空间多分支机器人地面试验平台及试验方法技术

本发明专利技术公开了一种空间多分支机器人地面试验平台，所述地面试验平台包括空间多分支机器人、工业机器人系统A、六维力/力矩传感器A、工业机器人系统B、六维力/力矩传感器B、操作模块、空间设施功能模块、桁架、控制台、全局相机、天车等，上述设备中桁架、空间设施功能模块为可选项，可根据试验需求灵活组合，如桁架攀爬地面试验中，为获取更大的空间，可将空间设施功能模块暂时拆除，在空间设施功能模块装配地面试验中，再将空间设施功能模块重新安装，此外还可根据特定试验任务设计其他试验道具。该试验平台设备组成灵活多变，试验范围广，模拟精度高，模拟时长不受限制，模拟工作距离较长，模拟过程稳定，试验成本低。试验成本低。试验成本低。

【技术实现步骤摘要】
空间多分支机器人地面试验平台及试验方法


[0001]本专利技术涉及一种空间机器人地面试验平台及试验方法，具体涉及一种空间多分支机器人地面试验平台及试验方法。

技术介绍

[0002]对太空的争夺已经成为世界各国科技战略竞争的新制高点。为提早占领空间技术与应用高地，各国竞相发展在轨维修与更换、在轨加注及在轨装配等相关空间技术。其中，空间多分支机器人因具有广域工作空间内精细操作的能力，正逐渐成为各国争夺太空资源的核心设备。
[0003]空间多分支机器人在轨服役过程中，需面临诸多具有挑战性的任务，如：大型空间桁架攀爬、空间设施模块搬运及装配、空间设施巡检及维护、空间暴露平台载荷照料及辅助航天员出舱活动等。上述任务对空间多分支机器人系统的设计提出了高要求，如：大负载能力、高机动能力、高灵巧度及高可靠性等，同时也对空间多分支机器人系统的控制方法提出了挑战，如：大负载情况下的空间多分支机器人步态规划、视觉系统引导下的靶标对准、机械臂末端工具与捕获接口的对接及高精度空间装配等。为确保空间多分支机器人能够顺利完成在轨任务，需要在地面模拟空间环境，进行多项在轨任务试验。目前，国内外还没有针对空间多分支机器人设计的地面试验平台及试验方法。此外，针对其他任务设计的地面试验方法，如：气浮法、水浮法、自由落体法、吊丝配重法等，存在模拟时间短、模拟精度低、运动空间维度受限、可靠性较低、机器人密封性要求高、造价昂贵等问题，并且大部分不适用于空间多分支机器人的地面试验。
[0004]综上，针对空间多分支机器人地面试验需求，设计一种模拟精度高、模拟时长不受限制、模拟工作距离较长、灵活性较高、可靠性较高、成本较低的地面试验平台，并基于此试验平台设计合适的试验方法以模拟多种在轨任务具有重大战略意义。

