空间机器人柔顺操控半实物仿真及模拟系统及方法

本发明属于空间机器人，具体涉及一种空间机器人柔顺操控半实物仿真及模拟系统及方法。背景技术：：：1、空间机器人能够取代航天员承担空间站建设与运营、在轨维修维护、太空垃圾清理等核心操作任务，目前已成为各个航天大国重点关注与发展的领域。当前，已经完成在轨技术验证的空间机器人大多依赖遥操作，且应用的任务场景有限，而对风险目标捕获过程中的安全性、自主性难以保证。因此，亟需提升空间机器人对风险目标的自主操控能力。2、空间机器人操作过程可大致分为感知观测、规划接近、捕获/接触、捕获后稳定四个阶段，其中在捕获/接触阶段，空间机器人面临操作对象不确定、环境位置、通讯延迟等问题，是整个流程中最重要且风险最大的环节。为保证操控过程的安全性和可靠性，必须开展空间机器人柔顺操控及地面验证技术研究。传统气浮法、水浮法、抛物飞行法、悬吊法等在模拟运动的自由度数量、是否引入外部干扰、模拟时长、运动空间交叉等问题上存在明显的局限性，采用基于机械臂托举的地面模拟方案，并进一步发展柔顺操控技术能够避开上述不足。中国专利申请cn109606754a设计了配置空间机械臂的飞行器的地面模拟方案，中国专利申请cn115826432a给出了空间机械臂系统控制器驱动器的半实物仿真验证系统方案，这两种方案均无法实现对运动目标操控过程的模拟。中国专利申请cn103926845a设计了空间机器人视觉伺服捕获运动目标的地面模拟方案，中国专利申请cn105539890a给出了基于图像测量和力传感器感知的捕获过程模拟方案，以上方案均未实现对大范围相对运动目标的柔顺操控过程模拟。因此，亟需开发一套能够模拟在轨风险目标的真实操作场景，且兼具柔顺操控功能的空间机器人半实物仿真及模拟平台，以测试空间操控任务的合理性以及软硬件的可靠性。技术实现思路1、本发明面向空间机器人对风险目标在轨捕获任务，为解决现有地面验证系统未实现对大范围运动目标柔顺捕获过程模拟的问题，提供一种空间机器人柔顺操控半实物仿真及模拟系统及方法，旨在为在轨风险目标捕获过程模拟提供一种解决方案。2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：3、一种空间机器人柔顺操控半实物仿真及模拟系统，包括实物系统和仿真系统；所述实物系统包括：目标星模拟器、服务星模拟器、协作机械臂及六维力传感器，通过总控实时接收及发送数据；所述仿真系统实现卫星六自由度动力学与运动学模拟、协作臂末端运动规划、七自由度机械臂运动学求逆、力传感器滤波、力传感器零点与重力补偿、柔顺控制以及各个运动体间运动参数的坐标变换功能；在实物系统中，目标星模拟器由导轨和六自由度的工业机械臂共同实现；服务星模拟器由六自由度的工业机械臂实现；两个七自由度协作机械臂安装在服务星模拟器的末端，并在两个七自由度协作臂的末端分别配置六维力传感器，用于模拟实际操作过程；所有硬件系统通过udp通讯与总控计算机完成数据交互。4、进一步地，所述卫星六自由度动力学与运动学由目标星模拟器实现，其中卫星的姿态动力学用以下方程描述：5、，6、式中，表示所研究卫星平台的转动惯量矩阵，为卫星本体相对惯性系的角速度在本体坐标系的分量列阵，为卫星本体相对惯性系的角加速度在本体坐标系的分量列阵，为不考虑具体执行机构的卫星的控制力矩，表示机械臂执行操作任务时与目标星接触产生的总接触力矩，为的叉乘反对称斜方阵，对于三维列阵<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>ω</mi><mi>b</mi></msub><mi>=</mi><mi>[</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mi>,</mi><mi></mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mi>,</mi><mi></mi><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup></mstyle>，则：7、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><moveraccent="true"><mi>ω</mi><mo>˜</mo></mover><mi>b</mi></msub><mi>=</mi><mrow><mo>[</mo><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>ω</mi><mn>3</mn></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>−</