空间站机械臂捕获悬停飞行器试验系统设计与验证

空间站机械臂捕获悬停飞行器试验系统设计与验证
陈㊀明1,曾㊀磊1,孙㊀康1,高㊀升1,梁常春1
,刘延芳2
(1.空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室,北京空间飞行器总体设计部,北京100094;
2.哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001)
摘要:捕获悬停飞行器是中国空间站机械臂的关键任务之一,由空间站机械臂实现悬停飞行器的捕获㊁拖动和锁紧,形成刚性连接并辅助对接㊂在分析和比较国内外空间悬停飞行器捕获试验技术的基础上,设计了一种用于大型空间机械臂捕获悬停飞行器的地面试验系统,该系统主要由空间机械臂㊁气浮零重力模拟系统㊁机械臂位姿测量系统㊁悬停飞行器模拟移动装置㊁模拟移动装置测量系统组成㊂仿真分析和地面试验,结果表明:该试验系统可实现对低速到高速的动态模拟目标的跟踪捕获,满足空间机械臂捕获悬停飞行器试验任务需求,完成了机械臂捕获悬停飞行器技术在近似真实使用环境中的验证㊂
关键词:空间站机械臂;捕获;悬停飞行器;试验系统设计;试验验证
中图分类号:V423.7㊀文献标识码:A㊀文章编号:1674-5825(2022)06-0751-07
收稿日期:2022-02-20;修回日期:2022-06-20
基金项目:国家自然科学基金(51927809;51875393)
第一作者:陈明,男,硕士,工程师,研究方向为空间机器人机构设计㊂E-mail:cmbit@
Design and Verification of Hovering Capture Test System for
Space Station Manipulator
CHEN Ming 1,ZENG Lei 1,SUN Kang 1,GAO Sheng 1,LIANG Changchun 1,LIU Yanfang 2
(1.Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic System Technology and Applications,Beijing Institute
of Spacecraft System Engineering,CAST,Beijing 100094,China;2.School of Astronautics,Harbin Institute
of Technology,Harbin 150001,China)
Abstract :Hovering and capturing the spacecraft is one of the key functions of the manipulator on
China Space Station.The Space Station manipulator could realize the capture,dragging and locking
of the hovering spacecraft,form a rigid connection and assist in docking.Based on the analysis and comparison of the domestic and foreign spacecraft hovering and capturing test technologies,a ground test system for large-scale space manipulator hovering and capturing spacecraft was designed.The
system was mainly composed of the space manipulator and air floating zero gravity simulation system,the manipulator pose measurement system,the simulated mobile device of the hovering spacecraft,and the simulated mobile device measurement system.The rationality of the design of the hovering
capture ground test system was verified by simulation analysis and ground test.The results showed that the hovering capture test system could track and capture the simulated dynamic target from low