技术实现思路

[0005]为解决
技术介绍
存在的不足，本专利技术提供了一种空间多分支机器人地面试验平台及试验方法。该试验平台设备组成灵活多变，试验范围广，模拟精度高，模拟时长不受限制，模拟工作距离较长，模拟过程稳定，试验成本低。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种空间多分支机器人地面试验平台，包括空间多分支机器人、工业机器人系统A、六维力/力矩传感器A、工业机器人系统B、六维力/力矩传感器B、操作模块、空间设施功能模块、桁架、控制台、全局相机、天车，其中：
[0008]所述空间多分支机器人由多条串联型机械臂和空间多分支机器人躯干构成，每条机械臂末端安装有六维力/力矩传感器，用于反馈试验过程中机械臂与外界交互的接触力信息，六维力/力矩传感器的另一端与空间多分支机器人末端工具固定连接，空间多分支机器人躯干内安装有各分支机械臂控制器、通信模块、总体控制器；
[0009]所述工业机器人系统A用于重力补偿、模拟搬运负载运动，由工业机器人A及地面移动系统A组成，地面移动系统A由滑台A、导轨A组成，导轨A固定安装至地面，滑台A通过驱动元件实现在导轨A上的直线移动，并通过直线位移传感器反馈位移大小，工业机器人A固定安装至滑台A，通过滑台A实现工业机器人A整体沿导轨A的直线移动；
[0010]所述六维力/力矩传感器A的一端与工业机器人系统A的工业机器人A末端法兰固定连接，另一端与空间多分支机器人躯干固定连接，用于反馈试验过程中工业机器人A与空间多分支机器人之间的作用力信息，根据此信息进一步计算出工业机器人系统A的控制指令；
[0011]所述工业机器人系统B用于模拟操作负载运动，由工业机器人B和地面移动系统B组成，地面移动系统B由滑台B、导轨B组成，导轨B固定安装至地面，滑台B通过驱动元件实现在导轨B上的直线移动，并通过直线位移传感器反馈位移大小，工业机器人B固定安装至滑台B，通过滑台B实现工业机器人B整体沿导轨B的直线移动；
[0012]所述六维力/力矩传感器B的一端与工业机器人系统B的工业机器人B末端法兰固定连接，另一端与操作模块固定连接，用于反馈试验过程中工业机器人B与操作模块之间的作用力信息，根据此信息进一步计算出工业机器人系统B的控制指令；
[0013]所述操作模块固定安装于六维力/力矩传感器B的一端，用于模拟操作负载，验证空间多分支机器人的操作负载能力，操作模块上安装有与空间多分支机器人末端工具相匹配的捕获接口；
[0014]所述空间设施功能模块用于模拟在轨装配任务中空间多分支机器人需要装配的对象，验证空间多分支机器人的在轨装配能力、装配控制算法等，空间设施功能模块上安装有与空间多分支机器人末端工具相匹配的捕获接口；
[0015]所述桁架用于模拟大型空间桁架结构，验证空间多分支机器人桁架攀爬能力、步态规划算法等，桁架上有与空间多分支机器人末端工具相匹配的捕获接口；
[0016]所述控制台用于接收试验过程中的所有传感器信息，控制空间多分支机器人、工业机器人系统A、工业机器人系统B的运动，其中传感器信息包括：空间多分支机器人各关节位置、速度、力矩、温度信息；空间多分支机器人末端六维力/力矩信息、末端相机图像信息；工业机器人系统A各关节位置、速度及力矩信息；工业机器人系统B各关节位置、速度及力矩信息；六维力/力矩传感器A信息、六维力/力矩传感器B信息；全局相机图像信息；
[0017]所述全局相机用于获取试验过程中的全局图像信息，为空间多分支机器人的运动规划提供参考信息。
[0018]所述天车固定安装于试验平台顶部，在试验准备阶段用于吊装各种试验设备，在试验过程中，天车通过绳索与空间多分支机器人相连，防止当工业机器人A失力时，重力对空间多分支机器人造成损害。
[0019]一种利用上述试验平台实现空间多分支机器人在轨任务地面试验的方法，包括如下步骤：
[0020]步骤S1、根据试验任务内容，搭建空间多分支机器人地面试验平台；
[0021]步骤S2、根据试验需求，设置试验参数，主要包括：重力补偿参数；模拟搬运负载的质量矩阵、惯性张量、质心位置；模拟操作负载的质量矩阵、惯性张量、质心位置；
[0022]步骤S3、根据试验参数设计工业机器人系统A、工业机器人系统B的控制方法；
[0023]步骤S4、开始试验，以不低于250Hz的频率，持续控制工业机器人系统A、工业机器人系统B；
[0024]步骤S5、控制空间多分支机器人完成试验任务；
[0025]步骤S6、试验任务完成。
[0026]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0027]1、本专利技术能够帮助研究人员在地面模拟空间微重力环境，开展空间多分支机器人多种在轨任务地面试验，有效验证空间多分支机器人的搬运负载能力、桁架攀爬能力、操作负载能力以及装配能力等，在空间多分支机器人构型及结构设计、控制系统及控制方法设计、自主作业任务规划方法等方面提供重要的数据参考。
