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1、(10)申请公布号 CN 103926845 A (43)申请公布日 2014.07.16 CN 103926845 A (21)申请号 201410155425.X (22)申请日 2014.04.17 G05B 17/02(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 杨海涛 谢宗武 张禹 金明河 刘宏 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张宏威 (54) 发明名称 空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模 拟系统及模拟方法 (57) 摘要 空间机器人视觉伺服捕获运动目标。
2、的地面模 拟系统及模拟方法， 涉及空间机器人视觉伺服捕 获空间运动目标的地面验证技术。它为了解决现 有地面试验系统无法模拟三维空间里空间机器人 视觉伺服捕获运动目标卫星的情况的问题。本发 明根据捕获手爪与捕获手柄的相对位姿关系得到 关节运动信息， 根据该信息获得各关节控制力矩， 然后计算计算得到基座位姿和关节角信息， 对上 述信息计算得到等效的工业机器人关节角指令， 然后对一号工业机器人进行控制。本发明能够模 拟在三维空间里空间机器人视觉伺服捕获运动目 标的过程和基座扰动情况， 验证空间机器人视觉 伺服的路径规划算法的可靠性。本发明适用于空 间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面验证。 (51)I。
3、nt.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 10 页 附图 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书10页 附图7页 (10)申请公布号 CN 103926845 A CN 103926845 A 1/3 页 2 1. 空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统， 其特征在于 ： 它包括一号工业 机器人 （3） 、 二号工业机器人 （4） 、 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 、 运动 控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 、 动力学计算机 （7） 、 空间机器人关节电模拟器 （8） 和中央控制器 （9） ； 所述一号工业。
4、机器人 （3） 用于模拟具有漂浮基座的服务卫星 （1） 的空间机械臂末端的 运动 ； 二号工业机器人 （4） 用于模拟目标卫星 （2） 的运动， 二号工业机器人 （4） 上安装有目 标卫星模拟器 （4-3） ， 所述目标卫星模拟器 （4-3） 位于二号工业机器人 （4） 的机械臂与视觉 靶标 （4-2） 之间 ； 手眼相机 （3-1） 的相对位姿关系信号端通过 CAN 总线连接中央控制器 （9） 的相对位姿 关系信号端， 中央控制器 （9） 的关节角信号端通过 CAN 总线连接空间机器人关节电模拟器 （8） 的关节角信号端， 空间机器人关节电模拟器 （8） 的控制力矩信号端通过 CAN 总线连。
5、接动 力学计算机 （7） 的控制力矩信号端， 动力学计算机 （7） 的关节角和基座本体位姿信息信号 端同时连接运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 的关节角和基座本体位姿信 息信号端以及运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 的关节角和基座本体位姿信 息信号端， 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 的控制信号端通过 PCI 总线 连接一号工业机器人 （3） 的控制信号端， 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 的控制信号端通过 PCI 总线连接二号工业机器人 （4） 的控制信号端。 2. 根据权利要求 1 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模。
