[發明專利]一種基于手眼相機的空間機械臂在軌標定方法及系統

有效

• 申請號: 201710985031.0
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107817682B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 肖帥;劉蕊;劉忠漢;饒衛東;梁靜靜;寧宇
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 胡健男

一種基于手眼相機的空間機械臂在軌標定方法及系統如下：(1)在多組不同構型下，利用空間機械臂末端安裝的手眼相機對靶標進行成像；(2)記錄每組構型下空間機械臂各關節的角度測量值以及手眼相機測量的空間機械臂末端的位姿數據；(3)將不同構型下空間機械臂的關節角度數據和末端位姿數據代入空間機械臂正運動學方程，建立關于空間機械臂結構參數的非線性方程組；(4)采用數值迭代的算法對所建立的非線性方程組進行求解，獲得空間機械臂的結構參數。該方法可以用于航天器發射入軌后，對空間機械臂的結構參數進行在軌標定，從而有效提高空間機械臂的控制精度。

技術領域

本發明涉及一種基于手眼相機的空間機械臂在軌標定方法及系統，屬于空間機器人技術領域。

背景技術

對于空間機械臂，尤其是靈巧型操控機械臂，為了實現末端工具對目標物的準確操作，往往要求空間機械臂具有較高的控制精度。機械臂末端的控制精度與機械臂本身結構參數的測量精度是直接相關的。在地面條件下，借助于精確的地面測量裝置，可以比較容易地實現對機械臂結構參數的精確測量。然而，空間機械臂在飛行器發射過程中會承受巨大的振動和沖擊，同時，機械臂在軌空間環境與地面環境在重力等方面差異較大，不可避免地會引起機械臂結構參數發生變化。因此，為了保證空間機械臂在軌運行時的控制精度，在進行任務操作之前對其進行在軌標定顯得尤為重要。

在地面條件下，借助于精密的地面測量裝置，可以容易地實現對空間機械臂結構參數的精確測量，目前這方面的研究也比較成熟。然而，在軌空間環境下，由于無法使用外部精密測量儀器，使得空間機械臂的在軌標定變得困難。目前關于這方面研究的報道還很少。文獻[1]報道了日本在“發現號”航天飛機進行的一項空間機械臂在軌標定試驗。它利用手眼相機對特定標志物進行多次測量，通過計算獲得一個標定矩陣，在軌跡規劃過程中，將實際期望的末端位姿矩陣左乘標定矩陣，從而實現對機械臂連桿參數的修正補償。文獻[2]基于DH參數法建立空間機械臂的標定模型，然后采用線性化的方法建立了空間機械臂的線性化模型，然后利用手眼相機對特定標志物進行多次測量獲得足夠的標定模型數據，從而求得機械臂運動學參數的誤差。

[1].Y.Horikawa,M.Nagatomo.On the results of the Manipulator FlightDemonstration for the JEM-Mission review and the results of the flightcalibration experiment[C].49th International Astronautical Congress.Sept28-Oct 2,1998,Melbourne,Australia.

[2].譚月勝，孫漢旭，賈慶軒，陳佶，張秋豪.空間機械臂的一種自標定方法[J].宇航學報，2006,27(3):740-744.

上述文獻的技術方案的缺點主要體現在：(1)采用修正矩陣的方法只適用于空間機械臂工作在某個構型下，并不適用于所有構型的情況；(2)目前已有的方法都是采用線性化的方法，線性化方法的計算過程比較復雜，對于每個標定測例，都需要對非線性模型進行線性化處理，然后在進行數據處理；(3)線性化方法對空間機械臂的非線性模型進行線性化的過程，實際上是一個近似過程，因此必然會導致標定精度的降低。

發明內容

本發明解決的技術問題為：克服現有技術不足，提供一種基于手眼相機的空間機械臂在軌標定方法及系統，該方法直接基于空間機械臂的非線性運動學模型，采用數值迭代算法對空間機械臂的結構參數進行標定，該方法實施簡單，可以有效提高空間機械臂的在軌標定精度?？臻g機械臂在軌標定示意圖見圖1所示。

本發明解決的技術方案為：一種基于手眼相機的空間機械臂在軌標定方法，包括步驟如下：

(1)在手眼相機相對靶標的不同位姿狀態下，利用空間機械臂末端安裝的手眼相機對靶標進行成像；