mi><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub></mtd><mtd><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub></mtd><mtd><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable><mo>]</mo></mrow></mstyle>，8、上标t表示矩阵的转置；9、卫星的平动动力学用以下方程描述：10、，11、其中，表示所研究卫星平台的质量，为卫星本体相当于惯性系的速度在本体系的分量列阵，为卫星本体相当于惯性系的加速度在本体系的分量列阵，表示机械臂执行操作任务时与目标星接触产生的总接触力；12、为模拟卫星在轨运动，卫星速度在导轨方向上的分量由导轨执行，其余两个平移自由度以及三个转动自由度由工业机械臂执行。13、进一步地，七自由度协作机械臂与服务星模拟器组合用于模拟含基座的空间机器人系统，协作机械臂末端期望位姿根据目标星的位姿给出，用于实现目标星的捕获操作。14、进一步地，通过引入臂型角以降低七自由度协作机械臂逆运动学求解的自由度，根据末端期望位姿给出每个期望关节角的解析解。15、进一步地，七自由度协作机械臂在时刻第i个关节的关节角的平滑运动轨迹如下：16、<mstyledisplaystyle="true"mathcolor="#000000"><msub><mi>θ</mi><mi>i</mi></msub><mi>(</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>t</mi><mi>)</mi><mi>=</mi><msubsup><mi>θ</mi><mi>i</mi><mi>d</mi></msubsup><mi>(</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>t</mi><mi>)</mi><mo>+</mo><mi>(</mi><msub><mi>k</mi><mi>θ</mi></msub><mi>t</mi><mi>−</mi><mn>1</mn><mi>)</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><msubsup><mi>θ</mi><mi>i</mi><mi>d</mi></msubsup><mi>(</mi><mi>t</mi><mi>)</mi><mi>−</mi><msub><mi>θ</mi><mi>i</mi></msub><mi>(</mi><mi>t</mi><mi>)</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mstyle>，17、式中，为预先设置的控制参数，为轨迹规划的步长，表示时刻第i个关节的关节角，为时刻第i个关节的期望关节角，为时刻第i个关节的期望关节角；关节运动指令经分控计算机实时发送给协作臂控制器。18、进一步地，将滤波后的六维力传感器数据减去力的零点和力矩的零点以及重力在传感器本体系中的分量，得到六维力传感器的有效测量值。19、进一步地，所采用的柔顺控制策略为：通过在机械臂末端引入虚拟的阻抗模型，将六维力传感器有效测量值反馈至阻抗模型，输出协作机械臂的末端位姿误差，修正机械臂的期望位姿，实现目标和机械臂的软接触，所用阻抗模型为：20、，21、其中，、、分别表示期望的质量、阻尼、刚度系数矩阵，s表示拉普拉斯变换中的复变量。22、本发明还提供一种空间机器人柔顺操控半实物仿真及模拟系统的六维力传感器数据噪声的处理方法，包括如下步骤：23、步骤一，系统状态预测，；其中状态一步预测量，为时刻被估计的状态量，为时刻至时刻的一步转移阵；24、步骤二，协方差预测，；其中为一步预测均方误差，为时刻的协方差，为时刻系统噪声驱动阵，为时刻系统噪声序列的方差阵；25、步骤三，增益更新，；其中为时刻的滤波增益，为时刻的量测阵，为时刻的量测噪声序列的方差阵；26、步骤四，状态更新，；其中为时刻估计的状态量，为时刻的量测量；27、步骤五，协方差更新，；其中为时刻的协方差。28、本发明具有以下有益效果：29、（1） 能够模拟目标星六自由度动力学，且能够再现目标星与服务星间的相对轨道运动；30、（2）能够实现七自由度冗余机械臂的逆运动学求解，以及连续关节轨迹的平滑；31、（3）能够实现六维力传感器的噪声滤波、零点和重力的在线补偿；32、（4）能够模拟真实的捕获过程，实现对风险目标的柔顺操控；33、（5）能够扩展至空间机器人的轨迹规划及相关控制算法的技术验证。当前第1页12当前第1页12