【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人的仿真实验设计领域，具体是一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统。
技术介绍
1、随着机器人的发展与对超大型航天器需求的提高，通过自主设计的空间机器人来完成超大型航天器的构建与维护成为我国航天科技领域的重要发展方向。相对于自由飞行机器人和固定机械臂，爬行机器人的独特优势在于既能实现大范围作业又无需消耗燃料，其在空间站领域的成功应用非常具有代表性。然而，现有的空间爬行机器人，为了满足爬行机器人低成本、高效率建造和和维护航天器的需求，就必须要探索大型空间桁架结构爬行机器人概念设计及实施方案。地面仿真实验系统作为代价高昂的在轨试验的前置环节，一套优秀的地面实验系统有助于更好的探索大型空间结构爬行机器人的设计与实施方案。
技术实现思路
1、针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术公开了一种关于两足爬行机器人与大型空间柔性结构航天器的地面仿真实验系统，该地面仿真实验系统作为代价高昂的在轨试验的前置环节，通过地面物理仿真实验可对理论和数值研究成果进行初步检验。
2、本专利技术是这样实现的：
3、一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的系统包括：爬行机器人仿真器(1)、空间柔性桁架航天器仿真器(2)、室内运动捕捉系统(3)；所述的空间柔性桁架航天器仿真器(2)包含相互连接的大尺寸桁架结构和航天器本体仿真器；
4、将爬行机器人仿真器、大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器置于平台上，启动爬行机器人仿真器上机
5、进一步，所述的航天器本体仿真器的惯量远大于爬行机器人仿真器，并通过截面尺寸压缩的方式保证大尺寸桁架结构柔性，使得实验系统低阶固有频率与在轨系统处于同一量级；所述的截面尺寸压缩的方式为比例缩小，控制桁架截面尺寸，使得地面系统的低阶频率和真实在轨频率接近。
6、进一步，所述的爬行机器人仿真器、大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器置于大理石平台上；所述的大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器下方均设置有气浮支撑轴承；通过气浮支撑轴承在大理石平台上进行自由漂浮，保证二维平面的太空失重环境模拟。
7、进一步，所述的航天器本体仿真器具备位姿控制能力；所述的大尺寸桁架结构、爬行机器人仿真器上安装有用于无接触位移测量的光学靶标。
8、进一步，所述的大尺寸桁架结构上安装应变片和加速度传感器，用于测量桁架结构振动信息。
9、进一步，所述的爬行机器人仿真器为两足六自由度机器人；所述的爬行机器人仿真器上设置有机械臂；
10、根据在机械臂的肩部、肘部、末端三个位置安排三个转动自由度，并且在空间机械臂的末端连接夹爪，各个关节由刚性连杆进行连接；其中，li(i＝1,2,...,6)为刚性连杆，g1,g2为可动夹爪，tj(j＝1,2,3,4)为转动关节，转轴平行于平面法线，i1,i2则为转轴在面内的转动关节；爬行机器人的六个自由度确保其灵活的到达空间中的任意位姿，从而能够对空间中的任意位姿的桁架杆件实施抓取；面对不同的攀爬环境，采取不同的步态进行攀爬作业。
11、进一步，所述的爬行机器人仿真器夹爪腕部安装有六轴力传感器，夹爪内侧安装有接触力传感器，便于爬行机器人仿真器提供柔顺接触控制的力反馈信息；利用全局光学追踪系统，获取爬行机器人仿真器(1)、空间柔性桁架航天器仿真器(2)和大尺寸桁架结构的光学靶标位置，将所得数据与仿真器机载惯性测量数据、桁架结构加速度和应变测量数据进行融合滤波估计，确定仿真器状态及桁架结构振动信息；同时，通过机械臂/足关节转角确定其相对于其仿真器基座的位姿，利用机载数据采集系统实时获取机械臂/足腕关节六轴力传感器和夹爪接触力传感器测量值。
12、本专利技术的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，实验过程为：
13、首先将爬行机器人仿真器、大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器置于大理石平台上，启动爬行机器人仿真器上机载设备和室内运动捕捉系统；
14、之后将爬行机器人仿真器夹爪置于桁架上，控制爬行机器人在桁架上开始爬行，机器人在桁架上的攀爬过程步骤如下：
15、1)机器人规划爬行路线，确定运动到指定位置的路线；
16、2)机器人确定攀爬步态；
17、3)机器人识别爬行桁架落脚点，夹爪g1松开，g1运动到落脚点，夹住桁架；
18、4)夹爪g2松开，机器人识别下一个落脚点，夹爪g2运动到落脚点，夹住桁架；
19、5)重复步骤3)、4)，直至运动到指定位置。
20、基于所设计的运动规划和控制方法对爬行过程进行实时控制，对理论和数值结果进行实验验证。
