(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210964919.7 (22)申请日 2022.08.12 (71)申请人 北京空间飞行器总体设计 部 地址 100094 北京市海淀区友谊路104 号 (72)发明人 张文明　曲智勇　杨旭　胡成威　 唐自新　高升　熊明华　李德伦　 朱超　王友渔　周轶丁　许哲　 石春玲　 (74)专利代理 机构 中国航天科技专利中心 11009 专利代理师 范晓毅 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证 系统及验证方法 (57)摘要 本发明涉及一种多边界条件下的空间机械 臂末端抓取验证系统及验证方法， 该系统包括控 制器、 六自由度运动平台、 末端执行器、 力传感器 和目标适配器， 本发明通过搭建空间机械臂末端 抓取验证系统， 运用多体运动及动力学算法， 控 制平台模拟不同负载在空间微重力下的运动形 式， 实现对空间机械臂末端 抓取功能、 性能验证， 以及对末端执行器的多模式测试， 包括大型空间 机械臂末端执行机构大负载、 多自由度抓取功 能、 性能验证， 为空间机械臂末端执行机构地面 试验验证提供一种有效的验证方法。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115310231 A 2022.11.08 CN 115310231 A 1.多边界条件下的空间机 械臂末端抓取验证方法， 其特 征在于， 包括： S1、 将末端执行器(4)连接力传感器(3)， 将目标适配器(5)固定在六自由度运动平台 (6)上， 启动六自由度运动平台(6)带动目标适配 器(5)运动至初始位置； S2、 设定初始条件， 控制六自由度运动平台(6)带动目标适配器(5)运动， 在达到初始条 件时末端执 行器(4)开始执 行抓取动作； S3、 力传感器(3)测量当前时刻末端执 行器(4)与目标适配 器(5)之间的作用力和力矩； S4、 根据待验证的机械臂与目标所建立的机械臂动力学模型和目标动力学模型以及 当 前时刻的作用力和力矩， 计算当前时刻末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的相对位移和 姿态角； S5、 根据所述相对位置和姿态角控制六自由度运动平台(6)带动目标适配 器(5)运动； S6、 返回步骤S3,力传感器(3)测量下一时刻末端执行器(4)与目标适配器(5)之间 的作 用力和力矩 ……依此循环， 直至末端执 行器(4)对目标适配 器(5)的抓取动作完成。 2.根据权利要求1所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 所述步骤S2中初始条件包括末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的相对位置、 相对姿态 角、 相对运动速度和相对运动角速度。 3.根据权利要求1所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 控制六自由度运动平台(6)带动目标适配器(5)运动包括三种动力学控制模式， 分别为恒力 控制模式、 大负载模拟控制模式和柔 性边界模拟控制模式。 4.根据权利要求3所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 根据待验证目标确定所述动力学控制模式， 当待验证目标为固定目标时， 切换为恒力控制模式； 当待验证目标为 浮动目标时， 切换为大负载模拟控制模式； 当待验证目标为 柔性目标时， 切换为 柔性边界模拟控制模式。 5.根据权利要求4所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 当切换为恒力控制模式时， 根据设定的作用力或力矩的阈值， 判断目标适配器(5)是否运 动， 若力传感器(3)测量的末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的作用力或力矩大于所述 阈值， 则六自由度运动平台(6)带着目标适配器(5)向作用力或力矩值减小的方向运动； 若 作用力或力矩小于或等于所述阈值时， 则保持不动； 所述步骤S4计算当前时刻末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的相对位移和姿态角 的具体方法如下： 设当前时刻末端执 行器(4)相对于目标适配 器(5)的位姿表达为： Xi＝(Φcei Scei) 其中： Φcei Scei分别为当前时刻末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的姿态角和相对 位移； 下一时刻末端执 行器(4)相对于目标适配 器(5)的位姿表达为： Xi+1＝(Φce(i+1) Sce(i+1))＝Xi+kΔF 其中： Φce(i+1) Sce(i+1)分别为下一时刻末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的姿态角 和相对位移； k为位姿变化系数；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115310231 A 2ΔF为测量的作用力或力矩与设定的作用力或力矩阈值之间的差值。 6.根据权利要求4所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 当切换为大负载模拟控制模式； 所述步骤S4计算末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的相对位移和姿态角的具体方 法如下： (4.1)将所述当前时刻的作用力或力矩代入机械臂动力学模型和目标动力学模型， 设 末端执行器(4)抓 取时作用在目标适配器(5)上的力为 F2， 质心处的力矩为M2， 则目标适配器 (5)的运动方程和转动方程分别为： Jc·εc+ωc×(Jc·ωc)＝M2 式中: 为目标质心加速度； mc为目标质量； Jc为目标转动惯量； εc为目标的角加速度， ωc为目标的角速度， Jc为目标的转动惯量。 (4.2)根据机械臂动力学方程求得末端执行器(4)与目标适配器(5)二者的相对位移和 姿态角分别为： 式中， Φce为相对姿态角； Sce为相对位移； re为机械臂末端的位置矢量； rc为目标位置矢 量； Rce为末端和目标间的相对变换矩阵； ωe为末端的角速度； Ece为惯性系下变换阵。 7.根据权利要求4所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 当切换为 柔性边界模拟控制模式； 所述步骤S4计算当前时刻末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的相对位移和姿态角 的具体方法如下： 将柔性目标看作空间六个方向的弹簧系统， 则每个方向的弹簧力与位移关系表示为F ＝KX； 式中： K为刚度； F与X分别为目标适配 器(5)受到的力和发生 位移； 根据机械臂动力学模型， 求 解机械臂末端位姿变化； 根据柔性目标和机械臂末端位姿变化， 求解末端执行器(4)与目标适配器(5)之间的的 相对位移和姿态角。 8.根据权利要求1所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 相邻两个时刻之间的间隔为1毫秒。 9.根据权利要求1所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在于， 所述步骤S1中将末端执行器(4)连接力传感器(3)后通过刚度模拟件(2)与支撑部件(1)固 定。 10.根据权利要求9所述的多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证方法， 其特征在 于， 所述支撑部件(1)包括顶板(1 ‑1)、 底板(1 ‑2)、 立柱(1 ‑3)和若干支架(1 ‑4)， 其中若干支 架(1‑4)一端连接于顶板(1 ‑1)， 另一端连接于多个立柱(1 ‑3)， 其中每个立柱(1 ‑3)至少连 接一个支 架(1‑4)， 多个立柱(1 ‑3)设置在底板(1 ‑2)上。 11.多边界条件下的空间机械臂末端抓取验证系统， 其特征在于， 包括控制器(7)、 六自权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115310231 A 3