【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航天器地面试验，特别涉及一种空间机器人的全重力卸载试验系统及方法。
技术介绍
1、在轨服务的空间机器人是特殊用途的灵巧机械臂，可代替和配合航天员完成大量危险、耗时的舱外活动，用于实现对各种目标的维护维修，如补给燃料和更换器件、迅速提升或恢复卫星及系统功能等。而空间机械臂通常是在失重的环境下进行工作，在地面上需要对机械臂进行卸载重力再搭建试验系统后进行各项的实验验证。
2、相关技术中，只能通过气垫卸载重力对空间机械手操作进行平面上的控制算法验证；或者通过简单的悬吊卸载，验证单臂的某些简单操作。从而导致平面验证或者单臂验证的结果在轨上无法满足高精度灵巧操控的方案与算法验证需求。
3、基于此，目前亟需一种空间机器人的全重力卸载试验系统及方法来解决上述技术问题。
技术实现思路
1、为了满足在轨空间维护操控中复杂和灵巧操控的耦合动力学验证与控制方案、算法验证需求，本专利技术实施例提供了一种空间机器人的全重力卸载试验系统及方法。
2、第一方面，本专利技术实施例提供了一种空间机器人的全重力卸载试验系统，包括：地面控制装置、气浮台装置、空间机械臂和卸载装置；其中，所述气浮台装置用于模拟在轨操控航天器与目标航天器在失重环境的运动学与动力学特性，并将所述在轨航天器的运行数据发送给所述地面控制装置；
3、所述空间机械臂用于根据所述地面控制装置发送的控制指令，对所述气浮台装置进行维护与维修；
4、所述卸载装置用于对空间机械臂进行重力
5、所述地面控制装置用于接收所述气浮台装置发送的运行数据以及向所述气浮台装置、所述空间机械臂和所述卸载装置发送控制指令。
6、优选地，所述气浮台装置包括姿态平台、平动平台和台上组件；
7、所述姿态平台和所述平动平台之间通过气浮球轴承连接，以使所述姿态平台具有三个无摩擦自由度的转动自由度；
8、所述平动平台通过气垫悬浮于支撑平面上，以使所述气浮台装置进行两个自由度的无摩擦平动运动；
9、所述台上组件设置于所述姿态平台上，包括台上工艺设备、测量敏感器和执行机构，所述台上组件用于接收所述地面控制装置的控制指令并完成台上控制功能。
10、优选地，所述台上工艺设备包括控制计算机、电源机构和调平衡机构；
11、所述控制计算机设置有台上控制程序，用于进行台上管理；其中，所述台上管理包括接收所述地面控制指令、下传遥测信号、采集各个敏感器信息、执行预设的控制指令，并根据所述控制指令对台上工艺单元进行控制；
12、所述电源机构包括电池和电源分配箱，所述电源分配箱用于分配电源供所述气浮台装置使用；
13、所述调平衡机构用于调节所述姿态平台的质心位置，以使所述气浮台装置维持平衡状态。
14、优选地，所述测量单元包括相对测量敏感器和惯性传感器；
15、所述相对测量敏感器用于得到所述气浮台装置的相对位置和姿态；
16、所述惯性传感器用于测量所述姿态平台的姿态角和姿态角速度。
17、优选地，所述执行机构包括冷气推力器、动量轮等等；
18、所述冷气推力器用于为所述气浮台装置提供推力，以控制所述处于失重状态的气浮台装置的位置和姿态；
19、所述动量轮用于为所述气浮台装置提供相互作用力矩，并根据预设的指令输出力矩，以控制所述处于失重状态的姿态平台的指向。
20、优选地，所述气浮台装置还包括气缸类装置，设置于所述姿态平台和所述平动平台之间，用于卸载所述姿态平台的重力，以使所述姿态平台进行无摩擦的上下运动。
21、优选地，所述卸载装置包括框架、轨道和悬吊组件；
22、其中，每个所述轨道均匀设置在所述框架的两侧，每侧设置至少两层所述轨道；
23、每个所述悬吊组件分层设置在所述轨道上，每个所述悬吊组件均用于对所述空间机械臂的重力进行恒张力卸载和水平位置主动跟随，以使所述空间机械臂处于失重状态。
24、优选地，每个所述悬吊组件均包括依次设置于吊杆上的控制器、吊杆伸缩单元、绳索倾角测量单元、恒力控制单元、横向运动单元和绳索；
25、所述横向运动单元与所述轨道连接，以使所述悬吊组件在所述轨道上移动；
26、所述吊杆伸缩单元用于控制所述吊杆的伸缩状态，以使所述悬吊组件进行伸缩运动；
27、所述恒力控制单元设置于所述吊杆的末端，所述绳索的一端与所述恒力控制单元连接，另一端与所述空间机械臂连接，所述恒力控制单元用于给所述空间机械臂提供恒定卸载张力；
28、所述控制器与所述横向运动单元和所述吊杆伸缩单元电连接，所述控制器用于读取所述绳索倾角测量单元的数据，并根据所述数据控制所述横向运动单元和所述吊杆伸缩单元移动，以使所述绳索保持垂直状态。
29、优选地，所述地面控制装置包括遥控模块和遥测模块；
30、所述遥控模块用于向所述气浮台装置、所述空间机械臂和所述卸载装置发送控制指令；
31、所述遥测模块用于接收所述全重力卸载试验系统传送回来的运行数据，并呈现在显示屏幕上。
