仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1956年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，人類的生活越來越多地受益于航天技術(shù)的發(fā)展。航天技術(shù)深刻地改變了人類的生活，代表了國家科技實(shí)力和綜合國力，同時(shí)關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)利益和國防安全，也影響了世界各國的空間安全觀。航天技術(shù)的前沿領(lǐng)域包括在軌服務(wù)，深空探測(cè)等，其中在軌服務(wù)指通過人、機(jī)器人或兩者協(xié)同在空間完成對(duì)航天器故障維修、延壽、任務(wù)執(zhí)行能力提升的空間操作，主要包括在軌裝配、在軌檢測(cè)維護(hù)和后勤支持等服務(wù)任務(wù)。應(yīng)用于空間在軌服務(wù)的空間機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域最為前沿的課題之一。
[0003]因此，地面模擬微重力環(huán)境開展前期空間機(jī)器人地面實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)空間機(jī)器人在軌實(shí)際應(yīng)用具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。國內(nèi)外一般采用懸掛法、氣浮法、水浮法來盡可能模擬空間微重力環(huán)境。如美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)提出了用懸吊配重來克服機(jī)械臂重力的方法，所構(gòu)建的懸吊配重系統(tǒng)包括一個(gè)被動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)可控跟蹤機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的水平移動(dòng)系統(tǒng)(Xu Yangsheng, Brown H B, Friedman M, et al.Control system of the self-mobilespace manipulator[J].1EEE Transact1ns on Control System Technology, 1994,2(3): 207-218);氣浮試驗(yàn)法主要采用氣懸浮的方式將放置了機(jī)械臂的光滑平臺(tái)水平托起，即通過托舉力與重力抵消來實(shí)現(xiàn)微重力，這也是目前應(yīng)用最廣的方法之一，主要用于模擬微重力的二維平面試驗(yàn)操作(Konignstein R, Cannon R H Jr.Experiments with modelsimplified computed-torque manipulator controllers for free-flying robots[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1995, 18(6): 1387-1391);水浮試驗(yàn)法是通過水的浮力來抵消機(jī)械臂重力的影響(Carignan C R, Akin D L.The react1nstabilizat1n of on orbit robot[J].1EEE Control Systems Magazine, 2000, 20(6):19-33)
目前的空間在軌機(jī)器人主要以空間機(jī)械臂為主，較多的地面模擬微重力實(shí)驗(yàn)采用上述方式，而仿壁虎空間機(jī)器人研究尚未有報(bào)道。
[0004]關(guān)于生物壁虎的運(yùn)動(dòng)行為觀測(cè)，國外著名生物學(xué)家Robert Full的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了壁虎尾巴在爬行跳躍飛行中能夠調(diào)節(jié)姿態(tài)，具有有效的平衡功能。由此，他們研發(fā)了一種帶有尾巴姿態(tài)自調(diào)節(jié)功能的移動(dòng)小車。這種移動(dòng)小車的尾巴可以在降落的過程中調(diào)節(jié)姿態(tài)，保持車身的平衡性，從而落地時(shí)不會(huì)傾翻。2012年，相關(guān)的論文發(fā)表在《Nature》期刊，他從生物學(xué)研究角度，定性驗(yàn)證了壁虎尾巴具有一定的調(diào)節(jié)姿態(tài)功能。
[0005]因此，我們?cè)O(shè)想發(fā)展“寄生”的新型空間在軌服務(wù)機(jī)器人(幾公斤?幾十公斤)，該機(jī)器人具有小型化、輕量化、低成本、運(yùn)動(dòng)范圍大、可自主移動(dòng)檢測(cè)功能，由航天器母船發(fā)射飛行、“著陸”到目標(biāo)航天器(一般幾千公斤)表面，并在目標(biāo)航天器上穩(wěn)定粘附運(yùn)動(dòng)完成空間檢測(cè)維護(hù)或特種操作任務(wù)。
[0006]為此，我們?cè)诒诨⒌姆律A(chǔ)上，開展地面模擬微重力環(huán)境下仿壁虎空間機(jī)器人調(diào)姿-著陸的仿生機(jī)理研究，在國內(nèi)外屬于前瞻性研究，設(shè)計(jì)的仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將具有一定創(chuàng)新性，能夠開展地面模擬微重力環(huán)境下仿壁虎空間機(jī)器人調(diào)姿-著陸的仿生機(jī)理研究，相關(guān)科學(xué)問題的研究預(yù)計(jì)可取得國際領(lǐng)先成果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種在地面可模擬微重力環(huán)境的仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。