6、拟系统， 其特征 在于 ： 所述的动力学计算机 （7） 通过 TCP/IP 网络通信方式与运动控制和空间机器人末端运 动学等效计算机 （5） 以及运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 之间进行数据传 输。 3. 根据权利要求 1 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统， 其特征 在于 ： 所述的运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 嵌入有由软件实现的空间 机器人末端等效转换模块和一号工业机器人控制器。 4. 根据权利要求 1 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统， 其特征 在于 ： 所述的运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 嵌入有由软。
7、件实现的空间机 器人末端运动学等效运动模块和二号工业机器人控制器。 5. 基于权利要求 1 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统的地面 模拟方法， 其特征在于 ： 该地面模拟方法包括以下步骤 ： 步骤一、 手眼相机 （3-1） 将测量得到的捕获手爪 （3-2） 与捕获手柄 （4-1） 的相对位姿关 系信息通过 CAN 总线传输给中央控制器 （9） ； 步骤二、 中央控制器 （9） 根据步骤一中的相对位姿关系信息规划出空间机械臂的期望 关节角和期望关节角速度， 然后通过 CAN 总线将所述期望关节角和期望关节角速度传输给 空间机器人关节电模拟器 （8） ； 步骤三、 动力学计算机 。
8、（7） 仿真得到理论关节角和理论关节角速度， 并将该理论关节角 和理论关节角速度发送给空间机器人关节电模拟器 （8） ； 步骤四、 空间机器人关节电模拟器 （8） 计算关节的控制力矩， 并将所述控制力矩发送给 动力学计算机 （7） ， 所述控制力矩 i通过下述公式计算 ： 权 利 要 求 书 CN 103926845 A 2 2/3 页 3 其中， i 代表第 i 关节， p 代表比例项， d 代表微分项， e 代表期望， r 代表实际， i代表 空间机器人的关节控制力矩， qei代表空间机器人的期望关节角， 代表空间机器人的期望 关节角速度， qri代表空间机器人的理论关节角， 代表空间机器。
9、人的理论关节角速度， Kpi 代表比例控制系数， Kdi代表微分控制系数 ； 步骤五、 动力学计算机 （7） 以接收到的控制力矩作为输入量进行实时仿真， 得到空间机 器人当前时刻的关节角和基座本体位姿信息， 并通过 TCP/IP 网络以组播的形式将关节角 和基座本体位姿信息发送到运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 以及运动控 制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） ； 步骤六、 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 接收到的关节角和基座本 体位姿信息后， 首先通过运动学正解得到空间机器人末端的位姿信息 xs， 然后解算并生成 一号工业机器人 （3） 运动等效所需要的。
10、关节角指令， 并根据该关节角指令控制一号工业机 器人 （3） 进行运动， 所述空间机器人末端的位姿信息 xs=FK(qis)， 其中 qis代表空间机器人的关节角， FK 为 正运动学函数， 所述关节角指令 qiA=IK(xA)， 其中 xA代表工业机器人末端位姿， IK 为逆运动学函数。 6. 根据权利要求 5 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方法， 其特征 在于 ： 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 的空间机器人末端运动学等效方 法为 ： 等效的一号工业机器人 （3） 的末端在其基座标系下的位姿 TG(t) 为 其中，为初始臂型下， 一号工业机器人 （3） 的。
11、基座标系到末端坐标系的齐次转换 阵 ；为服务卫星 （1） 惯性坐标系到机械手末端坐标系的齐次转换阵 ； TS(t) 为 t 时刻服 务卫星 （1） 的空间机械臂在服务卫星 （1） 的惯性坐标系下的位姿矩阵， 且该位姿矩阵为齐 次阵。 7. 根据权利要求 5 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方法， 其特征 在于 ： 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 的目标卫星 （2） 手柄的运动学等效 方法为 ： 二号工业机器人 （4） 末端在其基座标系下的位姿 TG(t) 为 ： 其中，为二号工业机器人 （4） 在初始臂型时基座到末端的齐次转换阵，为目标 卫星 （2） 手柄坐标系到。