32、第二方面，本专利技术实施例还提供了一种空间机器人的全重力卸载试验方法，包括：
33、利用所述气浮台装置形成操控器模拟和目标模拟器，模拟在轨航天器动力学特性；
34、利用所述气浮台上控制计算机获取所述气浮台装置、空间机械臂的运行数据；
35、利用所述气浮台上控制计算机将所述运行数据发送给所述地面控制装置；
36、利用所述地面控制装置向所述气浮台装置、所述空间机械臂和所述卸载装置发送控制指令；
37、利用所述卸载装置对所述空间机械臂进行重力卸载，以使所述空间机械臂不对操控模拟器产生干扰力和干扰力矩；
38、利用所述全重力卸载试验系统中的操控模拟器和空间机械臂对目标气浮台装置进行维护维修，以完成试验。
39、本专利技术实施例提供了一种空间机器人的全重力卸载试验系统及方法，通过使用多自由度的气浮台模拟在轨航天器，最大程度上模拟在轨卫星的运动状态，同时设计机械臂全重力卸载系统，通过根据机械臂的恒力吊点将空间机械臂安装在卸载装置上，实现恒张力卸载和吊点的水平随动，也能够接近完全卸载机械臂的重力，使其对操控模拟器产生的干扰力矩很小不影响闭环系统地面验证，实现空间操控整个试验系统的无重力模拟，构建出在轨精细操控的基础试验平台，从而提高空间机器人在地面进行测量和试验结果的精度。
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1.一种空间机器人的全重力卸载试验系统，其特征在于，该系统包括地面控制装置、气浮台装置、空间机械臂和卸载装置；其中，所述气浮台装置用于模拟在轨操控航天器与目标航天器在失重环境的运动学与动力学特性，并将所述在轨航天器的运行数据发送给所述地面控制装置；
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气浮台装置包括姿态平台、平动平台和台上组件；
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述台上工艺设备包括控制计算机、电源机构和调平衡机构；
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述测量敏感器包括相对测量敏感器和惯性传感器；
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述执行机构包括冷气推力器和动量轮；
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述气浮台装置还包括气缸类装置，设置于所述姿态平台和所述平动平台之间，用于卸载所述姿态平台的重力，以使所述姿态平台进行无摩擦的上下运动。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述卸载装置包括框架、轨道和悬吊组件；
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述地面控制装置包括遥控模块和遥测模块；
10.一种空间机器人的全重力卸载试验方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9中任一项所述的空间机器人的全重力卸载试验系统，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种空间机器人的全重力卸载试验系统，其特征在于，该系统包括地面控制装置、气浮台装置、空间机械臂和卸载装置；其中，所述气浮台装置用于模拟在轨操控航天器与目标航天器在失重环境的运动学与动力学特性，并将所述在轨航天器的运行数据发送给所述地面控制装置；
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气浮台装置包括姿态平台、平动平台和台上组件；
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述台上工艺设备包括控制计算机、电源机构和调平衡机构；
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述测量敏感器包括相对测量敏感器和惯性传感器；
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述执行机构包括冷气推力器和动量轮；
6.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海博，段文杰，徐拴锋，贾永，何英姿，李宜鹏，郭瑞科，詹博文，胡海霞，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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