21、本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：
22、本专利技术基于气浮台实验技术和动力学相似原理，建立包含带柔性桁架结构的航天器气浮仿真器、两足爬行机器人仿真器的物理仿真实验系统，实现对二维平面内的航天器姿轨运动-桁架振动-机器人运动耦合特性的实验模拟。本套实验系统为空间结构爬行机器人地面仿真实验提供了新思路，可形成理论、数值和实验相互考核的研究框架，通过地面物理仿真实验对理论和数值研究成果进行考核验证。
23、在本专利技术的地面仿真试验系统中，将爬行机器人仿真器夹爪置于桁架上，基于所设计的运动规划和控制方法对爬行过程进行实时控制，从而完成对理论和数值结果的实验验证。
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1.一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的系统包括：爬行机器人仿真器(1)、空间柔性桁架航天器仿真器(2)、室内运动捕捉系统(3)；
2.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的航天器本体仿真器的惯量远大于爬行机器人仿真器，并通过截面尺寸压缩的方式保证大尺寸桁架结构柔性，使得实验系统低阶固有频率与在轨系统处于同一量级；所述的截面尺寸压缩的方式为比例缩小，控制桁架截面尺寸，使得地面系统的低阶频率和真实在轨频率接近。
3.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的爬行机器人仿真器、大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器置于大理石平台上；所述的大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器下方均设置有气浮支撑轴承；通过气浮支撑轴承在大理石平台上进行自由漂浮，保证二维平面的太空失重环境模拟。
4.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的航天器本体仿真器具备位姿控制能力；所述的大尺寸桁架结构、爬行
5.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的大尺寸桁架结构上安装应变片和加速度传感器，用于测量桁架结构振动信息。
6.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的爬行机器人仿真器为两足六自由度机器人；所述的爬行机器人仿真器上设置有机械臂；
7.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的爬行机器人仿真器夹爪腕部安装有六轴力传感器，夹爪内侧安装有接触力传感器，便于爬行机器人仿真器提供柔顺接触控制的力反馈信息；利用全局光学追踪系统，获取爬行机器人仿真器(1)、空间柔性桁架航天器仿真器(2)和大尺寸桁架结构的光学靶标位置，将所得数据与仿真器机载惯性测量数据、桁架结构加速度和应变测量数据进行融合滤波估计，确定仿真器状态及桁架结构振动信息；同时，通过机械臂/足关节转角确定其相对于其仿真器基座的位姿，利用机载数据采集系统实时获取机械臂/足腕关节六轴力传感器和夹爪接触力传感器测量值。
8.根据权利要求1～8任一所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，实验过程为：
...【技术特征摘要】
1.一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的系统包括：爬行机器人仿真器(1)、空间柔性桁架航天器仿真器(2)、室内运动捕捉系统(3)；
2.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的航天器本体仿真器的惯量远大于爬行机器人仿真器，并通过截面尺寸压缩的方式保证大尺寸桁架结构柔性，使得实验系统低阶固有频率与在轨系统处于同一量级；所述的截面尺寸压缩的方式为比例缩小，控制桁架截面尺寸，使得地面系统的低阶频率和真实在轨频率接近。
3.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的爬行机器人仿真器、大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器置于大理石平台上；所述的大尺寸桁架结构、航天器本体仿真器下方均设置有气浮支撑轴承；通过气浮支撑轴承在大理石平台上进行自由漂浮，保证二维平面的太空失重环境模拟。
4.根据权利要求1所述的一种爬行机器人与大型空间柔性结构的地面仿真实验系统，其特征在于，所述的航天器本体仿真器具备位姿控制能力；所述的大尺寸桁架结构、爬行机器人仿真器上安装有用于无接触位移测量的光学靶标。
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