空間機(jī)械臂手系統(tǒng)在軌精細(xì)維修操作的標(biāo)定策略

劉冬雨，劉 宏，李志奇

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京 100094)

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空間機(jī)械臂手系統(tǒng)在軌精細(xì)維修操作的標(biāo)定策略

劉冬雨1,2，劉 宏1，李志奇1

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京 100094)

分析空間機(jī)械臂手系統(tǒng)在軌精細(xì)維修操作的尺寸鏈誤差，提出一種利用機(jī)械臂手眼相機(jī)標(biāo)定維修操作對(duì)象修正離線路徑規(guī)劃的策略，解決了機(jī)械臂、維修對(duì)象在軌安裝和天地重力差異帶來的誤差環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)并完成了地面試驗(yàn)。通過在軌實(shí)施驗(yàn)證了標(biāo)定策略的正確性，圓滿完成了我國(guó)空間機(jī)械臂首次在軌維修試驗(yàn)。

空間機(jī)械臂；在軌維修；精細(xì)操作；標(biāo)定；路徑規(guī)劃

0 引 言

縱覽當(dāng)今國(guó)際，空間機(jī)械臂成為航天大國(guó)研究發(fā)展的熱點(diǎn)?？臻g機(jī)械臂在組裝建造、維護(hù)照料、能源補(bǔ)給等航天器在軌服務(wù)任務(wù)中均扮演著重要角色[1]。根據(jù)國(guó)外空間站艙外組裝建造、維修和應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析，載人航天器在軌任務(wù)繁重、工作量大，給航天員帶來安全性、工作時(shí)間和生理極限等方面的風(fēng)險(xiǎn)和壓力。針對(duì)載人航天器，空間機(jī)械臂面向空間精細(xì)操作，在惡劣環(huán)境下可以輔助航天員完成在軌操作任務(wù)，提高載人航天的安全性和效益[2]。

國(guó)際空間站搭載了第一個(gè)空間仿人型機(jī)器人航天員Robonaut 2(R2)，這個(gè)機(jī)器人是迄今為止最為復(fù)雜的一個(gè)空間機(jī)器人[3]，該機(jī)器人在國(guó)際空間站上完成任務(wù)面板操作、低風(fēng)險(xiǎn)的輔助航天員艙內(nèi)操作。面板操作任務(wù)包含按按鈕、插拔接插件等動(dòng)作[4]。操作面板上設(shè)置了供R2機(jī)器視覺識(shí)別的6個(gè)標(biāo)記，機(jī)器人航天員可以通過這些標(biāo)記識(shí)別各個(gè)操作對(duì)象[5]。國(guó)際空間站規(guī)模龐大，對(duì)于空間機(jī)器人其優(yōu)勢(shì)在于可以使得驗(yàn)證系統(tǒng)獲取更多資源，包括空間、重量、功耗等，圖1為R2試驗(yàn)任務(wù)面板[6]。

圖1 國(guó)際空間站機(jī)器人航天員操作任務(wù)面板Fig.1 International Space Station Robonaut 2 operation panel

1993年德國(guó)宇航局研制的空間機(jī)器人隨哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射升空，開始了為期11天的空間機(jī)器人試驗(yàn)(Space robot technology experiment,ROTEX)[7]，ROTEX是人類第一次在空間完全由機(jī)器人進(jìn)行的在軌操作。飛行任務(wù)期間，ROTEX在航天飛機(jī)的密封實(shí)驗(yàn)艙中成功地進(jìn)行了3項(xiàng)操作試驗(yàn)任務(wù)：柵格裝配、插拔在軌可更換單元的電連接器、抓取漂浮物體，驗(yàn)證了空間機(jī)器人原型機(jī)在軌服務(wù)的能力。主要工作模式為航天員在軌共享遙操作、地面共享遙操作。在抓取漂浮物體期間采用了視覺自主模式[8]。

