第卷第期机器人∂年月ΡΟΒΟΤ文章编号222双臂自由飞行空间机器人地面实验平台系统设计α洪炳熔柳长安郭恒业哈尔滨工业大学计算机系哈尔滨摘要本文主要讨论在地面上模拟的空间微重力环境下能够自主捕捉目标的双臂自由飞行空间机器人地面实验平台的系统设计方案该系统由机器人实验模型!视觉系统!通讯系统!主机系统!气浮平台及浮动目标六个子模块组成本文首先讨论系统各子模块的设计原则其中重点讨论机器人实验模型设计其次讨论基于层次递减式控制系统结构它由用户界面!策略控制及运动控制三个层次组成最后讨论机器人本体飞行运动控制算法和机械手臂操作控制算法关键词自由飞行空间机器人地面实验平台控制结构运动控制算法中图分类号×°文献标识码1引言自由飞行空间机器人ƒ2ƒ≥简称ƒƒ≥是目前空间机器人领域的主要研究方向之一它由机器人本体和搭接在本体上的机械手臂组成可以在宇宙空间自由飞行或浮游并完成作业它不但能提高作业效率而且还能节省空间作业费用因此它是将来能代替宇航员舱外作业的主要手段ƒƒ≥的主要任务是建造空间站同时还用来对失效卫星进行捕捉!维修后重新投放使用实际上ƒƒ≥是一颗具有多臂的小卫星它不但具有小型!廉价!灵活的特点而且比空间站上的大臂遥控机械手具有更多的自主作业能力因此美国的≥!日本的≥⁄都给予高度重视以巨额投资进行开发日本于年月上天的工程实验卫星∞≥×2就是世界上第一台自由飞行空间机器人ƒƒ≥与地面机器人的不同之处在于地面机器人的基座是固定的而ƒƒ≥处于浮游状态没有固定点机械手臂运动的反作用力影响机器人本体的位置和姿态从而使机械手臂的位置和姿态也会随着相应变化因此其运动学和动力学控制问题比地面机器人要复杂得多为了研究ƒƒ≥在空间微重力环境下的运动学和动力学特性不但要研究计算机仿真系统而且还要在地面模拟微重力环境下做实际机器人模型控制算法的各种仿真实验为此我们设计和研制了双臂自由飞行空间机器人地面实验平台这一实验平台是课题组在/八五0研制的单臂自由飞行空间机器人地面实验平台≈及/九五0初研制的双臂自由飞行空间机器人自主控制计算机仿真系统基础上开发的在地面上模拟空间微重力的方法有几种其中最简单而实用的方法是利用空气的浮力使机器人实验模型漂浮在平台上面美国的斯坦福大学!俄亥俄大学及日本筑波宇宙航空研究所等研制的空间机器人地面实验平台都采用这种方法尽管这种方法只能模拟二维平面的微重力环境但经济!实用因此本文所讨论的双臂自由飞行空间机器人地面实验平台就是采用的α基金项目本文得到基金资助收稿日期第卷第期洪炳熔等双臂自由飞行空间机器人地面实验平台系统设计这种方法本文首先讨论地面实验平台的组成在此基础上讨论控制系统结构及运动控制算法2地面实验平台系统组成ƒƒ≥地面实验平台由机器人实验模型!视觉系统!通讯系统!主机系统!气浮平台及浮动目标六个子模块构成如图所示现简要介绍各模块的设计原则图ƒƒ≥地面实验平台系统组成框图21机器人实验模型机器人实验模型是整个地面实验平台系统的主体对它的设计原则是机器人是一个独立体因此和主机的联系是通过无线通讯实现的且电源和气源都装载在机器人上通过气浮系统来模拟微重力既能飞行又能作业机器人既能遥控又能自主控制为实现这一目标机器人实验模型由机器人本体!机械手臂!气浮系统!飞行运动驱动装置!关节驱动装置!通讯接收装置!≤°板!储气装置和电源等模块组成机器人实验模型机械结构各部分的主要参数如表所示机器人模型它是参考宇航员的基本功能而设计的因此它由一个可移动的本体两个灵活操作的机械手组成见图机器人本体里面装有≤°板和电源两个操作机械手分别由三个转动关节和一个抓取机构组成两个手臂在同一个水平面内自由运动在机器人正面还设一个对接手臂用来将捕捉的物体对接在本体上为了减轻整个模型的重量机器人本体和机械手臂均采用特种铝材料飞行驱动器它操纵ƒƒ≥在水平面内的飞行运动由电磁阀及气体推进器构成气体推进器安装在本体的侧面气体推进器在电磁阀控制下喷出一定压力的气体使机器人向反方向运动本系统通过八个气体推进器的协调控制来改变飞行速度和方向关节驱动器它是