本发明专利技术公开了一种平面四自由度机械臂控制系统模拟验证平台，包括4个模拟机械臂关节，1套六维力传感器，2个臂杆，1个带双目视觉相机的末端执行器，1套远距离测量相机及远距离测量相机控制器，1套中距离测量相机及中距离测量相机控制器，UMAC运动控制卡，工控机，气浮平台和模拟固定墙；本发明专利技术可在平面运动状态下，实现大型空间机械臂大负载、多自由度系统高精度、高稳定伺服控制算法模拟试验验证、末端执行器抓取、碰撞动力学与控制试验验证及空间机械臂动力学与控制系统耦合特性的模拟试验验证，并与仿真模型进行分析迭代，为空间大型机械臂控制系统算法和关键技术攻关提供一种验证方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空间大型机械臂控制系统及末端抓捕、释放机构地面模拟验证技术，属于机构
，尤其涉及一种平面四自由度机械臂控制系统模拟验证平台。
技术介绍
空间机械臂属于空间大型多自由度、大跨度、多体运动系统，其地面重力状态下三维空间运动难以实现，一些控制系统关键技术比如多自由度系统高精度、高稳定伺服控制，抓取碰撞问题，基于动力学的控制算法设计与验证，动力学与控制系统耦合特性等问题难以进行地面验证。国际空间站机械臂系统(SSRMS)、国际空间站欧洲臂(ERA)均采用仿真手段，但系统仿真距离实际应用还存在较大差距
技术实现思路
本专利技术提供了平面四自由度机械臂控制系统模拟验证平台，对空间大型机械臂控制系统及末端抓捕、释放技术进行充分的地面试验验证。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的该平台包括4个模拟机械臂关节即第一关节、第二关节、第三关节、第四关节，I套六维力传感器，模拟机械臂杆A，模拟机械臂杆B，I套带双目视觉相机的末端执行器，I套远距离测量相机及远距离测量相机控制器，I套中距离测量相机及中距离测量相机控制器，UMAC运动控制卡，工控机，模拟舱壁目标标志器及目标适配器，气浮平台和模拟固定墙；4个模拟机械臂关节和两根臂杆搭建成平面四自由度模拟机械臂将第二关节、第三关节分别垂直安装在第二气浮架上，第一关节垂直放置，第四关节水平安装在第三关节上且与第三关节垂直，第一关节与第二关节通过模拟机械臂杆A连接，第二关节与第三关节通过模拟机械臂杆B连接；平面四自由度模拟机械臂的第一关节通过连接件固定在模拟固定墙上，第四关节一端连接带双目视觉相机的末端执行器，所述末端执行器放置在第一气浮架上；第四关节和末端执行器之间安装六维力传感器；远距离测量相机放置在模拟固定墙平行位置且调整到能观测到目标适配器，中距离测量相机放置在模拟机械臂杆B且调整到能观测到目标适配器，工控机通过以太网与远距离测量相机控制器、中距离测量相机控制器、UMAC运动控制卡相连；UMAC运动控制卡与模拟机械臂关节相连；模拟舱壁目标标志器及目标适配器放置在平面四自由度模拟机械臂能够抓捕到的范围以内；以上组成平面四自由度机械臂控制系统模拟验证平台，将该平台安装在气浮平台上；工控机中装有系统控制及调试仿真单元，具体包括路径规划模块、动力学计算模块、力/位混合控制模块、数据通信及显示模块、图像可视化模块、末端执行器控制模块；该机械臂控制系统模拟验证的具体步骤为I)路径规划模块接收各相机对模拟舱壁目标标志器视觉位姿测量信息、UMAC运动控制卡控制的各关节的角度和速度信息，工控机设定的机械臂末端的运动曲线和周期时间； 在一个周期时间内，路径规划模块根据测量的机械臂的DH参数求出雅可比矩阵，然后利用模拟舱壁目标标志器的视觉位姿测量信息和雅可比矩阵的伪逆，求出各关节的运动角度，进而求出各关节速度和加速度信息发送给动力学计算模块；各数据信息同步在数据通信及显示模块中进行显示，各相机的图像在图像可视化模块中进行显示；各相机的视觉测量信息具体如下远距离测量相机实现对模拟舱壁目标标志器的空间位姿测量，测量范围大于IOm ；中距离测量相机完成对模拟舱壁目标标志器进行三维位姿测量，测量范围为IOm L 3m ; 双目视觉相机能在可视范围内对周边环境进行清晰成像，包括舱壁目标标志器接口状况、舱壁目标标志器、周边设备及障碍物，测量范围为I. 