空間機(jī)械臂在執(zhí)行在軌可更換單元(Orbital replacable unit,ORU)在軌更換任務(wù)時(shí)，機(jī)械臂末端會(huì)與被操作對(duì)象發(fā)生接觸，產(chǎn)生接觸力。若不加以控制，會(huì)對(duì)被操作對(duì)象及機(jī)械臂本身造成損壞。因此，目前國(guó)際上對(duì)空間機(jī)械臂接觸類操作任務(wù)均聚焦在如何采用合適的柔順控制策略控制接觸力大小，包括阻抗控制方法、力位混合控制方法等[9]；或者聚焦在如何采用視覺伺服的方法進(jìn)一步提高機(jī)械臂操作期間的定位精度[10]。前者，即使對(duì)被操作對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特性有非常深入的了解也不能保證操作任務(wù)的成功率；后者，對(duì)在軌操作資源提出了較多的要求，而一些特定的操作任務(wù)很難滿足相機(jī)視場(chǎng)可達(dá)的要求。然而，如何針對(duì)特定操作任務(wù)，通過機(jī)械臂手眼相機(jī)標(biāo)定誤差環(huán)節(jié)，直接采用開環(huán)控制方法，利用地面試驗(yàn)期間成功操作的離線規(guī)劃數(shù)據(jù)完成在軌精細(xì)操作任務(wù)，卻鮮有研究。已經(jīng)成功在軌飛行的空間機(jī)器人精細(xì)操作任務(wù)，更是未見應(yīng)用和實(shí)施。

在我國(guó)載人航天器機(jī)械臂手在軌精細(xì)維修操作中，被操作對(duì)象為一個(gè)模擬維修單機(jī)，針對(duì)這個(gè)單機(jī)的操作包括電連接器插拔、拆除多層和旋擰螺釘。使用較少的視覺標(biāo)記、簡(jiǎn)化的操作控制策略，穩(wěn)妥可靠地完成在軌維修任務(wù)為該試驗(yàn)項(xiàng)目的一個(gè)亮點(diǎn)，同時(shí)也是技術(shù)上的挑戰(zhàn)。借鑒工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人示教再現(xiàn)方式，同時(shí)將在軌操作與地面試驗(yàn)操作的數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)[11-12]，本文提出一種基于手眼視覺標(biāo)定被操作對(duì)象修正離線路徑規(guī)劃策略。經(jīng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證和在軌實(shí)施，該策略成功完成在軌旋擰電連接器的精細(xì)維修操作，為我國(guó)首次人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗(yàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)，也為我國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)組成

為驗(yàn)證和評(píng)價(jià)空間機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)、為空間機(jī)器人輔助或配合航天員開展在軌維修積累經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)空間技術(shù)研究院聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)開展了空間機(jī)器人在軌維修的論證和研制工作。

機(jī)械臂操作終端在軌試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括機(jī)械臂手系統(tǒng)、手眼相機(jī)、機(jī)械臂控制器、全局相機(jī)、模擬在軌可更換單元等設(shè)備，如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂操作終端系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Manipulator terminal system structure

機(jī)械臂、機(jī)械手和手眼相機(jī)由機(jī)械臂控制器分別供電。機(jī)械臂控制器是機(jī)械臂操作終端的信息中樞，機(jī)械臂、機(jī)械手、手眼相機(jī)的控制指令、數(shù)據(jù)采集均由控制器完成。機(jī)械臂控制器接收指令控制機(jī)械臂操作終端動(dòng)作，同時(shí)存儲(chǔ)機(jī)械臂控制器收集的機(jī)械臂、機(jī)械手、手眼相機(jī)和全局相機(jī)等各傳感器數(shù)據(jù)。機(jī)械臂控制器預(yù)留出一個(gè)供航天員在軌急停機(jī)械臂操作終端的急停按鈕。

全局相機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過個(gè)人計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，由網(wǎng)線傳輸至機(jī)械臂控制器供機(jī)械臂操作終端閉環(huán)控制使用。模擬維修單機(jī)提供了機(jī)械臂在軌操作的各項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)象，包括J599電連接器、多層、不脫出緊固螺釘和電動(dòng)工具的固定裝置。

