空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 帥，劉 蕊，饒衛(wèi)東

(北京控制工程研究所,北京 100190)

空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 帥，劉 蕊，饒衛(wèi)東

(北京控制工程研究所,北京 100190)

根據(jù)某型號(hào)搭載的七自由度空間機(jī)械臂的測試任務(wù)，設(shè)計(jì)一套空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng).該系統(tǒng)可以完成兩方面的功能：一是利用空間機(jī)械臂模擬器進(jìn)行半物理仿真，對(duì)空間機(jī)械臂控制線路盒的電接口和控制軟件功能進(jìn)行測試；二是采用吊絲卸載裝置對(duì)空間機(jī)械臂真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行全物理試驗(yàn)，對(duì)在軌任務(wù)進(jìn)行地面演示驗(yàn)證.利用所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)已經(jīng)完成了某型號(hào)空間機(jī)械臂的地面測試與演示驗(yàn)證任務(wù)，目前該型號(hào)已經(jīng)發(fā)射成功，空間機(jī)械臂已經(jīng)成功完成在軌試驗(yàn).所設(shè)計(jì)的空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng)具有較好的通用性和擴(kuò)展性，可以應(yīng)用于其他空間機(jī)械臂產(chǎn)品的地面測試.

空間機(jī)械臂；半物理仿真；全物理測試；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

近年來，隨著航天產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，如何保證航天器在復(fù)雜的空間環(huán)境中更加持久、穩(wěn)定、高質(zhì)量地在軌運(yùn)行，已成為目前航天技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重要問題[1-2].空間操作為解決這一難題提供了有效的技術(shù)途徑[3].空間機(jī)械臂作為空間操作的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，近年來得到了越來越多的關(guān)注[4-5].

為了確保在軌任務(wù)的成功執(zhí)行，在航天器發(fā)射前空間機(jī)械臂必須經(jīng)過充分的地面試驗(yàn)，對(duì)在軌任務(wù)進(jìn)行地面測試和演示驗(yàn)證.然而，由于地面環(huán)境與太空環(huán)境存在很大的差異，如何在地面條件下模擬太空環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，是空間機(jī)械臂地面測試與驗(yàn)證所面臨的一個(gè)難題[6].由于中國對(duì)空間機(jī)械臂的實(shí)際應(yīng)用還處于探索和試驗(yàn)階段，地面測試方面可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少，真正用于空間機(jī)械臂產(chǎn)品的地面測試方法也鮮有報(bào)道.

本文根據(jù)某型號(hào)搭載的七自由度空間機(jī)械臂的測試任務(wù)，設(shè)計(jì)了一套空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng).該系統(tǒng)可以完成兩方面的功能：一是利用空間機(jī)械臂模擬器進(jìn)行半物理仿真，對(duì)空間機(jī)械臂控制線路盒的電接口和控制軟件功能進(jìn)行測試；二是采用吊絲卸載裝置對(duì)空間機(jī)械臂真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行全物理測試，對(duì)在軌任務(wù)進(jìn)行地面演示驗(yàn)證.利用所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)已經(jīng)完成了某型號(hào)空間機(jī)械臂的地面測試與演示驗(yàn)證任務(wù)，目前該型號(hào)已經(jīng)發(fā)射成功，空間機(jī)械臂已經(jīng)成功完成在軌試驗(yàn).本文所設(shè)計(jì)的空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng)具有較好的通用性和擴(kuò)展性，可以應(yīng)用于其他空間機(jī)械臂產(chǎn)品的地面測試.