speed to high speed,the requirements of the space manipulatorᶄs hovering capture cabin test mission were met,and the validation of the hovering capture technology in an approximate real use environ-ment was completed.
Key words :Space Station manipulator;capture;hovering aircraft;test system design;experimental
verification
第28卷㊀第6期2022年㊀12月
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
载㊀人㊀航㊀天
Manned Spaceflight
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
Vol.28㊀No.6Dec.2022
1㊀引言
㊀㊀交会对接是中国空间站组装建造的基础,空间机械臂对来访悬停飞行器进行捕获㊁拖动和锁紧,并将其送入对接位置,辅助完成与空间站节点舱对接口的对接,是机械臂的关键任务之一[1]㊂在轨捕获技术是在轨服务技术当中的一项关键技术[2-3],捕获悬停飞行器主要针对合作目标进行捕获㊂截至目前,卫星的捕获主要包括日本ETS-VII卫星和美国轨道快车卫星的捕获与对接,以及安装在美国挑战者号航天飞机上的SRMS(Shuttle Remote Manipulator System)机械臂对太阳峰年卫星[4]㊁IntelSat-6国际通讯卫星以及哈勃天文望远镜等的捕获;针对飞船的捕获主要有国际空间站的SSRMS(Shuttle Re-mote Manipulator System)机械臂对HTV(H-II Transfer Vehicle)㊁天鹅座飞船以及龙飞船[5-6]等的捕获任务㊂
日本东京工业大学开展了空间机械臂抓捕地面试验系统设计,该试验系统由地面站模拟子系统㊁跟踪卫星模拟子系统以及目标卫星模拟子系统组成[7]㊂在系统中机械手可以进行六自由度的运动,能够执行各种复杂动作,但是由于机械手固定在地面上,跟踪卫星无法运动,抓捕区域很小;目标卫星模拟系统安装在浮动测试台上,无法对有相对运动的情况进行模拟,同时对目标星被捕获后的拖动也无法模拟㊂日本JAXA为了对失效卫星救援进行演示验证,研发了基于视觉伺服控制的地面抓捕试验系统,该系统由机械臂㊁卫星样机㊁末端执行器㊁图像处理平台㊁太阳光模拟器㊁软件系统等七大关键部件构成[8]㊂JAXA使用该系统进行了地面抓捕试验并取得了成功,试验中卫星样机以20mm/s的速度㊁0.5ʎ/s的角速度运动㊂该系统能够模拟六自由度下的抓捕,但是由于采用机械臂结构,运动速度有所限制,且卫星样机和机械臂并不处于自由状态,无法模拟抓捕后结合体的自由运动状态㊂
中国空间站悬停舱段质量大(约14t)㊁惯量大(约1e5kg㊃m2),捕获任务中,机械臂运动规划约束条件较多,需在地面开展机械臂悬停捕获专项验证,本文设计了一种用于空间机械臂的捕获悬停飞行器测试的地面试验系统㊂2㊀任务概述
㊀㊀悬停飞行器的捕获是指机械臂对来访悬浮飞行器进行捕获㊁拖动和锁紧,然后将其送入对接位置,辅助完成与空间站节点舱对接口的对接,任务流程如图2所示㊂
图1㊀机械臂捕获悬停飞行器流程图
Fig.1㊀Flow chart of the manipulator capturing hove-ring spacecraft
机械臂捕获悬停飞行器的具体过程如下: 1)悬停飞行器通过交会飞行,运行到空间站正前方的停泊点,保持与空间站相对位置静止,并保持姿态精控模式,如图2(a)所示;
2)航天员在轨操作㊁预编程或地面遥操作,控制机械臂末端执行器进入待捕区域,如图2(b)所示;
3)机械臂末端执行器在视觉的导引下首先捕获悬停飞行器上的目标适配器,建立柔性连接;确认捕获成功后,悬停飞行器进入停控模式,机械臂末端执行器进一步完成拖动锁紧,建立机械臂与悬停飞行器的刚性连接,如图2(c)所示; 4)通过预编程模式或在轨操作模式,机械臂将悬停飞行器向空间站对接口拉近,如图2(d)所示;
257载人航天第28卷
5)悬停飞行器完成捕获对接,机械臂末端执行器捕获机构释放悬停飞行器,悬停飞行器通过对接机构完成舱段对接锁紧,如图2(e)所示;
6)机械臂收拢至初始位置,如图2(f)所示㊂
图2㊀悬停飞行器的捕获、辅助对接过程Fig.2㊀Acquisition and docking process of hovering spacecraft
3㊀试验系统
㊀㊀悬停飞行器质量以及惯量均较大,在地面环境进行完全真实的物理仿真试验几乎不能完成,需采用数学仿真㊁半物理仿真㊁缩比试验等多种方法配合进行[9-10]㊂
机械臂捕获悬停飞行器试验系统采用缩比试验方法,悬停飞行器移动装置模拟质量为1.5t,模拟惯量为2e2kg㊃m2,系统指标如下:
1)验证悬停捕获任务的接口匹配性;