2 標(biāo)定策略

2.1 尺寸鏈誤差分析

機(jī)械臂手旋擰J599電連接器構(gòu)型如圖3所示，末端操作誤差源包含以下因素：

1)機(jī)械臂基座重復(fù)安裝誤差。

2)機(jī)械臂末端重復(fù)位置和姿態(tài)控制誤差。

3)J599電連接器相對(duì)機(jī)械臂基座的位姿偏差，主要包括：

(1)維修工作臺(tái)相對(duì)于機(jī)械臂基座的重復(fù)安裝誤差;

(2)維修工作臺(tái)撓曲變形帶來的位姿偏差;

(3)模擬維修單機(jī)在維修工作臺(tái)上的重復(fù)安裝誤差。

圖3 機(jī)械臂手旋擰J599電連接器Fig.3 Manipulator screwing J599 connector plugs

機(jī)械臂手末端虎口處的合成位置和姿態(tài)誤差如下所示：

(1)

式中:ΔT∈R3為機(jī)械臂手末端虎口處的合成位置誤差，δT∈R3為機(jī)械臂手末端虎口處的合成姿態(tài)誤差;ΔB∈R3和δB∈R3分別為機(jī)械臂基座安裝位置誤差和姿態(tài)誤差;ΔW∈R3和δW∈R3分別為維修工作臺(tái)在隔板上安裝的位置誤差和姿態(tài)誤差;ΔD∈R3和δD∈R3分別為模擬維修單機(jī)在維修工作臺(tái)上安裝的位置誤差和姿態(tài)誤差;這些誤差項(xiàng)均為在軌裝配誤差。ΔE∈R3和δE∈R3分別為機(jī)械臂末端重復(fù)位置誤差和姿態(tài)誤差;ΔS∈R3和δS∈R3分別為維修工作臺(tái)撓曲變形帶來的位置誤差和姿態(tài)誤差。

維修工作臺(tái)撓曲變形主要表現(xiàn)為地面試驗(yàn)期間維修工作臺(tái)受重力影響相比標(biāo)稱尺寸向地面撓曲；而在軌試驗(yàn)期間維修工作臺(tái)在零重力環(huán)境中不再向地面撓曲。另外，在軌期間航天器殼體內(nèi)外壓差導(dǎo)致機(jī)械臂基座安裝面與地面產(chǎn)生撓曲變形，本文將這部分誤差也歸納到維修工作臺(tái)的撓曲變形內(nèi)。恰恰就是這部分影響地面不容易預(yù)估和測(cè)量，而對(duì)于仿人型機(jī)械臂手系統(tǒng)精細(xì)維修操作又是至關(guān)重要的，因此對(duì)于該誤差的標(biāo)定和規(guī)避成為決定在軌任務(wù)實(shí)施成敗的重要環(huán)節(jié)。

2.2 標(biāo)定方案

2.2.1 地面試驗(yàn)階段

在地面試驗(yàn)測(cè)試階段，采用機(jī)械臂手上的手眼相機(jī)對(duì)模擬維修單機(jī)相對(duì)機(jī)械臂基礎(chǔ)坐標(biāo)系的相對(duì)位姿關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，并將此時(shí)機(jī)械臂的測(cè)量構(gòu)型與機(jī)械臂旋擰J599的操作構(gòu)型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如圖4所示。圖中，F(xiàn)0表示機(jī)械臂手基礎(chǔ)坐標(biāo)系，F(xiàn)J599表示J599電連接器操作目標(biāo)坐標(biāo)系，F(xiàn)T表示靶標(biāo)的測(cè)量坐標(biāo)系，t1表示測(cè)量階段，t2表示操作階段。

在測(cè)量階段，CTT(t1)∈R4×4表示通過手眼相機(jī)測(cè)量得到的模擬維修單機(jī)相對(duì)手眼相機(jī)的變換矩陣，0T6(t1)∈R4×4表示機(jī)械臂關(guān)節(jié)6到機(jī)械臂基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換矩陣，6TC∈R4×4表示手眼相機(jī)到機(jī)械臂關(guān)節(jié)6坐標(biāo)系的變換矩陣。

