[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间机械臂位姿精度测试方法，涉及到空间机械臂应用技术领域。

背景技术

随着技术的进步，人类的活动在不断地向太空扩展。据统计，全球平均每年发射80～130颗卫星，然而有2～3颗卫星未能正确入轨，而正确入轨的卫星中，又有5～10颗在寿命初期(入轨后前30天)即失效，这导致了巨大的经济损失。为了尽可能挽回损失，各国正在研究以卫星维修和生命延长为目的以空间机械臂为操作手段的在轨服务技术。目前的在轨服务主要包括ORU(Orbital replacing unit)更换、燃料的补给、废弃卫星的清理等等。实现这些任务的一个重要步骤是实现对目标卫星的抓捕和重新定位。一般而言，空间机械臂抓捕工具的位姿容差有限，更多的是依靠其本身的定位精度来确保抓捕的成功。因此，空间机械臂位姿精度的地面测试是非常重要的环节，它较大程度反映了空间机械臂的抓捕能力。

由于空间机械臂是针对空间在轨微重力的环境而设计的，其关节驱动力矩较小，臂杆刚度较低，而在地面测试由于受到重力的影响，空间机械臂六个关节不能按照所规划的路径运动到指定的位姿，这导致空间机械臂六维位姿精度的地面测试成为一个技术难题。

发明内容

本发明的目的是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，从而提供了一种基于气浮系统的空间机械臂六维位姿精度测试方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述测试方法中的被测空间机械臂由第一关节、第二关节、第一臂杆、第三关节、第四关节、第二臂杆、第五关节和第六关节依次连接构成；所述测试方法是基于包括气浮平台、气足、托轮、机械手支撑架和配平重物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的上端面上；

步骤A2、将机械手支撑架设置在第二臂杆的上方，第二臂杆通过机械手支撑架吊装固定；

步骤A3、用气足对第一关节进行支撑，气足设置在第一关节和气浮平台之间，并在气足的上部装有托轮，利用托轮实现关节相对于气足的旋转；

步骤A4、在第一臂杆的上方设置配平重物，以抵消第一臂杆偏置对第三关节的附加力矩；

步骤A5、在所述机械臂的安装法兰部位、第三关节和第四关节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、第五关节和第六关节用抱闸锁紧；控制第一关节、第二关节和第三关节运动，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、第二关节和第三关节预置到所规定的初始关节角；

步骤B12、控制第一关节、第二关节和第三关节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、第二关节和第三关节回到初始构型；

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、第二关节和第三关节回到初始构型后，调节配平重物以抵消第一臂杆偏置带来对第四关节轴向的附加力矩；锁紧第一关节、第二关节和第三关节；控制第四关节、第五关节和第六关节运动，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、第五关节和第六关节预置到所规定的初始关节角；

步骤B22、控制第四关节、第五关节和第六关节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