3m以内；2)动力学计算模块根据各关节运动角度、速度和加速度信息计算出各个关节各个时刻的质量矩阵，并将各关节运动角度、速度和加速度和各个关节各个时刻的质量矩阵发送给UMAC运动控制卡；3)UMAC运动控制卡根据各关节运动角度、速度、加速度和各个关节各个时刻的质量矩阵，调用关节伺服控制算法控制各关节运动；4) 一个周期时间完成后，进入下一个周期，循环执行I)至3)直至机械臂末端进入设定的捕获范围时，通过工控机对末端执行器控制模块发送捕获指令，末端执行器完成捕获后执行第5)步；5)当末端执行器与目标适配器接触后，六维力传感器由自身解算电路对六维力传感器力和力矩信息进行解耦，并将解耦后的六维力和力矩信息上传至力/位混合控制模块，力/位混合控制模块将六维力/力矩转换为末端的位姿信息，并传输给路径规划模块，实现末端执行器拖动过程中机械臂末端位姿调整，从而实现末端执行器的拖动和锁紧。臂杆长度、直径可根据真实机械臂基频进行确定。远距离测量相机的高度为3m，中距离测量相机的高度为0. 51m。本专利技术的有益效果可在平面运动状态下，实现大型空间机械臂大负载、多自由度系统高精度、高稳定伺服控制算法验证、末端执行器抓取、碰撞动力学与控制试验验证及空间机械臂动力学与控制系统耦合特性的验证，并与仿真模型进行分析迭代，为空间大型机械臂控制系统算法和关键技术攻关提供一种验证方法。附图说明I.图I为系统控制及仿真软件框图；2 图2为该验证平台流程图；3.图3为平面四自由度模拟机械臂示意图；4.图4为该模拟验证平台示意图；I-第一关节、2-第二关节、3-第三关节、4-第四关节、5-末端执行器、6_第一气浮架、7-模拟固定墙、8-第二气浮架、9-远距离测量相机、10-中距离测量相机、11-模拟机械臂杆A、12-气浮平台、13-目标适配器，14-模拟机械臂杆B ；具体实施例方式为了更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步详细描述。本专利技术提供了一种平面四自由度机械臂控制系统模拟验证平台，根据真实的空间机械臂产品，设计与真实产品具有相同的动力学特性平面运动模拟机械臂，安装在气浮平台上，验证机械臂控制策略、机械臂控制系统调试方法及碰撞力最小的末端抓捕，释放控制方法，研究系统动力学/控制系统特性，并达到与仿真模型进行分析迭代的目的。该平台包括4个模拟机械臂关节即第一关节I、第二关节2、第三关节3、第四关节4，I套六维力传感器，模拟机械臂杆All，模拟机械臂杆B14，I套带双目视觉相机的末端执 行器5，I套远距离测量相机9及远距离测量相机控制器，I套中距离测量相机10及中距离测量相机控制器，UMAC运动控制卡，工控机，气浮平台12、模拟舱壁目标标志器及目标适配器13和模拟固定墙7 ;其中末端执行器采用申请号为“200910122845. 7”，专利技术名称为《一种绳索捕获式末端执行器》中所述末端执行器；4个模拟机械臂关节和两根臂杆搭建成平面四自由度模拟机械臂将第二关节2、第三关节3分别垂直安装在第二气浮架8上，第一关节I垂直放置，第四关节4水平安装在第三关节3上且与第三关节3垂直，第一关节I与第二关节2通过模拟机械臂杆All连接，第二关节2与第三关节3通过模拟机械臂杆B14连接；平面四自由度模拟机械臂的第一关节I通过连接件固定在模拟固定墙7上，第四关节4 一端连接带双目视觉相机的末端执行器，所述末端执行器放置在第一气浮架6上；；第四关节和末端执行器之间安装六维力传感器；远距离测量相机9放置在模拟固定墙7平行位置且调整到能观测到目标适配器13，中距离测量相机10放置在模拟机械臂杆B14且调整到能观测到目标适配器13，工控机通过以太网与远距离测量相机控制器、中距离测量相机控制器、UMAC运动控制卡相连；UMAC运动控制卡与模拟机械臂关节相连；模拟舱壁目标标志器及目标本文档来自技高网...