在操作階段，0T6(t2)∈R4×4表示機(jī)械臂關(guān)節(jié)6到機(jī)械臂基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換矩陣，6TJ599∈R4×4為J599電連接器操作目標(biāo)坐標(biāo)系相對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)6坐標(biāo)系的變換矩陣，J599TC∈R4×4為模擬維修單機(jī)上安裝的視覺靶標(biāo)相對(duì)J599電連接器操作目標(biāo)坐標(biāo)系的變換矩陣。

圖4 手眼相機(jī)測(cè)量與機(jī)械臂手操作位姿關(guān)系Fig.4 Position and pose relations between hand-eye camera measuremnet and manipulator terminal

在模擬維修單機(jī)該位姿工況下，機(jī)械臂手眼相機(jī)測(cè)量環(huán)節(jié)和機(jī)械臂手旋擰J599電連接器的操作環(huán)節(jié)分別表示如下：

0TT(t1)=0T6(t1)(6TC)CTT(t1)

(2)

0TT(t1)=0T6(t2)(6TJ599)J599TT

(3)

聯(lián)立式(2)和式(3)可得：

0T6(t1)(6TC)CTT(t1)=0T6(t2)(6TJ599)J599TT

(4)

式中:6TC為常值矩陣，是試驗(yàn)前對(duì)手眼相機(jī)與機(jī)械臂關(guān)節(jié)6坐標(biāo)系的標(biāo)定值；6TJ599為常值矩陣，是機(jī)械手旋擰J599電連接器的設(shè)計(jì)姿態(tài)；J599TC為常值矩陣，模擬維修單機(jī)出廠標(biāo)定。

2.2.2 在軌標(biāo)定階段

如圖5所示，在軌期間模擬維修單機(jī)相對(duì)機(jī)械臂基礎(chǔ)坐標(biāo)系發(fā)生相對(duì)位姿關(guān)系的偏差，這種偏差可能是由于機(jī)械臂在軌安裝、維修工作臺(tái)在軌安裝、在軌重力卸載、艙體充壓變形等因素造成。

圖5中

圖5 手眼相機(jī)在軌測(cè)量與機(jī)械臂手操作位姿在軌標(biāo)定關(guān)系Fig.5 Calibration relation on-orbit between hand-eye camera measurement and manipulator terminal

對(duì)在軌實(shí)施期間和地面試驗(yàn)期間進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

1)在軌實(shí)施期間,J599TT、6TC使用地面標(biāo)定數(shù)據(jù)，為常值矩陣。該矩陣與地面試驗(yàn)期間相同。

2)在軌實(shí)施期間，仍采用與地面試驗(yàn)期間相同的機(jī)械臂構(gòu)型使手眼相機(jī)對(duì)模擬維修單機(jī)上的靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，在機(jī)械臂重復(fù)定位/定姿精度很高的條件下(位置重復(fù)精度0.1mm，姿態(tài)重復(fù)精度0.1°遠(yuǎn)小于操作容差5mm和1°)，認(rèn)為在軌實(shí)施期間的機(jī)械臂構(gòu)型與地面試驗(yàn)期間構(gòu)型0T6(t1)相同。

6TJ599為機(jī)械手旋擰J599期間的設(shè)計(jì)位姿，是在軌實(shí)施期間需要設(shè)法保證的，為在軌實(shí)施的期望和約束條件。

類似式(4)，在軌標(biāo)定階段也有如下所示的關(guān)系：

(5)

聯(lián)立式(4)和式(5)，消去0T6(t1)(6TC)，可得

(6)

2.3 標(biāo)定精度分析

通過對(duì)式(6)的分析可以看出，該標(biāo)定策略的誤差環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在手眼對(duì)靶標(biāo)的重復(fù)測(cè)量誤差，將這部分誤差歸納如下所示：

(7)

由單目手眼相機(jī)對(duì)深度方向位置測(cè)量精度低的特性，本文僅針對(duì)沿相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系z(mì)方向的位置重復(fù)測(cè)量誤差進(jìn)行分析，即式(7)中Δm為3行3列的零矩陣，δx=δy=0。

為便于分析，令式(6)的表達(dá)形式簡(jiǎn)化為式(8)，即3個(gè)分塊矩陣相乘：

(8)

