一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，其中所以依赖的微重力模拟系统包括硬件部分：气浮平台、机械臂系统、目标星系统、工控机；以及软件部分：机械臂控制软件及数据采集分析软件，机械臂系统及目标星系统底部分别装有气足，通气后在气浮平台上能够模拟太空的自由漂浮状态；由机械臂控制软件控制机械臂与目标星系统进行碰撞，由传感器采集碰撞前后的各项物理数据并与理论碰撞算法得到的结果进行对比分析，以验证空间碰撞算法的有效性、正确性。
【专利说明】-种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，属于空间 在轨装配【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 根据我国载人航天发展规划，2020年左右将逐次发射多个舱体，并通过在轨组装 构建空间站。空间机械臂在轨装配技术是舱体组装的关键技术，对空间站构建具有重要意 义。而装配过程中机械臂与被装配物不可避免的会发生碰撞，由于目前缺乏该方面的系统 研究及验证，使得空间机械臂的应用受到极大限制。因此在地面搭建微重力模拟平台，并基 于此对空间机械臂的在轨装配技术的验证具有极其重要的指导意义。
[0003] 微重力模拟技术为一项较为成熟的技术。本发明采用气浮平台模拟微重力环境， 该气浮平台由气浮轴承和钢化玻璃组成，依靠压缩空气在气浮轴承与钢化玻璃之间形成气 膜，从而将机械臂与目标星巧起，使它们具有平面二维的平移和一维的转动，可W在一定程 度上模拟太空中的漂浮环境。
[0004] 在模拟太空对接碰撞过程中，碰撞发生后需要测得目标卫星的质也速度及角速 度，由于目标星系统不可与外界接触，因此W往的接触式测量装置和方法不适用于目标星 系统的位姿测量，需要考虑新的测量方法。
[0005] 此外，由于涉及多传感器的联合采集，W往的W采集软件控制单个传感器采集的 方式已经不能满足实验的要求。
【发明内容】
[0006] 为解决空间机械臂与被装配物接触时碰撞算法的验证问题，本发明提供了一种基 于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术。依赖能够在一定程度上模拟太空自由 漂浮环境的微重力模拟系统，W实现机械臂与目标星的碰撞实验。
[0007] 为实现目标星系统完全的自由漂浮状态，本发明在目标星系统上安装了独立的供 气系统、供电系统、无接触式位移采集传感器一激光测距仪、无线路由器，从而实现了目 标性系统与外界环境无接触。
[0008] 本发明采用两个激光测距仪和一个巧螺仪，经过一系列矩阵运算，巧妙得到了目 标星系统质也线速度及角速度的实际数据。
[0009] 另外本发明还实现了软件间通信，实现了传感器的同步采集，使得采集结果更加 准确、可靠。
[0010] 现有空间机械臂碰撞算法一般都只进行了数值仿真验证，并未设计实验进行机械 臂与被装配物的实际碰撞数据分析及验证。本发明基于微重力模拟系统，可W在地面上实 现空间机械臂与目标星的碰撞实验，得到实际的碰撞数据，并依据此数据与碰撞算法结果 对比分析，W验证碰撞算法的正确性。
[0011] 本发明解决问题所采用的技术如下：
[0012] 空间机械臂碰撞算法验证技术依赖于微重力模拟系统，本发明所用微重力模拟系 统包括：气浮平台，机械臂系统，目标星系统和工控机。机械臂系统与目标星系统通过气足 架在气浮平台上，通气后气足和气浮平台台面之间形成气膜，在气膜的支撑下机械臂系统 和目标星系统可W浮在平台上，并具有平面的平移和平面内转动，共计H个自由度。
[0013] 碰撞发生的过程中，安装在机械臂末端的六维力传感器记录碰撞的力和力矩，力口 速度传感器记录机械臂末端的加速度信息，安装在目标星上的激光测距仪记录目标星在平 面上的水平位移，巧螺仪记录目标星在平面上的转动角度及角速度。采用两个激光测距仪 与一个巧螺仪，不仅可W避免与外界的接触，而且可W利用目标星系统在平面上的（x，y) 坐标W及沿垂直于台面轴的转角，求解出目标星的质也线速度及角速度。求解过程如下所 示：
