[发明专利]基于气浮系统的空间机械臂六维位姿精度测试方法

摘要

基于气浮系统的空间机械臂六维位姿精度测试方法，涉及一种空间机械臂位姿精度测试方法。本发明为了模拟微重力环境以实现在地面进行空间机械臂位姿精度测试。主要步骤为：将所述空间机械臂展形并安装在所述气浮系统上以模拟微重力环境；测算第二靶标相对于机械臂安装法兰上的第一靶标的变换矩阵；测算机械臂末端第三靶标相对于第二靶标的变换矩阵；将两个位姿矩阵合成；得到末端工具坐标系E在机械臂安装坐标系M下的坐标变换矩阵为：测得空间机械臂的末端位姿；将所测位姿与理论位姿相比较，即可得到空间机械臂的末端位姿精度。本发明方法采用气浮系统模拟再现了空间微重力环境，保证了所研制的空间机械臂实施地面位姿精度测试的精度。

主权项

1.一种基于气浮系统的空间机械臂六维位姿精度测试方法，所述测试方法中的被测空间机械臂由第一关节(1)、第二关节(2)、第一臂杆(7)、第三关节(3)、第四关节(4)、第二臂杆(8)、第五关节(5)和第六关节(6)依次连接构成；其特征在于：所述测试方法是基于包括气浮平台(11)、气足(12)、托轮(13)、机械手支撑架(14)和配平重物(15)的气浮系统来实现的；所述测试方法的具体过程为：步骤A、将所述空间机械臂展形并安装在所述气浮系统上以模拟微重力环境，并安装6D激光跟踪仪中的6D传感器：步骤A1、解除空间机械臂的基座法兰部分的约束，将解除约束的空间机械臂置于气浮平台(11)的上端面上；步骤A2、将机械手支撑架(14)设置在第二臂杆(8)的上方，第二臂杆(8)通过机械手支撑架(14)吊装固定；步骤A3、用气足(12)对第一关节(1)进行支撑，气足(12)设置在第一关节(1)和气浮平台(11)之间，并在气足(12)的上部装有托轮(13)，利用托轮(13)实现关节(1)相对于气足(12)的旋转；步骤A4、在第一臂杆(7)的上方设置配平重物(15)，以抵消第一臂杆(7)偏置对第三关节(3)的附加力矩；步骤A5、在所述机械臂的安装法兰部位、第三关节(3)和第四关节(4)的连接部位以及所述机械臂末端分别设置第一靶标A、第二靶标B和第三靶标C，将6D激光跟踪仪中的6D传感器分别放置在第一靶标A、第二靶标B和第三靶标C处，以实现对机械臂安装坐标系M、测量仪坐标系P以及末端工具坐标系E的测量；步骤B、对完成步骤A的空间机械臂进行测试，具体过程为：步骤B1、测算第二靶标B相对于机械臂安装法兰上的第一靶标A的变换矩阵：将空间机械臂的第四关节(4)、第五关节(5)和第六关节(6)用抱闸锁紧；控制第一关节(1)、第二关节(2)和第三关节(3)运动，所述三个关节相对于初始构型的运动角度根据所要测量的末端位姿来确定；具体测量步骤如下：步骤B11、将第一关节(1)、第二关节(2)和第三关节(3)预置到所规定的初始关节角；步骤B12、控制第一关节(1)、第二关节(2)和第三关节(3)运动到测量位置所给定的角度；步骤B13、用6D激光跟踪仪测量第一靶标A相对测量仪坐标系P的变换矩阵步骤B14、用6D激光跟踪仪测量第二靶标B相对测量仪坐标系P的变换矩阵步骤B15、根据步骤B13和步骤B14的测量结果及矩阵的转换关系，得到第二靶标B相对第一靶标A的变换矩阵步骤B16、控制第一关节(1)、第二关节(2)和第三关节(3)回到初始构型；步骤B17、重复步骤B12～步骤B16，共N次，记录每次的测试数据步骤B2、测算机械臂末端第三靶标C相对于第二靶标B的变换矩阵，将第一关节(1)、第二关节(2)和第三关节(3)回到初始构型后，调节配平重物(15)以抵消第一臂杆1偏置带来对第四关节(4)轴向的附加力矩；锁紧第一关节(1)、第二关节(2)和第三关节(3)；控制第四关节(4)、第五关节(5)和第六关节(6)运动，所述三个关节的运动角度根据所要测量的末端位姿来确定；具体测量步骤如下：步骤B21、将第四关节(4)、第五关节(5)和第六关节(6)预置到所规定的初始关节角；步骤B22、控制第四关节(4)、第五关节(5)和第六关节(6)运动到测量位置所给定的角度；步骤B23、用6D激光跟踪仪测量第三靶标C相对测量坐标系P的变换矩阵步骤B24、用6D激光跟踪仪测量第二靶标B相对测量坐标系P的变换矩阵步骤B25、根据步骤B23和步骤B24的测量结果及矩阵的转换关系，得到第三靶标C相对第二靶标B的变换矩阵步骤B26、控制第四关节(4)、第五关节(5)和第六关节(6)回到初始构型；步骤B27、重复步骤B22～步骤B26，共N次，记录每次的测试数据步骤C、对步骤B中得到的测试数据进行处理：步骤C1、根据第一靶标A、第二靶标B和第三靶标C的位姿测量信息得到第三靶标C与第一靶标A之间的坐标变换矩阵为：TCA=TBA·TCB---(1)]]>步骤C2、对每一个被测构型，在第一步测试和第二部测试均进行了N次测量，经组合后可以得到N²个测量数据；对于第k个被测构型，k＝1，2，3，......D，D为被测构型的数量，第三靶标C相对于第一靶标A的变换矩阵由以下公式给出：TkijCA=TkiBA·TkjCB,(i,j=1,2,···,N)---(2)]]>其中i，j分别表示在步骤B1和步骤B2测量时的序号；式中：TkiBA=TkiPA·TkiB1P=(TkiAP)-1·TkiB1P]]>TkJCB=TkjPB2·TkjCP=(TkjB2P)-1·TkjCP]]>步骤C3、根据第一靶标A在机械臂安装坐标系M下的转换矩阵第三靶标C在工具坐标系E下的转换矩阵最终得到末端工具坐标系E在机械臂安装坐标系M下的坐标变换矩阵为TkijEM=TAM·TkijCA·TEC---(3)]]>步骤C4、根据可以获得末端工具坐标系E相对于机械臂安装坐标系M的姿态矩阵以及所测末点在M坐标系下的坐标步骤D、六维位姿精度计算：结合所测末端构型在安装坐标系下的期望位置(x_k，y_k，z_k)和姿态矩阵A_k，可以得到末端工具坐标系的绝对位姿精度。