[发明专利]小行星附着机构半物理仿真系统及方法

权利要求书

1.一种小行星附着机构半物理仿真系统，其特征在于，包括直线导轨装置、第一工业机器人、第二工业机器人；

所述第一工业机器人的基座固定在地面上，能够模拟在微重力环境下小行星的自转；

所述直线导轨装置包括直线导轨和移动台，直线导轨固定在地面上，第二工业机器人的基座设置在移动台上，移动台安装在直线导轨上，第二工业机器人能够沿直线导轨方向移动，能够模拟在微重力环境下接近小行星表面的运动；

所述第二工业机器人的末端安装有小行星附着机构，通过第二工业机器人来平衡附着机构的重力，所述第二工业机器人、直线导轨装置和小行星附着机构用来模拟在微重力环境下空间小行星附着机构接近小行星表面的运动；

所述第一工业机器人的末端安装有六维力传感器，六维力传感器和小行星地面模拟装置连接，第一工业机器人、六维力传感器和小行星地面模拟装置模拟在微重力环境下小行星的自转；

所述六维力传感器安装在第一工业机器人的末端，用于实时测量小行星附着机构与小行星地面模拟装置发生接触时产生的接触力状况，用于空间微重力环境下的碰撞过程的模拟；

所述小行星附着机构安装在第二工业机器人的末端，用于模拟在微重力环境下第二工业机器人接近并附着在小行星表面的运动过程，在附着过程中，根据第一工业机器人上的六维力传感器测量得到的接触力状况，模拟在附着过程中小行星附着机构受到接触力影响而产生的相对运动过程。

2.根据权利要求1所述的小行星附着机构半物理仿真系统，其特征在于，所述移动台安装在直线导轨上，移动台上安装有伺服电机，驱动丝杆转动，带动滑块移动，从而带动安装在滑块上的移动台移动，使第二工业机器人和其末端的小行星附着机构在直线导轨方向上实现前后移动。

3.根据权利要求2所述的小行星附着机构半物理仿真系统，其特征在于，所述小行星地面模拟装置用于模拟与小行星附着机构接触的小行星自转运动过程，与六维力传感器相连，能够模拟产生附着过程的接触力。

4.一种小行星附着机构半物理仿真系统方法，利用权利要求1至3中任一项所述的系统，其特征在于，包括：

步骤一，首先完成实验平台的搭建，将移动台安装在直线导轨上，第二工业机器人的基座固定在移动台上，将小行星附着机构安装在第二工业机器人末端，而在第一工业机器人末端安装六维力传感器，六维力传感器连接小行星地面模拟装置；

步骤二，控制第二工业机器人模拟小行星附着机构的微重力状态；

步骤三，控制第一工业机器人模拟小行星的自转运动状态；

步骤四，控制直线导轨移动台和第二工业机器人的关节伺服运动，模拟在微重力环境下小行星附着机构靠近并附着在小行星表面的相对运动过程；

步骤五，第一工业机器人末端的六维力传感器采集小行星附着机构与小行星地面模拟装置发生碰撞过程产生的接触力信息；

步骤六，通过力补偿算法消除半物理仿真系统失真对实验结果的影响，得到校准后的接触力信息；

步骤七，将校准后的接触力信息通过六维力传感器相对位姿之间的坐标变换模型换算到固定坐标系下的接触力信息；

步骤八，通过碰撞动力学模型得到在微重力环境下受到接触力的影响小行星附着机构相对小行星表面的运动速度和运动位姿；

步骤九，将动力学解算得到的小行星附着机构的相对运动通过坐标变换得到第二工业机器人末端的运动位姿，通过工业机器人的运动学逆解，从而控制直线导轨和第二工业机器人的关节伺服运动，

步骤十，第二工业机器人末端的小行星附着机构根据碰撞动力学解算得到的运动轨迹会短暂地飘离小行星地面模拟装置，此时继续控制第一工业机器人重复步骤四到步骤十的过程，以完成半物理仿真系统实验。

5.根据权利要求4所述的小行星附着机构半物理仿真系统方法，其特征在于，步骤六中力补偿算法具体实现过程如下：

首先需要补偿六维力传感器测量的滞后误差；

将补偿后的力和力矩与第二工业机器人末端位姿在一个采样周期前后两个时刻的差值，利用质量-弹簧模型求解得到同一时刻下模拟碰撞过程的虚拟刚度；

根据正运动学求得第二工业机器人末端实际位姿，将实际位姿与步骤八中得到的理想运动位姿的差值作为控制系统部分的响应误差；

建立两个工业机器人发生碰撞时结构变形的质量-弹簧-阻尼模型，根据测量得到的力和力矩计算得到模拟器实际碰撞过程的结构变形误差；

最后根据虚拟刚度、响应误差和结构变形误差求解得到补偿力，进而求得补偿力矩，最终将补偿后的结果作为实际碰撞过程的输出代入到空间碰撞动力学模型中。