[0028]2、本专利技术能够实现空间多分支机器人的重力补偿、搬运负载模拟、操作负载模拟，并且模拟精度高、模拟时长不受限制、模拟工作距离较长、模拟过程稳定、试验成本低。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间多分支机器人地面试验平台，其特征在于所述试验平台包括空间多分支机器人、工业机器人系统A、六维力/力矩传感器A、工业机器人系统B、六维力/力矩传感器B、操作模块、控制台、全局相机、天车，其中：所述空间多分支机器人由多条串联型机械臂和空间多分支机器人躯干构成，每条机械臂末端安装有六维力/力矩传感器，用于反馈试验过程中机械臂与外界交互的接触力信息，六维力/力矩传感器的另一端与空间多分支机器人末端工具固定连接，空间多分支机器人躯干内安装有各分支机械臂控制器、通信模块、总体控制器；所述工业机器人系统A用于重力补偿、模拟搬运负载运动，由工业机器人A及地面移动系统A组成，地面移动系统A由滑台A、导轨A组成，导轨A固定安装至地面，滑台A通过驱动元件实现在导轨A上的直线移动，并通过直线位移传感器反馈位移大小，工业机器人A固定安装至滑台A，通过滑台A实现工业机器人A整体沿导轨A的直线移动；所述六维力/力矩传感器A的一端与工业机器人系统A的工业机器人A末端法兰固定连接，另一端与空间多分支机器人躯干固定连接，用于反馈试验过程中工业机器人A与空间多分支机器人之间的作用力信息，根据此信息进一步计算出工业机器人系统A的控制指令；所述工业机器人系统B用于模拟操作负载运动，由工业机器人B和地面移动系统B组成，地面移动系统B由滑台B、导轨B组成，导轨B固定安装至地面，滑台B通过驱动元件实现在导轨B上的直线移动，并通过直线位移传感器反馈位移大小，工业机器人B固定安装至滑台B，通过滑台B实现工业机器人B整体沿导轨B的直线移动；所述六维力/力矩传感器B的一端与工业机器人系统B的工业机器人B末端法兰固定连接，另一端与操作模块固定连接，用于反馈试验过程中工业机器人B与操作模块之间的作用力信息，根据此信息进一步计算出工业机器人系统B的控制指令；所述操作模块固定安装于六维力/力矩传感器B的一端，用于模拟操作负载，验证空间多分支机器人的操作负载能力，操作模块上安装有与空间多分支机器人末端工具相匹配的捕获接口；所述控制台用于接收试验过程中的所有传感器信息，控制空间多分支机器人、工业机器人系统A、工业机器人系统B的运动；所述全局相机用于获取试验过程中的全局图像信息，为空间多分支机器人的运动规划提供参考信息。所述天车固定安装于试验平台顶部，在试验准备阶段用于吊装各种试验设备，在试验过程中，天车通过绳索与空间多分支机器人相连，防止当工业机器人A失力时，重力对空间多分支机器人造成损害。2.根据权利要求1所述的空间多分支机器人地面试验平台，其特征在于所述试验平台还包括桁架和空间设施功能模块，其中：所述空间设施功能模块用于模拟在轨装配任务中空间多分支机器人需要装配的对象，验证空间多分支机器人的在轨装配能力、装配控制算法，空间设施功能模块上安装有与空间多分支机器人末端工具相匹配的捕获接口；所述桁架用于模拟大型空间桁架结构，验证空间多分支机器人桁架攀爬能力、步态规划算法，桁架上有与空间多分支机器人末端工具相匹配的捕获接口。3.根据权利要求2所述的空间多分支机器人地面试验平台，其特征在于所述桁架和空
间设施功能模块的捕获接口两侧均贴有用于视觉识别的靶标。4.根据权利要求1所述的空间多分支机器人地面试验平台，其特征在于所述空间多分支机器人躯干内安装的各分支机械臂控制器用于控制各自机械臂运动，通信模块用于空间多分支机器人与控制台的通信，包括传输空间多分支机器人所有传感器的数据、获取控制台发出的控制指令，总体控制器用于向各分支机械臂控制器发送控制指令。5.根据权利要求1所述的空间多分支机器人地面试验平台，其特征在于所述传感器信息包括：空间多分支机器人各关节位置、速度、力矩、温度信息；空间多分支机器人末端六维力/力矩信息、末端相机图像信息；工业机器人系统A各关节位置、速度及力矩信息；工业机器人系统B各关节位置、速度及力矩信息；六维力/力矩传感器A信息、六维力/力矩传感器B信息；全局相机图像信息。6.一种利用权利要求1
‑