12、服务卫星 （1） 惯性坐标系的转换阵， TH(t) 为 t 时刻二号工业机器人 （4） 的手柄在惯性坐标系下的位姿。 8. 根据权利要求 5 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方法， 其特征 在于 ： 动力学计算机 （7） 通过 TCP/IP 网络通信方式与运动控制和空间机器人末端运动学等 效计算机 （5） 以及运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 之间进行数据传输。 9. 根据权利要求 5 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方法， 其特征 在于 ： 所述的运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 （5） 嵌入有由软件实现的空间 权 利 要 求 书 CN 10。
13、3926845 A 3 3/3 页 4 机器人末端等效转换模块和一号工业机器人控制器。 10. 根据权利要求 5 所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方法， 其特 征在于 ： 所述的运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 （6） 嵌入有由软件实现的空间 机器人末端运动学等效运动模块和二号工业机器人控制器。 权 利 要 求 书 CN 103926845 A 4 1/10 页 5 空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统及模拟 方法 技术领域 0001 本发明涉及一种空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面验证技术， 属于空间机 器人技术领域。 背景技术 0002 为了确保在轨任务能够成。
14、功， 空间机器人在发射前必须进行充分的地面实验来验 证和评估空间机器人目标捕获的路径规划和视觉伺服跟踪控制算法等。 因此空间机器人目 标捕获的地面试验是整个空间机器人系统试验任务中的重要组成内容。 目前空间机器人地 面实验系统主要有五大类 ： 气浮平台实验系统、 水浮式实验系统、 吊丝配重实验系统、 基于 抛物线或自由落体运动的实验系统以及混合仿真实验系统。 0003 而水浮法实验系统、 吊丝配重实验系统、 基于抛物线或自由落体运动的地面实验 系统的局限性比较大， 而常规的气浮台试验只能验证空间机器人在平面内的捕获过程， 对 于在太空中零重力环境下的真实三维运动状况和捕获能力无法进行充分验证。。
15、 因此选择建 立一套基于软硬件混合的半物理仿真地面实验系统来满足空间机器人在三维空间运动的 目标捕获的研究要求。 基于运动学等效与动力学模拟的空间机器人混合仿真地面实验系统 可以用来实时仿真空间机器人系统的运动状态， 可实现空间机械臂对在三维空间目标的捕 获过程进行验证， 可以充分地验证捕获过程中手眼视觉测量、 空间机械手规划与控制方法 的正确性和完成目标抓捕任务的能力。 0004 目前空间机器人系统已完成在气浮平台的二维平面上的目标捕获实验， 但是由于 空间机器人结构限制和地球的重力环境的影响， 空间机器人在地面上不具备三维运动的能 力， 无法验证在空间三维运动下的状况， 因此需要建立一套地。
16、面仿真试验仿真系统来验证 在三维空间里手眼相机视觉测量算法和视觉伺服跟踪算法的准确性和可靠性。 发明内容 0005 本发明的目的是为了解决目前空间机器人目标捕获的地面试验系统因无法模拟 三维空间里空间机器人视觉伺服捕获运动目标卫星的情况的问题， 提供一种空间机器人视 觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统及模拟方法。 0006 本发明所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统包括一号工业 机器人 3、 二号工业机器人 4、 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5、 运动控制和 目标卫星手柄运动学等效计算机 6、 动力学计算机 7、 空间机器人关节电模拟器 8 和中央控 制器 9 ； 0。
17、007 所述一号工业机器人3用于模拟具有漂浮基座的服务卫星1的空间机械臂末端的 运动 ； 二号工业机器人4用于模拟目标卫星2的运动， 二号工业机器人4上安装有目标卫星 模拟器 4-3， 所述目标卫星模拟器 4-3 位于二号工业机器人 4 的机械臂与视觉靶标 4-2 之 间 ； 说 明 书 CN 103926845 A 5 2/10 页 6 0008 手眼相机 3-1 的相对位姿关系信号端通过 CAN 总线连接中央控制器 9 的相对位姿 关系信号端， 中央控制器 9 的关节角信号端通过 CAN 总线连接空间机器人关节电模拟器 8 的关节角信号端， 空间机器人关节电模拟器 8 的控制力矩信号端通过。
