仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统及方法

摘要

仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统及方法，属机器人领域。该系统主要包括旋转着陆平板（2）、布于板上的三维力传感器阵列（1）、仿壁虎机器人、高速摄像机、计算机控制终端（18）、力传感器数据采集系统(19)、无线数据传输模块(20)。该系统及方法可有效地模拟微重力环境下空间机器人调控姿态和着陆实验，提供了空间机器人姿态控制和着陆碰撞的实验新方法。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统及方法。

背景技术

自1956年前苏联发射第一颗人造卫星以来，人类的生活越来越多地受益于航天技术的发展。航天技术深刻地改变了人类的生活，代表了国家科技实力和综合国力，同时关系到国家经济利益和国防安全，也影响了世界各国的空间安全观。航天技术的前沿领域包括在轨服务，深空探测等，其中在轨服务指通过人、机器人或两者协同在空间完成对航天器故障维修、延寿、任务执行能力提升的空间操作，主要包括在轨装配、在轨检测维护和后勤支持等服务任务。应用于空间在轨服务的空间机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一。

因此，地面模拟微重力环境开展前期空间机器人地面实验研究，对空间机器人在轨实际应用具有重要意义和实用价值。国内外一般采用悬挂法、气浮法、水浮法来尽可能模拟空间微重力环境。如美国卡内基·梅隆大学提出了用悬吊配重来克服机械臂重力的方法，所构建的悬吊配重系统包括一个被动系统和一个可控跟踪机器人运动的水平移动系统 (Xu Yangsheng, Brown H B, Friedman M, et al. Control system of the self-mobile space manipulator[J]. IEEE Transactions on Control System Technology, 1994, 2(3): 207-218)；气浮试验法主要采用气悬浮的方式将放置了机械臂的光滑平台水平托起，即通过托举力与重力抵消来实现微重力，这也是目前应用最广的方法之一，主要用于模拟微重力的二维平面试验操作(Konignstein R, Cannon R H Jr. Experiments with model simplified computed-torque manipulator controllers for free-flying robots[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1995, 18(6): 1387-1391)；水浮试验法是通过水的浮力来抵消机械臂重力的影响(Carignan C R, Akin D L. The reaction stabilization of on orbit robot[J]. IEEE Control Systems Magazine, 2000, 20(6): 19-33)

目前的空间在轨机器人主要以空间机械臂为主，较多的地面模拟微重力实验采用上述方式，而仿壁虎空间机器人研究尚未有报道。

关于生物壁虎的运动行为观测，国外著名生物学家Robert Full的研究团队发现了壁虎尾巴在爬行跳跃飞行中能够调节姿态，具有有效的平衡功能。由此，他们研发了一种带有尾巴姿态自调节功能的移动小车。这种移动小车的尾巴可以在降落的过程中调节姿态，保持车身的平衡性，从而落地时不会倾翻。2012年，相关的论文发表在《Nature》期刊，他从生物学研究角度，定性验证了壁虎尾巴具有一定的调节姿态功能。

因此，我们设想发展“寄生”的新型空间在轨服务机器人（几公斤～几十公斤)，该机器人具有小型化、轻量化、低成本、运动范围大、可自主移动检测功能，由航天器母船发射飞行、“着陆”到目标航天器(一般几千公斤)表面，并在目标航天器上稳定粘附运动完成空间检测维护或特种操作任务。

为此，我们在壁虎的仿生基础上，开展地面模拟微重力环境下仿壁虎空间机器人调姿-着陆的仿生机理研究，在国内外属于前瞻性研究，设计的仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统将具有一定创新性，能够开展地面模拟微重力环境下仿壁虎空间机器人调姿-着陆的仿生机理研究，相关科学问题的研究预计可取得国际领先成果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在地面可模拟微重力环境的仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统及方法。

