[发明专利]一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及地面三维空间微重力的装置与方法，特别涉及一种模拟空间机械臂捕获目 标卫星的地面三维空间微重力的装置与方法。

背景技术

由于空间机械臂在太空接近和捕获目标卫星操作时，其卫星基座通常是不受控的，处 于自由漂浮状态。在太空中，空间机器人系统处于微重力环境，通常不考虑地球重力对其 影响，因此，空间机器人系统满足动量守恒定律。当空间机械臂运动时，其漂浮卫星基座 通常会产生相应的扰动。目前，空间机械臂的测试通常是在二维的气浮平台上进行的，其 通常不考虑漂浮卫星基座的运动，只是空间机械臂在二维平面空间的运动和操作，其与空 间机器人在太空中真实的三维空间运动和操作有着很大的不同，空间机器人在太空中几乎 不重地球重力影响，因此，它的设计通常臂杆较长，具有较大的柔性，在地面上重力环境 下无法直接进行三维空间的操作，因此，需要开发一套地面三维空间微重力模拟与验证系 统来再现和验证空间机器人在真实的三维空间中捕获和维修目标卫星的操作，并对相关的 控制算法和硬件进行测试。

发明内容

本发明是为了解决现有的技术没有考虑空间机械臂在三维空间运动和操作过程中漂 浮卫星基座的运动的问题，而提供一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重 力的装置与方法。

本发明采取以下技术方案：

一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力的装置具体包括工业机械 臂A、工业机械臂T；空间机械臂，手眼相机，捕获手爪，捕获接口，服务卫星本体模拟 器，目标卫星本体模拟器以及六维力/力矩传感器组成；

所述的工业机械臂A末端与服务卫星本体模拟器相连，服务卫星本体模拟器通过连 接法兰连接六维力/力矩传感器；六维力/力矩传感器通过连接法兰连接空间机械臂；空间 机械臂通过螺栓与手眼相机相连接，手眼相机通过螺栓连接捕获手爪；

所述的工业机械臂T通过连接法兰连接六维力/力矩传感器，六维力/力矩传感器通 过连接法兰连接目标卫星本体模拟器；目标卫星本体模拟器连接捕获接口；

其中，接捕获接口与捕获手爪相匹配。

一种模拟空间机械臂捕获目标卫星的地面三维空间微重力的实现方法具体包括以下 步骤：

步骤一、模拟目标卫星的运动；利用运动学等效算法将目标卫星本体模拟器通过工业 机械臂T模拟实际目标卫星运动状态；

步骤二、通过手眼相机采集步骤一中目标卫星本体模拟器相对运动信息的视觉图像， 根据视觉图像确定目标卫星本体模拟器的相对于手眼相机的位置与卫星本体模拟器的姿 态；

步骤三、将步骤二确定的相对位置和姿态传递给空间机械臂控制器，空间机械臂控制器通过相对位置和姿态信息确定空间机械臂末端运动信息；根据空间机械臂末端运动信息，确定空间机械臂各关节的运动信息；其中，空间机械臂各关节的运动信息包括空间机械臂的关节角加速度和空间机械臂的关节角速度下角标m为空间机械臂；其中，空间机械臂末端具体为空间机械臂与手眼相机的连接处；

步骤四、根据空间机械臂各关节的运动信息计算服务卫星本体模拟器基座的运动信 息；

步骤五、根据服务卫星本体模拟器基座的运动信息，通过运动学等效算法计算工业机 械臂A的末端运动信息；其中，工业机械臂A的末端为工业机械臂A与服务卫星本体模 拟器的连接处；

步骤六、根据视觉图像确定目标卫星本体模拟器的相对于手眼相机的位置的姿态判断 接捕获接口是否在捕获手爪所在的捕获区域内；若在捕获手爪所在的捕获区域内则进行步 骤八；若不在，则重复步骤一至五；直至捕获接口在捕获手爪所在的捕获区域内为止；

步骤七、利用空间机械臂的控制器控制捕获手爪捕获目标卫星本体模拟器；

步骤八、当捕获手爪捕获目标卫星本体模拟器后，目标卫星本体模拟器根据所受的接 触力通过动力学算法来估计目标卫星本体模拟器运动状态；

步骤九、根据步骤八估计的目标卫星本体模拟器运动状态，通过运动学等效的方法， 模拟工业机械臂T受力后的实际目标卫星的运动状态；

步骤十、根据力矩传感器测量的捕获手爪与目标卫星本体模拟器之间接触对基座产生 的外力和外力矩通过空间机械臂的动力学算法，计算出服务卫星本体模拟器的运动状态， 通过运动学等效算法利用工业机械臂A的运动实现服务卫星本体模拟器的运动状态。

本发明有益效果：