18、 CAN 总线连接动力学 计算机 7 的控制力矩信号端， 动力学计算机 7 的关节角和基座本体位姿信息信号端同时连 接运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 的关节角和基座本体位姿信息信号端 以及运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 的关节角和基座本体位姿信息信号端， 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机5的控制信号端通过PCI总线连接一号工业 机器人 3 的控制信号端， 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 的控制信号端通过 PCI 总线连接二号工业机器人 4 的控制信号端。 0009 上述空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统的地面验证方法包括以 下步骤 ： 0。
19、010 步骤一、 手眼相机 3-1 将测量得到的捕获手爪 3-2 与捕获手柄 4-1 的相对位姿关 系信息通过 CAN 总线传输给中央控制器 9 ； 0011 步骤二、 中央控制器 9 根据步骤一中的相对位姿关系信息规划出空间机械臂的期 望关节角和期望关节角速度， 然后通过 CAN 总线将所述期望关节角和期望关节角速度传输 给空间机器人关节电模拟器 8 ； 0012 步骤三、 动力学计算机 7 仿真得到理论关节角和理论关节角速度， 并将该理论关 节角和理论关节角速度发送给空间机器人关节电模拟器 8 ； 0013 步骤四、 空间机器人关节电模拟器 8 计算关节的控制力矩， 并将所述控制力矩发 送。
20、给动力学计算机 7， 0014 所述控制力矩 i通过下述公式计算 ： 0015 0016 其中， i 代表第 i 关节， p 代表比例项， d 代表微分项， e 代表期望， r 代表实际， i 代表空间机器人的关节控制力矩， qei代表空间机器人的期望关节角， 代表空间机器人的 期望关节角速度， qri代表空间机器人的理论关节角， 代表空间机器人的理论关节角速 度， Kpi代表比例控制系数， Kdi代表微分控制系数 ； 0017 步骤五、 动力学计算机 7 以接收到的控制力矩作为输入量进行实时仿真， 得到空 间机器人当前时刻的关节角和基座本体位姿信息， 并通过 TCP/IP 网络以组播的形式将。
21、关 节角和基座本体位姿信息发送到运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 以及运 动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 ； 0018 步骤六、 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 接收到的关节角和基座 本体位姿信息后， 首先通过运动学正解得到空间机器人末端的位姿信息 xs， 然后解算并生 成一号工业机器人 3 运动等效所需要的关节角指令， 并根据该关节角指令控制一号工业机 器人 3 进行运动， 0019 所述空间机器人末端的位姿信息 xs=FK(qis)， 其中 qis代表空间机器人的关节角， FK 为正运动学函数， 0020 所述关节角指令 qiA=IK(xA)， 其中 x。
22、A代表工业机器人末端位姿， IK 为逆运动学函 数。 说 明 书 CN 103926845 A 6 3/10 页 7 0021 本发明的中央控制器 9 的内部程序与所述的中控模块的内部程序相同， 本实施方 式的手眼相机 3-1 与服务卫星 1 的手眼相机相同， 一号工业机器人 3 用于模拟服务卫星 1， 二号工业机器人 4 用于模拟目标卫星 2。一号工业机器人 3 直接固定在地面， 由于空间机 器人与工业机器人在构型上的差异， 中央控制器 9 规划产生的关节角指令无法直接作用于 一号工业机器人 3 上。手眼相机 3-1 内部的视觉测量功能模块根据手眼相机 3-1 采集的图 像信息来获得一号工业。
23、机器人 3 末端的捕获手爪 3-2 的中心点与二号工业机器人 4 末端的 捕获手柄 4-1 的中心的相对位姿关系 ； 该相对位姿关系通过 CAN 通信传递给中央控制器 9， 中央控制器 9 根据这一关系进行运动规划 ； 中央控制器 9 运动规划得到的空间机器人的关 节运动信息传递给空间机器人关节电模拟器 8 ； 空间机器人关节电模拟器 8 根据期望关节 角、 期望关节角速度、 实际关节角和实际关节角速度信息获得空间机器人各关节的控制力 矩， 并将该控制力矩发送给动力学计算机 7 ； 动力学计算机 7 根据空间机器人的控制力矩计 算得到空间机器人基座位姿和关节角信息， 并将该基座位姿和关节角信息。
24、通过 TCP/IP 协 议发送给运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 ； 运动控制和空间机器人末端运 动学等效计算机 5 接收到当前的空间机器人基座位姿和关节角信息后， 首先通过运动学正 解得到一号工业机器人3末端的位姿信息， 然后通过对一号工业机器人3的运动学逆解， 得 到等效的工业机器人关节角指令， 然后对一号工业机器人 3 的关节进行控制。目标卫星模 拟器 4-3 固定于二号工业机器人 4 上， 通过运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 控制二号工业机器人 4 的末端来模拟目标卫星 2 的实际运动。当给定目标卫星 2 在空间 的运动情况时， 可以通过运动控制和目标卫星手柄。