[0008]所述的一種仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括支撐架底座、安裝于支撐架底座上的著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、垂直于支撐架底座且固定于著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)著陸平板；該系統(tǒng)還包括平行于支撐底座的X向支撐橫梁、安裝于X向支撐橫梁上可沿X向滑動(dòng)的滑動(dòng)橫梁，還包括安裝于滑動(dòng)橫梁下方的定滑輪，還包括掛在定滑輪上的繩、以及分別連于繩兩端的配重物和仿壁虎機(jī)器人，其中仿壁虎機(jī)器人包括仿壁虎機(jī)器人主體、通過尾部旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝于仿壁虎機(jī)器人主體上的尾巴、位于仿壁虎機(jī)器人主體內(nèi)用于檢測(cè)仿壁虎機(jī)器人姿態(tài)的姿態(tài)傳感器；上述定滑輪的旋轉(zhuǎn)軸線于滑動(dòng)橫梁垂直；該系統(tǒng)還包括布置于旋轉(zhuǎn)著陸平板上的三維力傳感器陣列、X向高速攝像機(jī)、Y向高速攝像機(jī)、Z向高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)控制終端、力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊；其中X向高速攝像機(jī)、Y向高速攝像機(jī)、Z向高速攝像機(jī)均與計(jì)算機(jī)控制終端相連，三維力傳感器陣列經(jīng)過所述力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制終端相連，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與計(jì)算機(jī)控制終端相連，著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與計(jì)算機(jī)控制終端相連；設(shè)置XYZ坐標(biāo)系；其中X軸與滑動(dòng)橫梁平行，Y軸與著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸平行，Z軸與定滑輪軸線平行。
[0009]所述的仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于包括以下過程:
步驟1、使仿壁虎機(jī)器人頭向上、尾向下，腹部對(duì)旋轉(zhuǎn)著陸平板；
步驟2、使X向高速攝像機(jī)對(duì)著仿壁虎機(jī)器人的背部；Y向高速攝像機(jī)對(duì)著仿壁虎機(jī)器人垂直面方向；ζ向高速攝像機(jī)對(duì)著仿壁虎機(jī)器人側(cè)面方向；
步驟3、通過計(jì)算機(jī)控制終端控制著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)著陸平板旋轉(zhuǎn)，以模擬目標(biāo)旋轉(zhuǎn)著陸平板的不同姿態(tài)角度及轉(zhuǎn)速；
結(jié)合滑動(dòng)橫梁沿X軸向與X向支撐橫梁之間的勻速移動(dòng)速度和著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和角速度，由計(jì)算機(jī)控制終端給出準(zhǔn)確的控制信號(hào)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送給仿壁虎機(jī)器人主體，以便控制尾部旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過尾巴旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)仿壁虎機(jī)器人主體在繞Y軸向姿態(tài)角度調(diào)整方法，實(shí)現(xiàn)與著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)平行著陸；
在著陸過程中，力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集仿壁虎機(jī)器人主體與三維力傳感器陣列之間的碰撞力信號(hào)，發(fā)送給計(jì)算機(jī)控制終端；同時(shí)計(jì)算機(jī)控制終端記錄X向高速攝像機(jī)、Y向高速攝像機(jī)和Z向高速攝像機(jī)的視頻圖像數(shù)據(jù)，用于分析著陸運(yùn)動(dòng)碰撞性能。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明以仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控和著陸運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了從姿態(tài)調(diào)控到粘附著陸，以及未來粘附運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)集成性，比單純的空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控具有更多的功能特點(diǎn)。
[0011]2、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)原理清晰、運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方便，滿足空間機(jī)器人在不同條件下姿態(tài)角度與著陸狀態(tài)時(shí)運(yùn)動(dòng)的性能分析要求，為提高地面模擬微重力環(huán)境下的空間姿態(tài)調(diào)控與著陸的實(shí)驗(yàn)性能。
[0012]3、本發(fā)明通過無線數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)仿壁虎機(jī)器人控制，避免了有線裝置對(duì)角動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)的影響，提高了模擬空間微重力環(huán)境的準(zhǔn)確性。
[0013]4、本發(fā)明記錄了仿壁虎機(jī)器人視頻圖像、仿壁虎機(jī)器人姿態(tài)感知、目標(biāo)著陸平面姿態(tài)和著陸碰撞三維力信號(hào)，為仿壁虎空間機(jī)器人進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析提供充足的傳感數(shù)據(jù)，提高了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)效率，為空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸提供有利途徑和良好的方式方法。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明仿壁虎空間機(jī)器人姿態(tài)調(diào)控與著陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體分布圖。
[0015]上述圖中標(biāo)號(hào)名稱:1、三維力傳感器陣列、2、旋轉(zhuǎn)著陸平板、3、著陸平板旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、4、支撐架底座、5、X向支撐橫梁、6、滑動(dòng)橫梁、7、Y向高速攝像機(jī)、8、定滑輪、9、光源、10、細(xì)繩、11、配重物、12、仿壁虎