[發明專利]小行星附著機構半物理仿真系統及方法

有效

• 申請號: 202010441990.8
• 申請日: 2020-05-22
• 公開（公告）號: CN111571563B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發明（設計）人: 何俊;沈銘錦;高峰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B25J5/02
• 分類號: B25J5/02;B25J9/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

1.一種小行星附著機構半物理仿真系統，其特征在于，包括直線導軌裝置、第一工業機器人、第二工業機器人；

所述第一工業機器人的基座固定在地面上，能夠模擬在微重力環境下小行星的自轉；

所述直線導軌裝置包括直線導軌和移動臺，直線導軌固定在地面上，第二工業機器人的基座設置在移動臺上，移動臺安裝在直線導軌上，第二工業機器人能夠沿直線導軌方向移動，能夠模擬在微重力環境下接近小行星表面的運動；

所述第二工業機器人的末端安裝有小行星附著機構，通過第二工業機器人來平衡附著機構的重力，所述第二工業機器人、直線導軌裝置和小行星附著機構用來模擬在微重力環境下空間小行星附著機構接近小行星表面的運動；

所述第一工業機器人的末端安裝有六維力傳感器，六維力傳感器和小行星地面模擬裝置連接，第一工業機器人、六維力傳感器和小行星地面模擬裝置模擬在微重力環境下小行星的自轉；

所述六維力傳感器安裝在第一工業機器人的末端，用于實時測量小行星附著機構與小行星地面模擬裝置發生接觸時產生的接觸力狀況，用于空間微重力環境下的碰撞過程的模擬；

所述小行星附著機構安裝在第二工業機器人的末端，用于模擬在微重力環境下第二工業機器人接近并附著在小行星表面的運動過程，在附著過程中，根據第一工業機器人上的六維力傳感器測量得到的接觸力狀況，模擬在附著過程中小行星附著機構受到接觸力影響而產生的相對運動過程。

2.根據權利要求1所述的小行星附著機構半物理仿真系統，其特征在于，所述移動臺安裝在直線導軌上，移動臺上安裝有伺服電機，驅動絲桿轉動，帶動滑塊移動，從而帶動安裝在滑塊上的移動臺移動，使第二工業機器人和其末端的小行星附著機構在直線導軌方向上實現前后移動。

3.根據權利要求2所述的小行星附著機構半物理仿真系統，其特征在于，所述小行星地面模擬裝置用于模擬與小行星附著機構接觸的小行星自轉運動過程，與六維力傳感器相連，能夠模擬產生附著過程的接觸力。

4.一種小行星附著機構半物理仿真系統方法，利用權利要求1至3中任一項所述的系統，其特征在于，包括：

步驟一，首先完成實驗平臺的搭建，將移動臺安裝在直線導軌上，第二工業機器人的基座固定在移動臺上，將小行星附著機構安裝在第二工業機器人末端，而在第一工業機器人末端安裝六維力傳感器，六維力傳感器連接小行星地面模擬裝置；

步驟二，控制第二工業機器人模擬小行星附著機構的微重力狀態；

步驟三，控制第一工業機器人模擬小行星的自轉運動狀態；

步驟四，控制直線導軌移動臺和第二工業機器人的關節伺服運動，模擬在微重力環境下小行星附著機構靠近并附著在小行星表面的相對運動過程；

步驟五，第一工業機器人末端的六維力傳感器采集小行星附著機構與小行星地面模擬裝置發生碰撞過程產生的接觸力信息；

步驟六，通過力補償算法消除半物理仿真系統失真對實驗結果的影響，得到校準后的接觸力信息；

步驟七，將校準后的接觸力信息通過六維力傳感器相對位姿之間的坐標變換模型換算到固定坐標系下的接觸力信息；

步驟八，通過碰撞動力學模型得到在微重力環境下受到接觸力的影響小行星附著機構相對小行星表面的運動速度和運動位姿；

步驟九，將動力學解算得到的小行星附著機構的相對運動通過坐標變換得到第二工業機器人末端的運動位姿，通過工業機器人的運動學逆解，從而控制直線導軌和第二工業機器人的關節伺服運動，

步驟十，第二工業機器人末端的小行星附著機構根據碰撞動力學解算得到的運動軌跡會短暫地飄離小行星地面模擬裝置，此時繼續控制第一工業機器人重復步驟四到步驟十的過程，以完成半物理仿真系統實驗。

5.根據權利要求4所述的小行星附著機構半物理仿真系統方法，其特征在于，步驟六中力補償算法具體實現過程如下：

首先需要補償六維力傳感器測量的滯后誤差；

將補償后的力和力矩與第二工業機器人末端位姿在一個采樣周期前后兩個時刻的差值，利用質量-彈簧模型求解得到同一時刻下模擬碰撞過程的虛擬剛度；

根據正運動學求得第二工業機器人末端實際位姿，將實際位姿與步驟八中得到的理想運動位姿的差值作為控制系統部分的響應誤差；

建立兩個工業機器人發生碰撞時結構變形的質量-彈簧-阻尼模型，根據測量得到的力和力矩計算得到模擬器實際碰撞過程的結構變形誤差；

最后根據虛擬剛度、響應誤差和結構變形誤差求解得到補償力，進而求得補償力矩，最終將補償后的結果作為實際碰撞過程的輸出代入到空間碰撞動力學模型中。