25、运动学等效计算机 6 计算出二号工业机 器人 4 的关节的运动情况， 然后控制二号工业机器人 4 的运动。本发明系统硬件实现简单 方便， 能够模拟在三维空间里空间机器人视觉伺服捕获运动目标的过程和基座扰动情况， 能够验证空间机器人视觉伺服的路径规划算法的可靠性， 并测量空间机器人视觉伺服捕获 的精度和捕获时间， 此外， 系统还具有很好的扩展性， 可以扩展用于目标捕获的接触状况验 证。 附图说明 0022 图 1 是空间机器人视觉伺服捕获运动目标卫星的系统组成框图 ； 0023 图 2 是空间机器人视觉伺服的地面验证系统硬件组成 ； 0024 图 3 是空间机器人视觉伺服的地面验证系统实现原理框。
26、图 ； 0025 图 4 是空间机器人视觉伺服的地面验证系统通信结构框图 ； 0026 图 5 是一号工业机器人的控制流程图 ； 0027 图 6 是二号工业机器人的控制流程图 ； 0028 图 7 是空间机器人视觉伺服捕获目标时， 手眼相机测量的捕获手爪相对于目标卫 星捕获手柄的位置曲线 ； 0029 图 8 是空间机器人视觉伺服捕获目标的基座姿态扰动曲线。 具体实施方式 0030 具体实施方式一 ： 结合图1至图4说明本实施方式， 本实施方式所述的空间机器人 视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统包括一号工业机器人 3、 二号工业机器人 4、 运动控 说 明 书 CN 103926845 A 。
27、7 4/10 页 8 制和空间机器人末端运动学等效计算机 5、 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6、 动力学计算机 7、 空间机器人关节电模拟器 8 和中央控制器 9 ； 0031 所述一号工业机器人3用于模拟具有漂浮基座的服务卫星1的空间机械臂末端的 运动 ； 二号工业机器人4用于模拟目标卫星2的运动， 二号工业机器人4上安装有目标卫星 模拟器 4-3， 所述目标卫星模拟器 4-3 位于二号工业机器人 4 的机械臂与视觉靶标 4-2 之 间 ； 0032 手眼相机 3-1 的相对位姿关系信号端通过 CAN 总线连接中央控制器 9 的相对位姿 关系信号端， 中央控制器 9 的关节角信号。
28、端通过 CAN 总线连接空间机器人关节电模拟器 8 的关节角信号端， 空间机器人关节电模拟器 8 的控制力矩信号端通过 CAN 总线连接动力学 计算机 7 的控制力矩信号端， 动力学计算机 7 的关节角和基座本体位姿信息信号端同时连 接运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 的关节角和基座本体位姿信息信号端 以及运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 的关节角和基座本体位姿信息信号端， 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机5的控制信号端通过PCI总线连接一号工业 机器人 3 的控制信号端， 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 的控制信号端通过 PCI 总线连接二号工业机器。
29、人 4 的控制信号端。 0033 如图 1 所示， 空间机器人系统主要包括服务卫星 1 和目标卫星 2 两部分， 其中服务 卫星1由漂浮卫星基座、 空间机械臂、 手眼相机和捕获手爪组成 ； 目标卫星2由捕获手柄、 视 觉靶标和卫星本体组成。手眼相机的内部嵌入有视觉测量功能模块， 中控模块根据视频测 量功能模块发来的相对位姿信息进行规划产生关节角指令， 并根据该指令控制服务卫星 1 运动。本实施方式的中央控制器 9 的内部程序与所述的中控模块的内部程序相同， 本实施 方式的手眼相机 3-1 与服务卫星 1 的手眼相机相同， 一号工业机器人 3 用于模拟服务卫星 1， 二号工业机器人 4 用于模拟。
30、目标卫星 2。 0034 图 3 所示为本实施方式所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系 统的工作原理， 一号工业机器人 3 直接固定在地面， 由于空间机器人与工业机器人在构型 上的差异， 中央控制器 9 规划产生的关节角指令无法直接作用于一号工业机器人 3 上。手 眼相机3-1内部的视觉测量功能模块根据手眼相机3-1采集的图像信息来获得一号工业机 器人 3 末端的捕获手爪 3-2 的中心点与二号工业机器人 4 末端的捕获手柄 4-1 的中心的 相对位姿关系 ； 该相对位姿关系通过 CAN 通信传递给中央控制器 9， 中央控制器 9 根据这一 关系进行运动规划 ； 中央控制器 9 运。