1 測試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1空間機(jī)械臂系統(tǒng)概述

本文所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)是用于完成某型號(hào)搭載的空間機(jī)械臂的地面測試任務(wù)，該空間機(jī)械臂系統(tǒng)主要包括控制線路盒、操控機(jī)構(gòu)、手眼相機(jī)和力傳感器.控制線路盒為空間機(jī)械臂的主控制器，它負(fù)責(zé)控制算法的實(shí)現(xiàn)，并通過1553B總線進(jìn)行遙控遙測.操控機(jī)構(gòu)包括7個(gè)關(guān)節(jié)和1個(gè)末端驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)和末端驅(qū)動(dòng)均具有獨(dú)立的控制器，它們通過CAN總線與控制線路盒進(jìn)行通訊.手眼相機(jī)為一對(duì)成像相機(jī)，通過支架對(duì)稱地安裝在機(jī)械臂末端，用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察和測量.手眼相機(jī)的圖像信息通過數(shù)傳分系統(tǒng)下傳地面，測量數(shù)據(jù)則通過1553B總線網(wǎng)絡(luò)傳送至控制線路盒.力傳感器安裝在末端，可以檢測末端受力信息，并通過電壓模擬量將測量信息反饋至控制線路盒.該空間機(jī)械臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

1.2測試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

空間機(jī)械臂地面測試設(shè)計(jì)了兩種測試方式：半物理仿真方式和全物理試驗(yàn)方式.

半物理仿真方式是指控制線路盒采用真實(shí)的星上產(chǎn)品，而操控機(jī)構(gòu)、手眼相機(jī)和力傳感器均采用模擬器，組成一個(gè)半物理的系統(tǒng)進(jìn)行仿真.操控機(jī)構(gòu)、手眼相機(jī)和力傳感器的模擬器與真實(shí)產(chǎn)品的電接口一致，但內(nèi)部是通過模擬器軟件對(duì)真實(shí)產(chǎn)品的特性進(jìn)行模擬.設(shè)計(jì)半物理仿真的主要目的如下：

1)通?？刂凭€路盒這類電子產(chǎn)品研制較快，而操控機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因研制較慢，在這些產(chǎn)品沒有交付的條件下，可以利用半物理仿真提前對(duì)控制線路盒的電接口、控制軟件功能進(jìn)行測試，從而有效加快測試進(jìn)度；

2)當(dāng)使用真實(shí)操控機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品進(jìn)行測試時(shí)，如果控制線路盒控制軟件存在問題時(shí)，則可能會(huì)導(dǎo)致操控機(jī)構(gòu)與底板、操控機(jī)構(gòu)不同連桿之間發(fā)生碰撞，從而損壞星上產(chǎn)品.而在使用真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行測試前，先采用模擬器進(jìn)行半物理仿真驗(yàn)證，則可以有效降低這種風(fēng)險(xiǎn)；

3)一些采用全物理試驗(yàn)無法測試的功能，例如故障識(shí)別與處理功能等，可以借助于半物理仿真進(jìn)行測試.此外，由于地面卸載裝置的限制，一些復(fù)雜的控制模式在地面全物理試驗(yàn)中也難以驗(yàn)證，可以借助于半物理仿真進(jìn)行測試.

全物理試驗(yàn)方式是指空間機(jī)械臂的所有產(chǎn)品均采用真實(shí)的星上產(chǎn)品進(jìn)行測試.為滿足系統(tǒng)輕量化的要求，空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的體積設(shè)計(jì)的比較小，因此關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩也比較小.在空間微重力環(huán)境下，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩可以滿足在軌運(yùn)動(dòng)的要求.然而，在地面條件下，空間機(jī)械臂無法克服自身重力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)了吊絲卸載裝置對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行卸載.此外，全物理試驗(yàn)還需要一套數(shù)傳測試設(shè)備，用于接收和顯示手眼相機(jī)下傳的圖像.全物理試驗(yàn)可以全面驗(yàn)證各產(chǎn)品之間電接口的匹配性，并對(duì)需要完成的在軌任務(wù)進(jìn)行地面演示驗(yàn)證.

此外，測試系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了三維顯示系統(tǒng)，測試過程中根據(jù)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)和末端驅(qū)動(dòng)的遙測信息，對(duì)操控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行三維重構(gòu)顯示.三維顯示系統(tǒng)除顯示操控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)外，對(duì)整個(gè)衛(wèi)星也進(jìn)行了三維顯示.在半物理仿真時(shí)，三維顯示系統(tǒng)可以以動(dòng)畫形式直觀地演示操控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況；在全物理試驗(yàn)時(shí)，由于機(jī)械臂并沒有安裝到衛(wèi)星艙板上，因此可以通過三維顯示系統(tǒng)觀察和分析操控機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中與周圍其它星上產(chǎn)品的干涉情況.