所述的一种仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统，其特征在于：该系统包括支撑架底座、安装于支撑架底座上的着陆平板旋转驱动电机、垂直于支撑架底座且固定于着陆平板旋转驱动电机输出轴的旋转着陆平板；该系统还包括平行于支撑底座的X向支撑横梁、安装于X向支撑横梁上可沿X向滑动的滑动横梁，还包括安装于滑动横梁下方的定滑轮，还包括挂在定滑轮上的绳、以及分别连于绳两端的配重物和仿壁虎机器人，其中仿壁虎机器人包括仿壁虎机器人主体、通过尾部旋转电机安装于仿壁虎机器人主体上的尾巴、位于仿壁虎机器人主体内用于检测仿壁虎机器人姿态的姿态传感器；上述定滑轮的旋转轴线于滑动横梁垂直；该系统还包括布置于旋转着陆平板上的三维力传感器阵列、X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机、计算机控制终端、力传感器数据采集系统、无线数据传输模块；其中X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机均与计算机控制终端相连，三维力传感器阵列经过所述力传感器数据采集系统与计算机控制终端相连，无线数据传输模块与计算机控制终端相连，着陆平板旋转驱动电机与计算机控制终端相连；设置XYZ坐标系；其中X轴与滑动横梁平行，Y轴与着陆平板旋转驱动电机输出轴平行，Z轴与定滑轮轴线平行。

所述的仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统的实验方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、使仿壁虎机器人头向上、尾向下，腹部对旋转着陆平板；

步骤2、使X向高速摄像机对着仿壁虎机器人的背部；Y向高速摄像机对着仿壁虎机器人垂直面方向；Z向高速摄像机对着仿壁虎机器人侧面方向； 

步骤3、通过计算机控制终端控制着陆平板旋转驱动电机带动旋转着陆平板旋转，以模拟目标旋转着陆平板的不同姿态角度及转速；

结合滑动横梁沿X轴向与X向支撑横梁之间的匀速移动速度和着陆平板旋转驱动电机旋转角度和角速度，由计算机控制终端给出准确的控制信号，通过无线数据传输模块发送给仿壁虎机器人主体，以便控制尾部旋转电机转速，通过尾巴旋转实现仿壁虎机器人主体在绕Y轴向姿态角度调整方法，实现与着陆平板旋转驱动电机平行着陆；

在着陆过程中，力传感器数据采集系统采集仿壁虎机器人主体与三维力传感器阵列之间的碰撞力信号，发送给计算机控制终端；同时计算机控制终端记录X向高速摄像机、Y向高速摄像机和Z向高速摄像机的视频图像数据，用于分析着陆运动碰撞性能。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、   本发明以仿壁虎空间机器人姿态调控和着陆运动相结合，设计了从姿态调控到粘附着陆，以及未来粘附运动的实验系统，具有较强的系统集成性，比单纯的空间机器人姿态调控具有更多的功能特点。

2、   本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，满足空间机器人在不同条件下姿态角度与着陆状态时运动的性能分析要求，为提高地面模拟微重力环境下的空间姿态调控与着陆的实验性能。

3、 本发明通过无线数据传输实现对仿壁虎机器人控制，避免了有线装置对角动量守恒实验的影响，提高了模拟空间微重力环境的准确性。

4、 本发明记录了仿壁虎机器人视频图像、仿壁虎机器人姿态感知、目标着陆平面姿态和着陆碰撞三维力信号，为仿壁虎空间机器人进一步实验分析提供充足的传感数据，提高了机器人运动实验效率，为空间机器人姿态调控与着陆提供有利途径和良好的方式方法。

附图说明

图1是本发明仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统总体分布图。

上述图中标号名称：1、三维力传感器阵列、2、旋转着陆平板、3、着陆平板旋转驱动电机、4、支撑架底座、5、X向支撑横梁、6、滑动横梁、7、Y向高速摄像机、8、定滑轮、9、光源、10、细绳、11、配重物、12、仿壁虎机器人主体、13、姿态传感器、14、尾部旋转电机、15、尾巴、16、X向高速摄像机、17、X向三脚架、18、计算机控制终端、19、力传感器数据采集系统、20、无线数据传输模块、21、Z向高速摄像机、22、Z向三脚架