31、动规划得到的空间机器人的关节运动信息传递给空间 机器人关节电模拟器 8 ； 空间机器人关节电模拟器 8 根据期望关节角、 期望关节角速度、 实 际关节角和实际关节角速度信息获得空间机器人各关节的控制力矩， 并将该控制力矩发送 给动力学计算机 7 ； 动力学计算机 7 根据空间机器人的控制力矩计算得到空间机器人基座 位姿和关节角信息， 并将该基座位姿和关节角信息通过 TCP/IP 协议发送给运动控制和空 间机器人末端运动学等效计算机 5 ； 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 接收 到当前的空间机器人基座位姿和关节角信息后， 首先通过运动学正解得到一号工业机器人 3 末端的位姿信息， 。
32、然后通过对一号工业机器人 3 的运动学逆解， 得到等效的工业机器人关 节角指令， 然后对一号工业机器人 3 的关节进行控制。目标卫星模拟器 4-3 固定于二号工 业机器人 4 上， 通过运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 控制二号工业机器人 4 的末端来模拟目标卫星 2 的实际运动。当给定目标卫星 2 在空间的运动情况时， 可以通 说 明 书 CN 103926845 A 8 5/10 页 9 过运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机6计算出二号工业机器人4的关节的运动情 况， 然后控制二号工业机器人 4 的运动。还可在本实施方式所述的地面模拟系统的基础上 增加三维运动模拟显示计算机。
33、， 三维运动模拟显示计算机根据当前一号工业机器人 3 和二 号工业机器人 4 的信息， 实时显示一号工业机器人 3 捕获二号工业机器人 4 的情况。 0035 图 4 为空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统的通信接口图， 在该地 面模拟系统中， 空间硬件部分 （即空间机器人关节电模拟器8， 中央控制器9和手眼相机3-1 都是采用 CAN 总线进行通信， 与空间使用时的通信方式完全一致。 0036 本实施方式所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统具有以下 优点 ： 0037 （1） 系统硬件实现简单方便 ； 0038 （2） 能够模拟在三维空间里空间机器人视觉伺服捕获运动目标。
34、的过程 ； 0039 （3） 能够模拟空间机器人运动过程中的基座扰动情况 ； 0040 （4） 能够验证空间机器人视觉伺服的路径规划算法的可靠性 ； 0041 （5） 能够测量空间机器人视觉伺服捕获的精度和捕获时间 ； 0042 （6） 具有很好的扩展性， 可以扩展用于目标捕获的接触状况验证。 0043 具体实施方式二 ： 结合图2至图4说明本实施方式， 本实施方式是对实施方式一所 述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统的进一步限定， 本实施方式中， 所 述的动力学计算机 7 通过 TCP/IP 网络通信方式与运动控制和空间机器人末端运动学等效 计算机 5 以及运动控制和目标卫星手柄。
35、运动学等效计算机 6 之间进行数据传输。 0044 本实施方式中， 地面工业机器人模拟部分采用 TCP/IP 网络通信方式， 以保证系统 的实时性。 0045 具体实施方式三 ： 结合图 3 说明本实施方式， 本实施方式是对实施方式一所述的 空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统的进一步限定， 本实施方式中， 所述的 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 嵌入有由软件实现的空间机器人末端等 效转换模块和一号工业机器人控制器。 0046 本实施方式中， 动力学计算机 7 根据空间机器人的控制力矩计算得到空间机器人 基座位姿和关节角信息， 并将基座位姿和关节角信息通过 TCP/IP 。
36、协议发送给运动控制和 空间机器人末端运动学等效计算机 5 内的空间机器人末端等效转换模块， 所述空间机器人 末端等效转换模块首先通过运动学正解得到一号工业机器人 3 末端的位姿信息， 然后通过 对一号工业机器人 3 的运动学逆解， 得到等效的工业机器人关节角指令， 然后通过一号工 业机器人控制器对一号工业机器人 3 的关节进行控制。 0047 具体实施方式四 ： 结合图 3 说明本实施方式， 本实施方式是对实施方式一所述的 空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟系统的进一步限定， 本实施方式中， 所述的 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 嵌入有由软件实现的空间机器人末端运动 学等效。
