[发明专利]空间机器人在轨维修的视觉伺服操控方法

说明书

空间机器人在轨维修的视觉伺服操控方法，属于载人航天器总体设计技术领域。本发明的方法是：通过全局相机记录并计算出当前位姿^CT_t(t₀)，以该位姿定义机器人机械手抓握电动工具后旋拧螺钉期间的电动工具标称位姿和对应的坐标系F_t；机械手抓握电动工具通过全局相机视觉伺服完成旋拧螺钉的定位；在旋拧螺钉任务期间，机械手抓握电动工具，在全局相机视觉引导下进行视觉伺服的闭环控制，电动工具在机器人机械臂带动下运动至旋拧螺钉的标称位姿，实现电动工具对螺钉的对准操作。本发明提出的一种基于人机协同的空间机器人在轨维修的视觉伺服操控方法，采用全局相机直接测量电动工具位姿引入机器人闭环系统，该方法可实现在轨拆除螺钉的精细维修操作。

技术领域

本发明涉及一种空间机器人在轨维修的操控方法，属于载人航天器总体设计技术领域。

背景技术

机器人在轨服务和维护可以延长卫星的寿命，不需要发射新的替换卫星，显著节省更换成本。空间机器人在国际空间站组装、载荷照料和空间技术试验和“和平号”空间站组装等方面都可以得到广泛应用。

我国空间机器人在轨维修维护操作，特别是针对真实的航天器功能部件和通用维修工具的在轨维修操作鲜有研究，国际上已经成功在轨飞行的在轨服务验证项目中也未见应用和实施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间机器人在轨维修的视觉伺服操控方法，它采用一种面向舱内在轨可更换单元紧固件维修的空间机器人视觉伺服操控策略，用以空间机器人在轨服务方案系统设计和分析。

本发明基于人机协同的空间机器人在轨维修视觉伺服操控策略，采用全局相机直接测量电动工具位姿引入机器人闭环系统，该策略可实现在轨拆除螺钉的精细维修操作。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

本发明的空间机器人在轨维修的视觉伺服操控方法，所述的方法包括以下步骤：

步骤一：航天员在轨标定电动工具旋拧螺钉的目标位姿；

通过全局相机记录出电动工具当前位姿^CT_t(t₀)，以该位姿定义机器人机械手抓握电动工具后旋拧螺钉期间的电动工具标称位姿和对应的坐标系F_t；

步骤二：所述的机械手抓握电动工具通过全局相机视觉伺服完成旋拧螺钉的定位；

在旋拧螺钉任务期间，机械手抓握电动工具，在全局相机视觉引导下进行视觉伺服的闭环控制，电动工具在机器人机械臂带动下运动至旋拧螺钉的标称位姿，实现电动工具对螺钉的对准操作；

本步骤中，通过标定结果当前位姿^CT_t(t₀)和视觉实时测量^CT_t(t)形成对机械手抓握电动工具后的位姿T(t)闭环控制，将所述的机械臂基座安装误差、机械手与电动工具间的抓取误差、模拟维修单机的安装误差以及全局相机的安装误差规避掉，其中，^CT_t(t)∈R^4×4为机械手旋拧螺钉期间全局相机实时测量得到的电动工具相对全局相机测量坐标系的变换矩阵，T(t)∈R^4×4为电动工具相对机械臂基座坐标系的变换矩阵；

在本步骤中，闭环控制的解析点为电动工具末端坐标系F_t的位姿，而非机械手抓握坐标系F_e位姿，这种方法导致抓握电动工具前后末端坐标系的D-H参数发生变化，因此，需设计一个适应这种变化的视觉伺服控制器，视觉伺服控制器和控制算法的实施方案包含以下两个步骤：

(1)视觉伺服控制器设计与分析；