式中：A1、A2、A3∈R3×3，B1、B2、B3∈R3×1，C1、C2、C3為1×3的零矩陣，D1、D2、D3為1×1的單位陣。有下述關(guān)系：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

經(jīng)計(jì)算，標(biāo)定后機(jī)械臂的規(guī)劃誤差與手眼相機(jī)重復(fù)測(cè)量誤差的關(guān)系如下所示：

(14)

即手眼相機(jī)深度方向位置重復(fù)測(cè)量誤差δz按照機(jī)械臂末端坐標(biāo)系z(mì)軸在機(jī)械臂基礎(chǔ)坐標(biāo)系的方向余弦形式分布，并疊加在理想機(jī)械臂末端軌跡的x、y、z方向的期望位置上。

3 地面驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在地面試驗(yàn)器按照如圖6所示對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行布局。將調(diào)整支架放置于維修工作臺(tái)副板下方，利用三腳架的可升降平臺(tái)對(duì)維修工作臺(tái)副板進(jìn)行支撐。其余均按照機(jī)械臂手在軌狀態(tài)進(jìn)行布局。

圖6 擰松J599試驗(yàn)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃在軌標(biāo)定地面模擬Fig.6 Ground simulation for manipulator trajectory planning calibration during screwing J599 connector plugs

通過三腳架的升降裝置微調(diào)完維修工作臺(tái)的高度后，對(duì)三腳架升降臺(tái)進(jìn)行鎖定，確保后續(xù)試驗(yàn)過程中維修工作臺(tái)副板位置不變。

經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，結(jié)合維修工作臺(tái)副板與主板間活頁(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和調(diào)整支架調(diào)整安全范圍，試驗(yàn)工況設(shè)置如表1所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

地面試驗(yàn)情況如表2所示，試驗(yàn)過程中以工況1的手眼相機(jī)測(cè)量結(jié)果作為地面標(biāo)稱工況，機(jī)械臂手可以成功旋擰J599電連接器。在工況2、工況3和工況4中，模擬在軌偏差工況，首先由手眼相機(jī)對(duì)模擬維修單機(jī)進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量值，利用地面標(biāo)定軟件對(duì)機(jī)械臂軌跡進(jìn)行修正。

試驗(yàn)中，若不對(duì)機(jī)械臂手軌跡進(jìn)行修正，工況2，工況3，工況4無法完成旋擰J599電連接器任務(wù)；修訂后工況2，工況3，工況4均成功完成旋擰J599電連接器任務(wù)。

表1 旋擰J599機(jī)械臂軌跡標(biāo)定地面試驗(yàn)工況Table 1 Ground test categories of manipulator trajectory planning calibration while screwing J599 connector plugs

表2 旋擰J599機(jī)械臂軌跡標(biāo)定地面試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Ground test results of manipulator trajectory planning calibration while screwing J599 connector plugs

4 在軌實(shí)施

在軌實(shí)施期間，首先采用手眼相機(jī)對(duì)模擬維修單機(jī)靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，機(jī)械臂構(gòu)型與地面相同，根據(jù)手眼相機(jī)測(cè)量結(jié)果與地面試驗(yàn)期間進(jìn)行比較，如下所示：

(15)

(16)

式中:ΔC表示手眼相機(jī)天地測(cè)量的位置偏差，δC表示手眼相機(jī)天地測(cè)量的姿態(tài)偏差。Δcx、Δcy、Δcz分別表示沿手眼相機(jī)坐標(biāo)系x、y、z方向的偏差值，δcθ、δcψ、δcφ分別表示繞手眼相機(jī)坐標(biāo)x、y、z方向的偏差值。

根據(jù)手眼相機(jī)測(cè)量的遙測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，手眼相機(jī)天地測(cè)量位置和姿態(tài)偏差分別為ΔC=4.61mm和δC=0.53°。從偏差值的大小可以看出，模擬維修單機(jī)確實(shí)與地面發(fā)生位置和姿態(tài)的偏差。經(jīng)分析，主要原因?yàn)樵谲壟擉w內(nèi)外壓差致使艙體變形導(dǎo)致。