[0014] ①如附图4所示为气浮平台与目标星位置关系，其中灰色部分表示目标星，测量 点处安装有激光测距仪和巧螺仪，其中为建立在气浮平台上的全局坐标系，Z轴垂直于 xy平面向里，a点处的坐标系I：。建立在目标星上，初始状态下a点在全局坐标系下的坐标 为（a" a" 0)。
[0015] ②碰撞发生后，测量点a运动到a'处，原坐标系2。跟随a点移动后，命名为坐标 系2。，，由传感器数据可W得到a'在坐标系的表示为（a' y，a' y，0)，计算可得a'点 在坐标系2。下的坐标：
[0016] (a' X，a' Y，0) = (a' x-a" a' y-a" 0)
[0017] ③碰撞发生后，巧螺仪测得目标星沿坐标系z轴旋转了-0度，因此坐标系2。,在 坐标系2,下的表示可得：
[0018]
【权利要求】
1. 一种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，其特征在于所依赖的 微重力模拟系统硬件部分包括气浮平台（1)，机械臂系统（2)，目标星系统（3)和工控机 (4);机械臂系统包括：固定基座（5)，对接杆（6)，六维力传感器和加速度传感器（7)和 气足（8);目标星系统包括：陀螺仪（9)、激光测距仪（10)、采集卡（11)、移动电源（12)、 Mini-Pc(13)，对接锥（14)、气足（15)和气体动力系统（16);
2. -种基于微重力模拟系统的空间机械臂碰撞算法验证技术，其特征在于：空间机械 臂碰撞算法验证技术包括：目标星质心速度及角速度验证技术，碰撞力验证技术和机械臂 末端加速度验证技术；
3. 根据权利要求2所述的碰撞力和机械臂末端加速度验证技术，其特征在于：为验证 目标星系统自由漂浮状态下的碰撞力及机械臂末端加速度，需要使目标星与外界无接触， 其具体方法如下： ① 目标星系统中配备了气瓶等供气设备，避免引入由外界供气时气管产生的拖拽力； ② 采用非接触的位置测量设备--激光测距仪； ③ 测量数据由目标星系统中的Mini-Pc直接采集，通过无线网络发送至数据分析计算 机；
4. 根据权利要求2所述的目标星质心速度及角速度验证技术，其特征在于：验证由陀 螺仪和两个激光测距仪完成，激光测距仪记录目标星在平面上的水平位移，陀螺仪记录目 标星在平面上的转动角度及角速度；采用两个激光测距仪与一个陀螺仪，不仅可以避免与 外界的接触，而且可以利用目标星系统在平面上的（x，y)坐标以及沿垂直于台面轴的转 角，求解出目标星的质心线速度及角速度具体方法如下： ① 如附图5所示为气浮平台与目标星位置关系，其中灰色部分表示目标星，测量点处 安装有激光测距仪和陀螺仪，其中E:为建立在气浮平台上的全局坐标系，z轴垂直于xy 平面向里，a点处的坐标系EJt立在目标星上，初始状态下a点在全局坐标系下的坐标为 (ax,ay, 0)； ② 碰撞发生后，测量点a运动到a'处，原坐标系Ea跟随a点移动后，命名为坐标系 Sa,，由传感器数据可以得到a'在坐标系1^的表示为（a' x，a'y，〇)，计算可得a'点在 坐标系23下的坐标： (a' x,a'Y, 0) = (a'x_ax,a'y_ay，0) ③ 碰撞发生后，陀螺仪测得目标星沿坐标系z轴旋转了 - 0度，因此坐标系I： a,在坐标 系2a下的表不可得：
④ 质心O在坐标系2 3下的表示为已知量（0x，〇Y，0)，由齐次变换可得O在坐标系I： a, 下的表示：
⑤ 由于激光测距仪及陀螺仪采集到的物理信息毛刺现象严重，因此需要进行滤波及多 项式拟合处理，然后对得到的质心位移曲线进行求导，便得到了质心线速度，质心角速度可 由陀螺仪直接采集得到； ⑥ 对比目标星实际及理论角速度和质心线速度。
【文档编号】G01M99/00GK104502128SQ201410720257
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】贾庆轩, 张龙, 陈钢, 梁骥, 孙汉旭 申请人:北京邮电大学