[发明专利]一种空间机器人的地面实验验证系统

权利要求书

1.一种地面实验验证系统，其特征在于，包括：机器人、机械臂末端工具、多维力传感器和处理器；

所述多维力传感器分别与所述机器人和所述机械臂末端工具连接，并采集所述机械臂末端工具与环境之间的接触力在多维力传感器坐标系下X轴、Y轴、Z轴和绕X轴、绕Y轴、绕Z轴分量上的值；

处理器，与所述机器人和所述多维力传感器通讯连接，用于接收所述机器人和所述多维力传感器的实时信息并实时发送运动控制指令给所述机器人和所述多维力传感器；对所述多维力传感器采集的所述接触力进行滑动均值滤波并补偿所述多维力传感器的零点漂移；对所述机械臂末端工具的重力进行补偿；

所述滑动均值滤波包括如下：获得所述多维力传感器连续采集的n个数据a[n]＝{x₁,x₂…x_n}，将这n个数据视为一组；此后，每采集一个数据x，便有如下操作：

a[i-1]＝a[i]

a[n-1]＝x

其中，i＝1,2…n-1，n为自然数；

对上述数据进行均值操作，便可得到滑动均值滤波后的所述接触力的值为：

2.如权利要求1所述的地面实验验证系统，其特征在于，所述补偿所述多维力传感器的零点漂移包括如下步骤：

T1：在所述接触力为零的情况下，将所述机器人移动到所述机械臂末端工具的坐标系中Z轴竖直向上时的位姿，得到所述多维力传感器的读数F₁；

T2：在所述接触力为零的情况下，将所述机器人移动到所述机械臂末端工具的坐标系中Z轴竖直向下时的位姿，得到所述多维力传感器的读数F₂；

T3：得到所述多维力传感器的零点漂移F₀：

得到所述机械臂末端工具的重力F_g：

则，所述机械臂末端工具的所述接触力为：F_e＝F-F_g-F₀；

其中，F是所述多维力传感器的实时测量值。

3.如权利要求1所述的地面实验验证系统，其特征在于，所述对所述机械臂末端工具的重力进行补偿包括：

所述机器人的末端坐标系、所述多维力传感器的坐标系和所述机械臂末端工具的坐标系的关系表示如下：

其中，是所述多维力传感器的坐标系{S}相对于所述机器人的末端坐标系的旋转矩阵，是所述多维力传感器的坐标系{S}相对于所述机器人的末端坐标系的位置，是所述机械臂末端工具的坐标系{T}相对于所述多维力传感器的坐标系{S}的旋转矩阵，是所述机械臂末端工具的坐标系{T}相对于所述多维力传感器的坐标系{S}的位置，表示所述多维力传感器的坐标系{S}相对于所述机器人的末端坐标系的变换矩阵；表示所述机械臂末端工具的坐标系{T}相对于所述多维力传感器的坐标系{S}的变换矩阵；l₀,l₁表示Z轴上的增量；

所述机器人的末端坐标系相对于机器人基座的变化矩阵表示为：

其中，和分别为所述机器人的末端坐标系相对于所述机器人基座的旋转矩阵和位置；

获取所述机器人的末端姿态信息为：

其中，为所述机器人的末端坐标系相对于所述机器人基座的姿态旋转矢量；

则，旋转角度为：其中，Rx,Ry,Rz表示随着姿态旋转矢量变化的变量；

根据罗德里格斯旋转方程，可以获得旋转矩阵为：

其中，cθ＝cosθ，sθ＝sinθ，vθ＝1-cosθ，k_x＝Rx/θ，k_y＝Ry/θ，k_z＝Rz/θ；

所述机械臂末端工具的重力在所述机器人基座的坐标系中表示为：

⁰G＝[0 0 -mg]^T

其中，m和g分别为所述机械臂末端工具的质量和重力加速度；

得到所述机械臂末端工具的重力相对所述多维力传感器的坐标系的值为：

其中，

得到所述机械臂末端工具在所述多维力传感器的坐标系下沿X轴，Y轴和Z轴上所需补偿的重力值为：

其中，F_x，F_y和F_z分别表示所述机械臂末端工具在所述多维力传感器的坐标系下沿X轴，Y轴和Z轴上的重力补偿值；

在所述多维力传感器的坐标系下的对每个轴的补偿力矩为：

所述机械臂末端工具在不同姿态下的重力补偿值为：