2)验证机械臂末端视觉闭环跟踪移动目标功能;
3)验证机械臂悬停捕获能力,获取机械臂捕获成功初步包络边界㊂
机械臂捕获悬停飞行器试验系统由空间机械臂㊁零重力模拟系统㊁机械臂位姿测量系统㊁悬停飞行器模拟移动装置㊁模拟移动装置测量系统组成,如图3所示㊂
图3㊀地面试验系统组成
Fig.3㊀Composition of ground test system 3.1㊀空间站机械臂
㊀㊀空间站机械臂具有7个自由度,臂长约10m,主要包括7个关节㊁2根臂杆组件㊁1个中央控制器㊁2套末端执行器以及一套视觉相机系统,所有关节均为转动关节,整臂采用肩3+肘1+腕3的关节构型方案,关节采用模块化设计,7个关节结构形式完全相同,空间站机械臂构型布局如图4所示
㊂
图4㊀机械臂构型布局图
Fig.4㊀Configuration layout diagram of the manipulator 3.2㊀零重力模拟系统
㊀㊀零重力模拟系统采用气浮+悬吊组合的方法,在气浮平台上实现了机械臂的三维空间运动动模拟㊂零重力模拟系统包括气浮支撑装置㊁配气系统㊁气浮平台以及可视化力监测系统四部分组成,如图5所示㊂
3.3㊀机械臂位姿测量系统
㊀㊀机械臂位姿测量系统由激光跟踪仪㊁静态靶球㊁AT靶球等组成㊂机械臂装配前在产品表面粘贴靶点,将产品基准转出㊂机械臂运动过程中末端姿态㊁轨迹㊁速度测量通过激光跟踪仪的点位测
357
第6期㊀㊀㊀㊀陈㊀明,等.空间站机械臂捕获悬停飞行器试验系统设计与验证
图5㊀气浮零重力模拟系统
Fig.5㊀Air flotation zero gravity simulation system 量方法结合AT靶球实现㊂
首先在机械臂肩部末端执行器产品上安装固定2台AT动态靶球,通过末端表面粘贴的精测靶点将末端的轴线标定到AT靶球上㊂在气浮平台上布置公共点,建立全局精度控制场,在机械臂运动时利用2台激光跟踪仪分别对2台AT动态靶球进行动态跟踪,通过数据处理获得末端轴线点云,并将轴线点云通过平台公共点转换到机械臂腕部基准坐标系上,得到标准时间点下末端执行器的运动轨迹㊂3.4㊀悬停飞行器模拟移动装置
㊀㊀受地面试验场地等条件限制,由一块1mˑ1 m花岗岩气浮板㊁2组助力电动缸㊁2套限位直线挡板㊁4组冷喷气推力装置(喷嘴)㊁直流蓄电池㊁DC/DC转换器㊁上位机及通讯组件㊁步进电机组件㊁4组制动气缸㊁适配器支架及六维力测量装置㊁相机靶标和配重等部分组成,如图6所示
㊂
图6㊀悬停飞行器模拟移动装置组成图Fig.6㊀Composition diagram of simulated hovering spacecraft mobile device
通过气足使模拟舱体浮起,实现零重力模拟;通过助力电推缸进行初始助推启动,获得指定速度和角速度;通过推力喷嘴喷出高压气体,产生反方向推力,微调位姿㊂
悬停飞行器模拟移动装置主要技术指标如下:
1)气浮台平面内移动速度0~75mm/s范围内调,平移速度精度优于1mm/s;
2)垂直于气浮台方向的转动速度0~0.5ʎ/s 范围内可调,转动速度精度优于0.05ʎ/
s㊂
图7㊀模拟移动装置测量系统组成图
Fig.7㊀Composition diagram of measurement system of the analog mobile device
457载人航天第28卷
3.5㊀模拟移动装置测量系统
㊀㊀模拟移动装置测量系统配合悬停飞行器模拟移动装置使用,由相机靶标㊁外部测量相机及惯导㊁通讯装置㊁上位机等组成,如图7所示㊂在模拟移动装置上安装相机靶标,同时在气浮平台上设置外部相机测量系统,实时测量模拟移动装置上的相机靶标的速度和角速度信息,与预设目标速度和角速度进行误差对比,将控制信息通过通讯装置发送至上位机,上位机通过对喷嘴继电器卡进行脉宽控制,实现对不同位置和不同方向的喷嘴进行喷气推力控制,消除移动装置自身角速度,并使其按照预定的速度运动㊂
4㊀仿真验证
㊀㊀根据机械臂完成悬停捕获任务的时序过程,将地面任务仿真划分为视觉跟踪与末端捕获2个典型关键过程㊂首先按照地面物理试验环境搭建数字仿真模型,通过仿真模型的建立验证机械臂控制算法方案的正确性,然后利用地面试验数据修正机械臂仿真模型参数㊂
4.1㊀仿真建模
㊀㊀机械臂整臂控制和关节控制模型为MATLAB
SIMULINK 模型,机械臂动力学模型为ADAMS 模型,仿真模型架构如图8所示㊂ADAMS 动力学模型中包含了柔性机械臂㊁固定基座㊁气浮工装摩擦以及模拟移动装置模型,如图9所示,可针对不同工况设置模拟移动装置各向移动速度,并实时输出模拟移动装置上目标适配器视觉标记相对于机械臂腕部相机坐标系的六维位姿数据
㊂
图8㊀仿真模型架构
Fig.8㊀Simulation model architecture
4.2㊀仿真条件
㊀㊀仿真步长设置为1ms,控制频率设置为
50ms,相机位置㊁姿态更新频率设置为80ms(即帧频12.5Hz )㊂相机位姿测量误差为位置
8mm㊁姿态0.8ʎ㊂
视觉跟踪到位标识给出的判据为:
机械臂末
图9㊀机械臂动力学模型
