[发明专利]多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统

说明书

本发明公开一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统，包括第一工业机器人、第二工业机器人、多臂空间机器人、服务星、目标星、力传感器和视觉系统和控制平台；第一工业机器人与服务星的一端连接；多臂空间机器人包括多个服务机械臂、多个末端工具和多臂空间机器人控制器，每个服务机械臂的一端都通过一力传感器与一末端工具连接，每个服务机械臂的另一端都连接在服务星的另一端，多臂空间机器人控制器与每个服务机械臂连接；视觉系统分别与服务星和服务机械臂连接；第二工业机器人与目标星连接，末端工具和目标星相隔预定距离时，末端工具对目标星进行在轨操作。本发明可模拟实现多臂空间机器人在轨目标抓捕、维修、精细操作等在轨操作任务。

技术领域

本发明涉及航天器的在轨服务，特别是涉及一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统。

背景技术

为了确保在轨任务的成功执行，空间机器人发射前，必须通过充分的地面实验来验证和评估空间机器人的路径规划和控制算法。在地面进行实验验证，需要模拟空间的微重力环境，微重力环境的产生一般基于如下三种原理：1、自由落体运动，可形成失重环境，如在微重力塔中释放空间机器人；2、利用地球吸引力做匀速圆周运动，如在航天飞机或空间站上开展的微重力实验；3、利用平衡力抵消重力，如采用吊丝配重、气足支撑或中性液体的浮力抵消重力，也可形成微重力环境。国内外对此进行了研究，并成功建立了多套地面演示实验系统。到目前为止，主要有基于自由落体运动的微重力模拟实验系统、基于抛物线飞行的微重力模拟实验系统、平面气浮式实验系统、水浮实验系统、吊丝配重实验系统、硬件在环内(hardware in loop)仿真实验系统(数学模型与实物相结合的)。

每个实验系统有其各自的优缺点，必须经过认真分析选择相应的地面实验系统，以满足研究和运用的要求。硬件在环内仿真实验系统成本低、灵活性及可扩展性强、可模拟微重力环境下空间机器人的三维运动，特别是在预研阶段或研制初期，采用这种低成本的仿真实验系统可对关键算法进行功能的验证和性能的初步评估，为后期转入实际工程阶段奠定必要的基础，对于一般高校和实验室特别适用。

硬件在环内仿真实验系统采用原型样机与数学模型相结合的方式，也能进行微重力环境下的空间机器人地面仿真实验。该系统主要用于验证空间机器人的规划和控制方法，其基本原理是：通过精确的动力学模型，计算微重力环境下空间机器人的运动情况，再通过原型样机(或者采用运动学等效方式的工业机器人)来实现这一运动。硬件在环内仿真实验系统的实现建立在两个关键技术上：动力学模拟和运动学等效。所谓动力学模拟，即整个空间系统(空间基座、空间机械臂、空间目标)的运动根据其动力学模型计算得到，以模拟微重力环境下的空间系统行为。而运动学等效是指空间机器人末端的运动通过地面的工业机器人的末端实现，而目标的运动则通过地面的另一台工业机器人来实现。

现有的硬件在环内的空间机器人地面模拟系统只能模拟单臂空间机器人对目标的抓捕操作，而空间机器人现在发展趋势是多臂协同操作，单臂无法完成更复杂更精细的在轨操作任务。此外，现有的硬件在环内的空间机器人地面模拟系统中采用的两个工业机器人均安装在固定基座上，无法模拟服务星与目标星的从远到近的接近过程，且服务机械臂安装在固定基座上，工作空间有限，大大限制了机器人的操作运动范围。

发明内容

为了弥补上述现有技术的不足，本发明提出一种多臂空间机器人协同精细操作地面实验系统。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：