5任一项所述试验平台实现空间多分支机器人在轨任务地面试验的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤S1、根据试验任务内容，搭建空间多分支机器人地面试验平台；步骤S2、根据试验需求，设置试验参数，主要包括：重力补偿参数；模拟搬运负载的质量矩阵、惯性张量、质心位置；模拟操作负载的质量矩阵、惯性张量、质心位置；步骤S3、根据试验参数设计工业机器人系统A、工业机器人系统B的控制方法；步骤S4、开始试验，以不低于250Hz的频率，持续控制工业机器人系统A、工业机器人系统B；步骤S5、控制空间多分支机器人完成试验任务；步骤S6、试验任务完成。7.根据权利要求6所述的空间多分支机器人在轨任务地面试验方法，其特征在于所述步骤S3中，根据试验参数设计工业机器人系统A的控制方法的具体步骤如下：步骤S301、通过空间多分支机器人通信模块，获取空间多分支机器人关节信息；步骤S302、基于步骤S301获取的关节信息，通过空间多分支机器人重力/重力矩补偿算法计算需要补偿的重力、重力矩：法计算需要补偿的重力、重力矩：法计算需要补偿的重力、重力矩：式中，代表分支n在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力，其中n为空间多分支机器人分支数量；代表分支1的第m杆件在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力，其中m为杆件数量；代表分支1的第m杆件坐标系到六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}的变换矩阵；代表空间多分支机器人躯干在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力；代表空间多分支机器人躯干坐标系{B}到六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}的变换矩阵；代表
空间多分支机器人在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力；}下的重力；}下的重力；式中，代表分支n在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力矩，其中n为空间多分支机器人分支数量；代表分支1的第m杆件在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力矩，其中m为杆件数量；r
1m
代表分支1第m杆件重心在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的位置矢量；代表空间多分支机器人躯干在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力矩；r
B
代表空间多分支机器人躯干重心在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的位置矢量；代表空间多分支机器人在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的重力矩；步骤S303、基于步骤S302计算得到的重力、重力矩以及末端六维力/力矩传感器A信息，计算模拟搬运负载驱动力/驱动力矩：计算模拟搬运负载驱动力/驱动力矩：式中，代表模拟搬运负载在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下所受的驱动力；代表六维力/力矩传感器A在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的测量力；代表模拟搬运负载在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下所受的驱动力矩；代表六维力/力矩传感器A在六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}下的测量力矩；}下的测量力矩；式中，代表模拟搬运负载在模拟搬运负载质心坐标系{C
A
}下所受的驱动力；代表六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}相对于模拟搬运负载质心坐标系{C
A
}的变换矩阵；代表模拟搬运负载在模拟搬运负载质心坐标系{C
A
}下所受的驱动力矩；代表六维力/力矩传感器A坐标系{S
A
}原点在模拟搬运负载质心坐标系{C
A
}下的位置矢...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵亮亮，刘子毅，赵京东，田忠来，李云涛，蒋再男，刘宏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：