【技术保护点】
机械臂控制系统模拟验证平台，其特征在于，包括：4个模拟机械臂关节即第一关节、第二关节、第三关节、第四关节，1套六维力传感器，模拟机械臂杆A，模拟机械臂杆B，1套带双目视觉相机的末端执行器，1套远距离测量相机及远距离测量相机控制器，1套中距离测量相机及中距离测量相机控制器，UMAC运动控制卡，工控机，模拟舱壁目标标志器及目标适配器，气浮平台和模拟固定墙；4个模拟机械臂关节和两根臂杆搭建成平面四自由度模拟机械臂：将第二关节、第三关节分别垂直安装在第二气浮架上，第一关节垂直放置，第四关节水平安装在第三关节上且与第三关节垂直，第一关节与第二关节通过模拟机械臂杆A连接，第二关节与第三关节通过模拟机械臂杆B连接；平面四自由度模拟机械臂的第一关节通过连接件固定在模拟固定墙上，第四关节一端连接带双目视觉相机的末端执行器，所述末端执行器放置在第一气浮架上；；第四关节和末端执行器之间安装六维力传感器；远距离测量相机放置在模拟固定墙平行位置且调整到能观测到目标适配器，中距离测量相机放置在模拟机械臂杆B且调整到能观测到目标适配器，工控机通过以太网与远距离测量相机控制器、中距离测量相机控制器、UMAC运动控制卡相连；UMAC运动控制卡与模拟机械臂关节相连；模拟舱壁目标标志器及目标适配器放置在平面四自由度模拟机械臂能够抓捕到的范围以内；以上组成平面四自由度机械臂控制系统模拟验证平台，将该平台安装在气浮平台上；工控机中装有系统控制及调试仿真单元，具体包括路径规划模块、动力学计算模块、力/位混合控制模块、数据通信及显示模块、图像可视化模块、末端执行器控制模块；该机械臂控制系统模拟验证的具体步骤为：1)路径规划模块接收各相机对模拟舱壁目标标志器视觉位姿测量信息、UMAC运动控制卡控制的各关节的角度和速度信息，工控机设定的机械臂末端的运动曲线和周期时间；在一个周期时间内，路径规划模块根据测量的机械臂的DH参数求出雅可比矩阵，然后利用模拟舱壁目标标志器的视觉位姿测量信息和雅可比矩阵的伪逆，求出各关节的运动角度，进而求出各关节速度和加速度信息发送给动力学计算模块；各数据信息同步在数据通信及显示模块中进行显示，各相机的图像在图像可视化模块中进行显示；各相机的视觉测量信息具体如下：远距离测量相机实现对模拟舱壁目标标志器的空间位姿测量，测量范围大于10m；中距离测量相机完成对模拟舱壁目标标志器进行三维位姿测量，测量范围为10m～1.3m；双目视觉相机能在可视范围内对周边环境进行清晰成像，包括舱壁目标标志器接口状况、舱壁目标标志器、周边设备及障碍物，测量范围为1.3m以内；2)动力学计算模块根据各关节运动角度、速度和加速度信息计算出各个关节各个时刻的质量矩阵，并将各关节运动角度、速度和加速度和各个关节各个时刻的质量矩阵发送给UMAC运动控制卡；3)UMAC运动控制卡根据各关节运动角度、速度、加速度和各个关节各个时刻的质量矩阵，调用关节伺服控制算法控制各关节运动；4)一个周期时间完成后，进入下一个周期，循环执行1)至3)直至机械臂末端进入设定的捕获范围时，通过工控机对末端执行器控制模块发送捕获指令，末端执行器完成捕获后执行第5)步；5)当末端执行器与目标适配器接触后，六维力传感器由自身解算电路对六维力传感器力和力矩信息进行解耦，并将解耦后的六维力和力矩信息上传至力/位混合控制模块，力/位混合控制模块将六维力/力矩转换为末端的位姿信息，并传输给路径规划模块，实现末端执行器拖动过程中机械臂末端位姿调整，从而实现末端执行器的拖动和锁紧。...
【技术特征摘要】
1.机械臂控制系统模拟验证平台，其特征在于，包括4个模拟机械臂关节即第一关节、第二关节、第三关节、第四关节，I套六维力传感器，模拟机械臂杆A，模拟机械臂杆B，I套带双目视觉相机的末端执行器，I套远距离测量相机及远距离测量相机控制器，I套中距离测量相机及中距离测量相机控制器，UMAC运动控制卡，工控机，模拟舱壁目标标志器及目标适配器，气浮平台和模拟固定墙； 4个模拟机械臂关节和两根臂杆搭建成平面四自由度模拟机械臂将第二关节、第三关节分别垂直安装在第二气浮架上，第一关节垂直放置，第四关节水平安装在第三关节上且与第三关节垂直，第一关节与第二关节通过模拟机械臂杆A连接，第二关节与第三关节通过模拟机械臂杆B连接； 平面四自由度模拟机械臂的第一关节通过连接件固定在模拟固定墙上，第四关节一端连接带双目视觉相机的末端执行器，所述末端执行器放置在第一气浮架上；；第四关节和末端执行器之间安装六维力传感器；远距离测量相机放置在模拟固定墙平行位置且调整到能观测到目标适配器，中距离测量相机放置在模拟机械臂杆B且调整到能观测到目标适配器，工控机通过以太网与远距离测量相机控制器、中距离测量相机控制器、UMAC运动控制卡相连；UMAC运动控制卡与模拟机械臂关节相连；模拟舱壁目标标志器及目标适配器放置在平面四自由度模拟机械臂能够抓捕到的范围以内；以上组成平面四自由度机械臂控制系统模拟验证平台，将该平台安装在气浮平台上； 工控机中装有系统控制及调试仿真单元，具体包括路径规划模块、动力学计算模块、力/位混合控制模块、数据通信及显示模块、图像可视化模块、末端执行器控制模块； 该机械臂控制系统模拟验证的具体步骤为 1)路径规划模块接收各相机对模拟舱壁目标标志器视觉位姿测量信息、UMAC运动控制卡控制的各关节的角度和速度信息，工控机设定的机械臂末端的运动曲线和周期时间； 在一个周期时间内，路径规划模块根据测量的机械臂...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓东，胡成威，张文明，褚成成，王康，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：
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