图中X向为针对机器人正面方向；Y向为针对机器人垂直面方向；Z向为针对机器人侧面方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图1，本实施例为一种仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统及方法，包括三维力传感器阵列1及旋转着陆平板2；着陆平板旋转驱动电机3、支撑架底座4、X向支撑横梁5、滑动横梁6、Y向高速摄像机7、定滑轮8、光源9、细绳10、配重物11、仿壁虎机器人主体12、姿态传感器13、尾部旋转电机14、尾巴15、X向高速摄像机16、X向三脚架17、计算机控制终端18、力传感器数据采集系统19、无线数据传输模块20、Z向高速摄像机21、Z向三脚架22组成。

如图1所示，所述的一种仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统，其特征在于：该系统包括支撑架底座4、安装于支撑架底座上的着陆平板旋转驱动电机3、垂直于支撑架底座且固定于着陆平板旋转驱动电机输出轴的旋转着陆平板2； 该系统还包括平行于支撑底座4的X向支撑横梁5、安装于X向支撑横梁5上可沿X向滑动的滑动横梁6，还包括安装于滑动横梁6下方的定滑轮8，还包括挂在定滑轮8上的绳10、以及分别连于绳10两端的配重物11和仿壁虎机器人，其中仿壁虎机器人包括仿壁虎机器人主体12、通过尾部旋转电机14安装于仿壁虎机器人主体12上的尾巴5、位于仿壁虎机器人主体12内用于检测仿壁虎机器人姿态的姿态传感器13；上述定滑轮8的旋转轴线于滑动横梁6垂直；该系统还包括布置于旋转着陆平板2上的三维力传感器阵列1、X向高速摄像机16、Y向高速摄像机7、Z向高速摄像机(21)、计算机控制终端18、力传感器数据采集系统(19)、无线数据传输模块(20)；其中X向高速摄像机16、Y向高速摄像机7、Z向高速摄像机(21)均与计算机控制终端18相连，三维力传感器阵列1经过所述力传感器数据采集系统(19)与计算机控制终端18相连，无线数据传输模块(20)与计算机控制终端18相连，着陆平板旋转驱动电机3与计算机控制终端18相连；设置XYZ坐标系；其中X轴与滑动横梁6平行，Y轴与着陆平板旋转驱动电机3输出轴平行，Z轴与定滑轮8轴线平行。上述滑动横梁6下方还安装有光源9，所述定滑轮8位于光源9和旋转着陆平板2之间。

所述的仿壁虎空间机器人姿态调控与着陆实验系统的实验方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、使仿壁虎机器人头向上、尾向下，腹部对旋转着陆平板2；

步骤2、使X向高速摄像机16对着仿壁虎机器人的背部；Y向高速摄像机7对着仿壁虎机器人垂直面方向；Z向高速摄像机(21)对着仿壁虎机器人侧面方向；

步骤3、通过计算机控制终端18控制着陆平板旋转驱动电机3带动旋转着陆平板2旋转，以模拟目标旋转着陆平板的不同姿态角度及转速；

结合滑动横梁6沿X轴向与X向支撑横梁5之间的匀速移动速度和着陆平板旋转驱动电机3旋转角度和角速度，由计算机控制终端18给出准确的控制信号，通过无线数据传输模块20发送给仿壁虎机器人主体12，以便控制尾部旋转电机14转速，通过尾巴15旋转实现仿壁虎机器人主体12在绕Y轴向姿态角度调整方法，实现与着陆平板旋转驱动电机3平行着陆；

在着陆过程中，力传感器数据采集系统19采集仿壁虎机器人主体12与三维力传感器阵列1之间的碰撞力信号，发送给计算机控制终端18；同时计算机控制终端18记录X向高速摄像机16、Y向高速摄像机7和Z向高速摄像机21的视频图像数据，用于分析着陆运动碰撞性能。