37、运动模块和二号工业机器人控制器。 0048 本实施方式中， 当给定目标卫星 2 在空间的运动情况时， 可以通过运动控制和目 标卫星手柄运动学等效计算机6中的运动学等效运动模块计算出二号工业机器人4的关节 的运动情况， 然后通过二号工业机器人控制器来控制二号工业机器人 4 的运动。 0049 具体实施方式五 ： 结合图1至图8说明本实施方式， 本实施方式所述的空间机器人 说 明 书 CN 103926845 A 9 6/10 页 10 视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方法包括以下步骤 ： 0050 步骤一、 手眼相机 3-1 将测量得到的捕获手爪 3-2 与捕获手柄 4-1 的相对位姿关 系信息通。
38、过 CAN 总线传输给中央控制器 9 ； 0051 步骤二、 中央控制器 9 根据步骤一中的相对位姿关系信息规划出空间机械臂的期 望关节角和期望关节角速度， 然后通过 CAN 总线将所述期望关节角和期望关节角速度传输 给空间机器人关节电模拟器 8 ； 0052 步骤三、 动力学计算机 7 仿真得到理论关节角和理论关节角速度， 并将该理论关 节角和理论关节角速度发送给空间机器人关节电模拟器 8 ； 0053 步骤四、 空间机器人关节电模拟器 8 计算关节的控制力矩， 并将所述控制力矩发 送给动力学计算机 7， 0054 所述控制力矩 i通过下述公式计算 ： 0055 0056 其中， i 代表第。
39、 i 关节， p 代表比例项， d 代表微分项， e 代表期望， r 代表实际， i 代表空间机器人的关节控制力矩， qei代表空间机器人的期望关节角， 代表空间机器人的 期望关节角速度， qri代表空间机器人的理论关节角，代表空间机器人的理论关节角速 度， Kpi代表比例控制系数， Kdi代表微分控制系数 ； 0057 步骤五、 动力学计算机 7 以接收到的控制力矩作为输入量进行实时仿真， 得到空 间机器人当前时刻的关节角和基座本体位姿信息， 并通过 TCP/IP 网络以组播的形式将关 节角和基座本体位姿信息发送到运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 以及运 动控制和目标卫星手柄运动。
40、学等效计算机 6 ； 0058 步骤六、 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 接收到的关节角和基座 本体位姿信息后， 首先通过运动学正解得到空间机器人末端的位姿信息 xs， 然后解算并生 成一号工业机器人 3 运动等效所需要的关节角指令， 并根据该关节角指令控制一号工业机 器人 3 进行运动， 0059 所述空间机器人末端的位姿信息 xs=FK(qis)， 其中 qis代表空间机器人的关节角， FK 为正运动学函数， 0060 所述关节角指令 qiA=IK(xA)， 其中 xA代表工业机器人末端位姿， IK 为逆运动学函 数。 0061 本实施方式中， 空间机器人系统的动力学计算公式。
41、为 0062 0063 式中， Hb为卫星基座的惯量矩阵 ； Hm为空间机械臂的惯性矩阵 ； Hbm为卫星基 座和机械臂的耦合惯量矩阵 ； 为基座的加速度 ； 为空间机器人的关节角加速度 ； cb、 cm分别为与基座运动和机械臂运动相关的非线性力， 包括向心力和哥氏力， cb、 cm R6； Fb=fbx,fby,fby,bx,bx,bxT R6， 其中 fbx、 fby和 fby, 分别为作用于基座的 x、 y 和 z 方 向的力， bx、 bx和 bx分别为作用于基座 x、 y 和 z 方向的力矩， is为机械臂关节的驱 动力矩， is R6。 说 明 书 CN 103926845 A 1。
42、0 7/10 页 11 0064 如图 5 所示， 一号工业机器人 3 的控制过程如下 ： 0065 实验开始前， 先对手眼相机3-1进行标定， 一号工业机器人3的各个关节和视觉测 量系统22要进行复位和自检， 捕获手爪3-2的位姿用坐标变换全部统一到机器人基座直角 坐标系下， 当有某个部分自检没通过时， 报警并直接结束， 否则， 继续执行程序 ； 0066 程序开始后， 首先检查目标卫星模拟器 4-3 是否在手眼相机 3-1 的视场里 ； 0067 当目标卫星模拟器 4-3 进入手眼相机 3-1 的视场范围时， 运动控制和空间机器人 末端运动学等效计算机 5、 一号工业机器人 3、 手眼相机。
43、 3-1 和中央控制器 9 便组成一个闭 环控制回路 ； 0068 手眼相机 3-1 的视觉测量系统 22 实时将采集到的相对位姿信息送到中央控制器 9 ； 0069 中央控制器 9 利用当前位姿信息进行实时规划， 输出控制指令以驱动空间机器人 关节电模拟器 8 进行仿真得到各关节的控制力矩 ； 0070 控制力矩与当前关节角信息被输入至动力学计算机 7 进行仿真后， 计算得到自由 漂浮空间机器人的基座位姿及机械臂关节角 ； 0071 运动控制和空间机器人末端运动学等效计算机 5 根据基座位姿与关节角信息计 算得到一号工业机器人 3 的关节角指令， 并通过上位机软件将指令发送至一号工业机器人 。