Fig.9㊀Dynamic model of the Manipulator
端端面坐标系与模拟移动装置目标适配器端面前128mm 处3个方向的位置偏差均小于0.02m,
欧拉角偏差小于2ʎ㊂
4.3㊀仿真工况
㊀㊀各工况下仿真结果汇总如表1所示㊂到位标识给出的判据为:3个方向的位置偏差均小于
0.2m,欧拉角偏差小于2ʎ㊂
表1㊀机械臂地面试验仿真工况
Table 1㊀Simulation conditions of manipulator ground
test
序号试验工况
V x (mm /s)V z
(mm /s)W y (ʎ/s)
跟踪到位标志时间/s
10
002420-10X:-0.05263-25-25Y:-0.2264
2525
Y:-0.2
21
4.4㊀结果与分析
㊀㊀
以工况4为例,[V x ,V z ]=[25,25],
[W y ]=[-0.2],视觉跟踪过程中目标相对末端位姿与跟踪到位标志曲线如图10所示,曲线中,横
轴为步数,纵轴为位置(m)/姿态(rad);蓝色为x 向位置㊁红色为z 向位置㊁紫色为y 向姿态㊁绿色
为跟踪到位标志曲线㊂
通过上述工况的仿真过程,初步验证了机械臂视觉跟踪算法方案的正确性和可行性㊂
5㊀试验验证
㊀㊀利用试验测试系统,开展了机械臂捕获悬停飞行器的地面验证试验㊂根据来访悬停飞行器与机械臂末端的相对位姿关系以及捕获时的动态影响因素等设计试验工况,按照模拟移动装置的质量特性㊁x 向速度㊁z 向速度㊁初始角度偏差和角速度㊁末端执行器捕获时间开展工况布局㊂
1)z 向速度按照5,10,15,20,25,30及
5
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陈㊀明,等.空间站机械臂捕获悬停飞行器试验系统设计与验证
图10㊀视觉跟踪过程中目标相对末端位姿与跟踪到位标志曲线
Fig.10㊀Position and orientation of target relative to the end effector and tracking mark curve in
the process of visual tracking
35mm/s8种工况设置;
2)在z方向前4种速度工况基础上分别叠加x方向速度进行组合,x向速度分别为5,10,15及20mm/s;
3)在各个线速度工况基础上在叠加角速度进行组合,角速度按照0ʎ㊁0.1ʎ和0.2ʎ3种工况组合㊂
试验过程中,机械臂系统工作正常,机械臂捕获悬停飞行器试验测试工况及结果见表2,试验照片如图11所示㊂机械臂关节3㊁4㊁5力矩曲线如图12所示㊂
表2㊀机械臂捕获悬停飞行器地面试验工况及结果Table2㊀Ground test conditions and results of hovering spacecraft captured by manipulator
序号
试验工况
z方向速度/
(mm/s)x方向速度/
(mm/s)角速度/
(ʎ/s)
跟踪到位
用时/s
是否成
功捕获
1ɤ30ɤ20ɤ0.2ɤ64成功235ɤ20ɤ0.2-不成功
结合地面试验验证数据对机械臂控制仿真模型进行了修正,修正后的视觉跟踪仿真数据与地面试验进行了对比,运动趋势与数值基本保持一致,如图13所示㊂
经过地面试验测试,验证了机械臂机械臂捕获悬停目标任务的接口匹配性㊁机械臂末端视觉闭环跟踪移动目标功能,获取了机械臂捕获成功初步包络边界,初步验证了机械臂捕获悬停目标整体方案有效可行
㊂
图11㊀机械臂捕获悬停飞行器试验照片Fig.11㊀Experimental photos of hovering spacecraft captured by
Manipulator
图12㊀机械臂关节力矩曲线
Fig.12㊀Torque curve of manipulator
joint
图13㊀视觉跟踪过程试验数据与仿真数据对比曲线Fig.13㊀Comparison of test data and simulation test data curve in visual tracking process
6㊀结论
㊀㊀针对机械臂捕获悬停飞行器任务需求开展了空间机械臂捕获悬停飞行器试验地面验证系统设计,并在气浮台上开展了试验验证㊂结果表明,该地面验证系统设计合理,支持完成
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了机械臂捕获悬停飞行器的地面试验工作,验证了机械臂捕获悬停飞行器任务的接口匹配性㊁机械臂末端视觉闭环跟踪移动目标功能,获取了机械臂捕获成功初步包络边界㊂该系统为空间机械臂地面试验验证奠定了技术基础,可为中国未来的空间机械臂任务地面验证提供方案借鉴和技术支撑㊂
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(责任编辑:孙京霞)
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