地面通過“手眼相機(jī)標(biāo)定路徑規(guī)劃補(bǔ)償軟件”按照式(6)對(duì)機(jī)械臂手旋擰J599離線規(guī)劃路徑的標(biāo)稱目標(biāo)位姿和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行修正。修正后，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的軌跡如圖7所示。任務(wù)實(shí)施中，通過對(duì)“關(guān)節(jié)角度跟蹤誤差遙測(cè)參數(shù)”判讀，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度遙測(cè)與通過標(biāo)定修正后的關(guān)節(jié)期望規(guī)劃軌跡間的跟蹤誤差均不超過0.005°，即機(jī)械臂各關(guān)節(jié)很好地跟蹤了地面修正后的關(guān)節(jié)期望規(guī)劃軌跡。

圖8為機(jī)械臂手系統(tǒng)在軌旋擰J599成功實(shí)施的結(jié)果，在軌成功實(shí)施表明該標(biāo)定策略可行，也驗(yàn)證了標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿足機(jī)械手旋擰J599的容差能力。

圖7 通過手眼相機(jī)測(cè)量修正目標(biāo)位姿前后機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角度對(duì)比Fig.7 Manipulator joints angle comparing between before/after hand-eye camera measurement modifying

圖8 在軌旋擰J599電連接器Fig.8 Manipulator screwing J599 connector plugs on orbit

5 結(jié) 論

本文針對(duì)空間機(jī)械臂手系統(tǒng)在軌維修模擬單機(jī)旋擰J599型電連接器的任務(wù)要求，提出了基于手眼視覺標(biāo)定被操作對(duì)象位姿修正機(jī)械臂離線路徑規(guī)劃的策略。通過地面試驗(yàn)和在軌實(shí)施，該策略成功利用1塊靶標(biāo)完成在軌維修任務(wù)，大大降低了對(duì)標(biāo)定資源的要求同時(shí)簡(jiǎn)化控制策略，最終達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。

值得注意的是，該標(biāo)定方案雖然規(guī)避了各種天地差異造成的機(jī)械偏差，但要求手眼相機(jī)的重復(fù)測(cè)量精度較高，因此手眼相機(jī)的重復(fù)測(cè)量精度成為該標(biāo)定策略的決定因素，即手眼相機(jī)的重復(fù)測(cè)量精度越高，標(biāo)定后機(jī)械臂手操作效果越好。

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通信地址：北京市5142信箱339分箱(100094)

電話：(010)68117953

E-mail:liudongyu2004@126.com

劉 宏(1966-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者，主要從事機(jī)器人技術(shù)研究。本文通信作者。

通信地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)一匡街2號(hào)哈工大科學(xué)園3039信箱(150001)

電話：(0451)86402442

E-mail: hong.liu@hit.edu.cn

Calibration Strategy of Space Manipulator System On-Orbit Servicing Fine Operation

LIU Dong-yu1,2, LIU Hong1, LI Zhi-qi1

(1. State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001，China；2. Institute of Manned Spacecraft System Engineering,China Academy of Space Technology, Beijing 100094，China)

Aiming at on-orbit servicing fine operation, the dimension chain errors of a space manipulator system are analyzed in this paper. A calibration strategy based on the manipulator off-line planning trajectory compensated with the hand-eye camera measurements is proposed to correct the position and pose errors caused by the zero-gravity and on-orbit assembly of the manipulator and orbital replacable unit (ORU). Ground tests by setting the deviation position and pose conditions of an ORU are designed and completed. Finally, the results of the orbital experiments are presented to verify the effectiveness of the proposed methodology. China′s first space manipulator system on-orbit servicing fine operation has been tested successfully.

Space manipulator; On-orbit servicing; Fine operation; Calibration; Trajectory planning

2016-12-13;

2017-04-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(51521003)

TP242

A

1000-1328(2017)06-0630-08

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.06.010

劉冬雨(1985-)，男，博士生、工程師，主要從事載人航天器總體設(shè)計(jì)、空間機(jī)械臂技術(shù)方面的研究。