[發明專利]一種三爪式空間末端執行器在微重力環境下的捕獲容差能力測試系統及方法

有效

• 申請號: 201410168290.0
• 申請日: 2014-04-24
• 公開（公告）號: CN103955207A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 楊海濤;謝宗武;趙曉宇;張禹;金明河;劉宏
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明屬于空間機器人或航天器地面驗證系統領域，涉及一種三爪式空間機械臂末端執行器在微重力環境下捕獲目標的容差能力測試系統及方法。

背景技術

一般空間機械臂進行在軌服務時，要求保證其工作的可靠性和穩定性。而末端執行器作為捕獲或搬運工具，其可靠性會對整個系統任務完成的可靠性產生較大影響。由于空間微重力環境的影響，目標處于微重力狀態，其位姿狀態會受到捕獲或操作的接觸力的影響而產生擾動，并且由于機械臂自身的定位精度和視覺伺服精度也存在一定的位姿偏差，因此空間末端執行器捕獲目標的操作便需要具備一定的包容目標相對位姿偏差的能力，即捕獲容差能力。考慮到發射成本昂貴且在太空中操作的風險較大，空間末端執行器的可靠性和捕獲容差能力在送入太空之前需要在地面上進行充分的驗證實驗。但由于地球重力的影響，空間末端執行器不具備在空間機械臂上直接進行三維空間任意姿態操作的條件。為了模擬太空中的微重力的環境，再現空間末端執行器的捕獲過程，因此需要設計一套地面捕獲容差能力驗證系統以便進行相關的捕獲容差測試實驗。

由于真實空間機器人本身結構具有很大柔性，且受到地球重力的影響，因此不具備在地面上進行直接實驗或驗證的條件。面對這種情況，各國空間研究機構開發了各種地面上微重力仿真實驗方法。美國Carnegie?Mellon大學提出了采用懸吊配重的方法來抵消地球重力的影響，從而模擬太空微重力環境的方案。該方案已經被接受，被應用于Carnegie?Mellon大學的自主運動空間機器人SM2(Self-Mobile?Space?Manipulator)的地面實驗平臺。這種方法具有一定的可行性，但是系統較復雜，安全性和可靠性差，且不具備通用性。基于這一原理的還有日本H.Fujii的空間機械臂微重力仿真系統，以及我國航天科技集團502所研制的“艙外自由移動機器人系統”(EMR)等。美國和日本研究了基于自由落體或拋物線運動的實驗系統，但是其造價太高，且時間太短，雖有非常好的微重力效果，但不適合空間機器人的地面試驗。美國Maryland大學采用的水浮原理研制了Ranger地面實驗系統——NBRF(Neutral?Buoyancy?Research?Facility)來進行Ranger空間機械臂的研究，可實現空間機器人在三維空間里操作的物理仿真。但系統的維護費用高、實驗時需保證系統的100％密封性。綜合考慮到實驗平臺的開發成本和難度等因素，各國大多都采用氣浮平臺進行二維平面初步的仿真和驗證，比如美國Stanford大學的SRMS地面實驗平臺和加拿大的SSRMS機械臂地面實驗都采用了氣浮平臺來進行地面實驗。該方法重力補償比較徹底，建造周期短，費用低，易于實現。但是其缺點是通常只能進行平面二維實驗，無法實現在微重力環境下機械臂或航天器在三維空間的六自由度運動。

現存微重力三維實驗平臺的實現方法雖然很多，但是通常建立的系統復雜且造價昂貴，導致地面實驗的驗證的充分性受到一定的限制。

發明內容

本發明是要解決現有其它微重力平臺驗證系統較復雜，安全性和可靠性差，且不具備通用性，現有微重力實驗方法只能進行平面二維實驗，無法實現在微重力環境下機械臂或航天器在三維空間的六自由度運動的問題，而提供了一種三爪式空間末端執行器在微重力環境下的捕獲容差能力測試系統及方法。

三爪式空間末端執行器在微重力環境下的捕獲容差能力測試系統包括捕獲子系統、目標子系統和測量子系統；

所述捕獲子系統包括工業機器人A、六維力矩傳感器、手眼相機和三爪式空間末端執行器；

其中，所述工業機器人A末端固定有六維力矩傳感器、手眼相機和三爪式空間末端執行器，所述工業機器人A主要用于模擬在微重力環境下空間機器人在三維空間的六自由度運動；

所述目標子系統包括六維力矩傳感器、工業機器人T和待捕獲目標；

所述工業機器人T末端安裝有六維力矩傳感器和待捕獲目標，所述工業機器人T主要用于模擬在微重力環境下空間待捕獲目標在三維空間的自由漂浮運動；

所述捕獲子系統主要根據手眼相機測得的空間末端執行器與待捕獲目標之間的相對位姿關系，工業機器人A在手眼相機提供的相對位姿的引導下根據空間機器人的期望運動來接近待捕獲目標，并進入捕獲區域，最后進行捕獲任務；

所述目標子系統中的待捕獲目標處于自由漂浮狀態，其初始狀態可以設置為靜止狀態，在捕獲過程中，根據六維力矩傳感器測量的捕獲時的接觸力來進行相應的運動來模擬空間自由漂浮運動；

所述測量子系統包括激光跟蹤儀和靶球；所述激光跟蹤儀通過靶球分別與三爪式空間末端執行器和待捕獲目標相連。