[发明专利]一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于空间机器人或航天器地面验证系统领域，涉及一种三爪式空间机械臂末端执行器在微重力环境下捕获目标的容差能力测试系统及方法。

背景技术

一般空间机械臂进行在轨服务时，要求保证其工作的可靠性和稳定性。而末端执行器作为捕获或搬运工具，其可靠性会对整个系统任务完成的可靠性产生较大影响。由于空间微重力环境的影响，目标处于微重力状态，其位姿状态会受到捕获或操作的接触力的影响而产生扰动，并且由于机械臂自身的定位精度和视觉伺服精度也存在一定的位姿偏差，因此空间末端执行器捕获目标的操作便需要具备一定的包容目标相对位姿偏差的能力，即捕获容差能力。考虑到发射成本昂贵且在太空中操作的风险较大，空间末端执行器的可靠性和捕获容差能力在送入太空之前需要在地面上进行充分的验证实验。但由于地球重力的影响，空间末端执行器不具备在空间机械臂上直接进行三维空间任意姿态操作的条件。为了模拟太空中的微重力的环境，再现空间末端执行器的捕获过程，因此需要设计一套地面捕获容差能力验证系统以便进行相关的捕获容差测试实验。

由于真实空间机器人本身结构具有很大柔性，且受到地球重力的影响，因此不具备在地面上进行直接实验或验证的条件。面对这种情况，各国空间研究机构开发了各种地面上微重力仿真实验方法。美国Carnegie Mellon大学提出了采用悬吊配重的方法来抵消地球重力的影响，从而模拟太空微重力环境的方案。该方案已经被接受，被应用于Carnegie Mellon大学的自主运动空间机器人SM2(Self-Mobile Space Manipulator)的地面实验平台。这种方法具有一定的可行性，但是系统较复杂，安全性和可靠性差，且不具备通用性。基于这一原理的还有日本H.Fujii的空间机械臂微重力仿真系统，以及我国航天科技集团502所研制的“舱外自由移动机器人系统”(EMR)等。美国和日本研究了基于自由落体或抛物线运动的实验系统，但是其造价太高，且时间太短，虽有非常好的微重力效果，但不适合空间机器人的地面试验。美国Maryland大学采用的水浮原理研制了Ranger地面实验系统——NBRF(Neutral Buoyancy Research Facility)来进行Ranger空间机械臂的研究，可实现空间机器人在三维空间里操作的物理仿真。但系统的维护费用高、实验时需保证系统的100％密封性。综合考虑到实验平台的开发成本和难度等因素，各国大多都采用气浮平台进行二维平面初步的仿真和验证，比如美国Stanford大学的SRMS地面实验平台和加拿大的SSRMS机械臂地面实验都采用了气浮平台来进行地面实验。该方法重力补偿比较彻底，建造周期短，费用低，易于实现。但是其缺点是通常只能进行平面二维实验，无法实现在微重力环境下机械臂或航天器在三维空间的六自由度运动。

现存微重力三维实验平台的实现方法虽然很多，但是通常建立的系统复杂且造价昂贵，导致地面实验的验证的充分性受到一定的限制。

发明内容

本发明是要解决现有其它微重力平台验证系统较复杂，安全性和可靠性差，且不具备通用性，现有微重力实验方法只能进行平面二维实验，无法实现在微重力环境下机械臂或航天器在三维空间的六自由度运动的问题，而提供了一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法。

三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统包括捕获子系统、目标子系统和测量子系统；

所述捕获子系统包括工业机器人A、六维力矩传感器、手眼相机和三爪式空间末端执行器；

其中，所述工业机器人A末端固定有六维力矩传感器、手眼相机和三爪式空间末端执行器，所述工业机器人A主要用于模拟在微重力环境下空间机器人在三维空间的六自由度运动；

所述目标子系统包括六维力矩传感器、工业机器人T和待捕获目标；

所述工业机器人T末端安装有六维力矩传感器和待捕获目标，所述工业机器人T主要用于模拟在微重力环境下空间待捕获目标在三维空间的自由漂浮运动；

所述捕获子系统主要根据手眼相机测得的空间末端执行器与待捕获目标之间的相对位姿关系，工业机器人A在手眼相机提供的相对位姿的引导下根据空间机器人的期望运动来接近待捕获目标，并进入捕获区域，最后进行捕获任务；

所述目标子系统中的待捕获目标处于自由漂浮状态，其初始状态可以设置为静止状态，在捕获过程中，根据六维力矩传感器测量的捕获时的接触力来进行相应的运动来模拟空间自由漂浮运动；

所述测量子系统包括激光跟踪仪和靶球；所述激光跟踪仪通过靶球分别与三爪式空间末端执行器和待捕获目标相连。