时需要三个平面气浮装置，分别支撑肩部臂杆、肘部4关节，腕部臂杆，实现七自由度空间机械臂2关节，4关节和5、6、7关节与空间中真实转动情况的完全试验验证。

6.根据权利要求4所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：肩部1关节无外部负载，肩部2关节以肩部1关节为负载，肩部3关节以肩部1关节、肩部2关节及肩部臂杆为负载；在肩部臂杆上设计滑环机构，以平衡肩部3关节以及肘部4关节负载弯矩，使得肩部3关节和肘部4关节几乎不承受肩部1关节和肩部2关节重量产生的负载扭矩；在腕部臂杆上设计滑环机构，以平衡腕部6关节、腕部7关节以及末端执行器的负载弯矩，使得腕部5关节和肘部4关节几乎不承受腕部6关节、腕部7关节以及末端执行器重量产生的负载扭矩。

7.根据权利要求4或5所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：腕部7关节负载仅为末端执行器，腕部6关节负载为腕部7关节及末端执行器的组合体。

8.根据权利要求1所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：所述镜像机械臂运动学参数及涉及碰撞检测的外形参数与空间机械臂一致；镜像机械臂由空间机械臂关节运动状态驱动，高精度复现空间机械臂末端笛卡尔运动状态，并直接带动手眼相机完成对目标位姿的动态测量。

9.根据权利要求1所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：利用空间动力学补偿控制方法，实时计算地面试验系统残余力矩误差，消除关节解耦气浮装置未完全抵消的地面重力干扰误差。

10.根据权利要求9所述的一种空间机械臂全状态气浮地面试验系统，其特征在于：所述空间动力学补偿控制方法实现步骤如下：

第一步，根据空间机械臂的动力学参数建立固定基空间机械臂在轨动力学模型，并按照各关节运动角度、角速度、角加速度输入计算第j个关节所需的关节力矩τ_jm，j＝1,2,3,4,5,6,7；

第二步，将空间机械臂肘部固定连接件安装在气浮基座上，输入与第一步相同的各关节运动角度、角速度、角加速度，实时记录空间机械臂第j个关节的关节力矩传感器测量值τ_ja；

第三步，选取N段任务对应的空间机械臂的各关节运动角度、角速度、角加速度轨迹，分别按照第一步和第二步计算每段任务中第j个关节所需的关节力矩τ_jm1,τ_jm2...τ_jmN，并记录每段任务中第j个关节的关节力矩传感器测量值τ_ja1,τ_ja2...τ_jaN，其中N≥5；

第四步，利用如下公式求取第j个关节的归一化力矩补偿值Δτ_js：

其中，T_s为采样频率，T_i为第i段任务的任务时长，k＝[T_i/T_s]，[]为取整数符号，τ_jmit和τ_jait分别为空间机械臂第j个关节在第i段任务第t个采样周期时的计算关节力矩和力矩传感器测量的关节力矩，q_jit为第j个关节在第i段任务第t个采样周期时的关节运动角度，单位为弧度；

第五步，利用第j个关节的归一化力矩补偿值对测得的第j个关节的关节力矩传感器测量值进行动力学补偿，补偿后第j个关节的地面试验力矩值为τ_je＝τ_ja+q_jΔτ_js，其中，q_j为当前空间机械臂第j个关节运动角度。