44、3 对其进行控制 ； 0072 中央控制器 9 判断手眼相机 3-1 测得的相对位姿关系是否在捕获阈值范围之内， 如果判断结果为是， 则驱动捕获手爪 3-2 闭合， 实现捕获 ； 否则， 重新判断目标卫星模拟器 4-3 是否在手眼相机 3-1 的视场里。 0073 如图 6 所示， 二号工业机器人 4 的控制过程如下 ： 0074 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 通过运动学计算得到二号工业机 器人 4 当前的位姿信息。 0075 运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 通过手柄运动学等效得到二号工 业机器人 4 末端位姿信息 ； 0076 中央控制器 9 根据该位姿信息对二号工。
45、业机器人 4 进行运动学逆解， 得到二号工 业机器人 4 的关节角指令信息 ； 0077 最后通过运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6 的软件对二号工业机器 人 4 进行控制。 0078 采用本实施方式所述的空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方法验证 空间机械臂在三维空间下、 手眼视觉伺服在目标星不同运动状态下的跟随、 接近和抓捕能 力。 0079 实验的初始条件设定为空间机械臂与目标星处于分离抓捕准备位置， 该位置关系 是机械臂末端与目标星手柄的相对位置为空间机器人在抓捕前关闭卫星姿控系统后手眼 相机3-1测量到的相对位置信息， 所述相对位置信息为20mm,26mm,315mm。。
46、 在该位置关系 下， 空间机械臂开始根据手眼相机 3-1 提供的其与目标卫星模拟器 4-3 相对位姿信息接近 目标卫星 2 运动， 最终到达可以捕获的位置。空间机械臂接近目标卫星 2 运动的初始臂型 对应的关节角为 0 ,-121 ,76 ,0 ,226 ,0 。 0080 在 地 面 上， 两 工 业 机 器 人 根 据 空 间 机 器 人 末 端 与 目 标 星 手 柄 中 心 说 明 书 CN 103926845 A 11 8/10 页 12 的 相 对 位 姿 关 系， 调 整 好 它 们 的 初 始 臂 型， 一 号 工 业 机 器 人 3 的 初 始 关 节 角 为 0 ,45 ,。
47、-15 ,0 ,-30 ,0 ， 二 号 工 业 机 器 人 4 的 初 始 关 节 角 为 0 ,26 ,-0.3 ,0 ,-26 ,0 。实验中， 为了防止工业机器人运动速度过快， 设定 工业机器人末端速度上限为 40mm/s， 角速度上限为 20 /s。 0081 实验采用基于位置的视觉伺服自主路径规划方法进行运动目标捕获的实验。 整个 过程中， 一号工业机器人 3 的基座处于自由漂浮状态。 0082 1） 首先启动一号工业机器人 3 和二号工业机器人 4 的上位机， 即运动控制和空间 机器人末端运动学等效计算机 5 和运动控制和目标卫星手柄运动学等效计算机 6， 初始化 一号工业机器人。
48、 3 和二号工业机器人 4 的臂型， 使一号工业机器人 3 和二号工业机器人 4 的末端的位置到达指定的初始化位置， 该位置模拟空间机械臂末端和目标星手柄在空间中 的分离抓捕准备位置 ； 0083 2） 启动空间机械臂的中央控制器 9， 连接中央控制器 9 的主服务器和控制计算机 的网络通信 ； 0084 3） 启动空间机器人关节电模拟器 8 和一号工业机器人 3 的手眼相机 3-1， 并与中 央控制器 9 建立通信 ； 0085 4） 启动动力学计算机 7， 并连接其与中央控制器 9 的通信 ； 0086 5） 开启一号工业机器人 3 和二号工业机器人 4 的网络通信 ； 0087 6） 设。
49、置二号工业机器人4的运动状态， 开启动力学计算机7的网络通信， 所述动力 学计算机 7 为一号工业机器人 3 和二号工业机器人 4 的上位机软件和 OSG 发送控制指令。 0088 8） 在开启动力学计算机 7 后立即开启手眼相机 3-1， 所述手眼相机 3-1 的内部嵌 入有视觉测量功能模块， 该模块向中央控制器9发送视觉数据， 然后中央控制器9向空间机 器人关节电模拟器 8 发送期望关节角， 空间机器人关节电模拟器 8 向动力学计算机 7 提供 关节控制力矩， 动力学计算机 7 通过关节控制力矩计算出机械臂的关节角和基座位姿， 将 机械臂的关节角和基座的位姿变化通过运动学等效得到机械臂末端的位姿。 0089 实验结果如图 7 和图 8 所示， 图 7 为机械臂末端的手眼相机 3-1 相对于目标卫 星模拟器 4-3 的视觉伺服。