整個(gè)測試系統(tǒng)的原理框圖見圖2.測試時(shí)，根據(jù)需要可以選擇使用模擬器進(jìn)行半物理仿真，還是使用真實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行全物理試驗(yàn)，模擬器和真實(shí)產(chǎn)品的電接口完全一致.遙控遙測模擬器用于模擬整星的遙控遙測單元，測試計(jì)算機(jī)用于發(fā)送遙控指令和接收遙測數(shù)據(jù).

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

空間機(jī)械臂地面測試系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖3 所示.

測試設(shè)備主要包括：半物理仿真模擬器箱、半物理仿真模擬器調(diào)理箱、數(shù)傳測試設(shè)備、卸載裝置、主控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和三維顯示系統(tǒng).下面對(duì)這些部分分別進(jìn)行介紹.

半物理仿真模擬器箱主要用于實(shí)現(xiàn)遙控遙測模擬器、操控機(jī)構(gòu)模擬器、手眼相機(jī)模擬器和力傳感器模擬器.它采用的是CPCI機(jī)箱，由一塊CPU板卡(6965控制器)和多塊信號(hào)處理板卡(主要包括1553B板卡、CAN板卡、DA板卡等)組成，CPU板卡和信號(hào)處理板卡是通過CPCI機(jī)箱內(nèi)部總線通訊.其中，CPU板卡負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)仿真計(jì)算，用于模擬真實(shí)產(chǎn)品的物理特性；信號(hào)處理板卡則負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理，用于模擬星上產(chǎn)品的電接口特性.

半物理仿真模擬器調(diào)理箱對(duì)模擬器機(jī)箱的輸入輸出信號(hào)進(jìn)行整形、調(diào)理和隔離，使其滿足星上產(chǎn)品的接口要求的同時(shí)，保護(hù)星上產(chǎn)品的安全.

數(shù)傳測試設(shè)備為一臺(tái)插有LVDS數(shù)據(jù)采集卡的PC機(jī)，LVDS數(shù)據(jù)采集卡通過PCI插槽連接至PC機(jī).數(shù)傳測試設(shè)備通過LVDS數(shù)據(jù)采集卡接收兩個(gè)手眼相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)，并由數(shù)傳測試軟件進(jìn)行解碼和圖像顯示.

卸載裝置采用的是雙吊點(diǎn)的吊絲卸載方式[7-9]，吊點(diǎn)選擇為關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)6處.卸載裝置選擇的是Easy Arm系列伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能提升裝置產(chǎn)品，一個(gè)吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)一臺(tái)設(shè)備，共需要兩臺(tái)設(shè)備，產(chǎn)品實(shí)物圖見圖4所示.在全物理試驗(yàn)過程中，設(shè)定兩臺(tái)卸載裝置為浮動(dòng)模式以提供恒定的卸載力，從而抵消空間機(jī)械臂自身的重力.

主控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和三維顯示系統(tǒng)為3臺(tái)PC機(jī)，只需安裝相應(yīng)的軟件即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能.其中，主控計(jì)算機(jī)用于發(fā)送遙控指令和顯示遙測數(shù)據(jù)，服務(wù)器用于存儲(chǔ)測試數(shù)據(jù)，三維顯示系統(tǒng)用于對(duì)操控機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)三維顯示.

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件主要包括：半物理仿真模擬器軟件、數(shù)傳測試軟件、主控軟件、服務(wù)器軟件和三維顯示軟件.軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖5.

半物理仿真模擬器軟件是在Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下開發(fā)的，運(yùn)行于模擬器箱的CPU中，它主要包括幾個(gè)功能模塊：

1)遙控遙測模塊：接收地面發(fā)送的遙控指令，轉(zhuǎn)發(fā)給控制線路盒；接收控制線路盒發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)，下傳至地面進(jìn)行顯示；

2)關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動(dòng)模塊：實(shí)時(shí)接收控制線路盒發(fā)送的關(guān)節(jié)/末端運(yùn)動(dòng)指令，對(duì)關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，計(jì)算關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動(dòng)的角度/角速度值，以及對(duì)關(guān)節(jié)/末端的其它接口特性進(jìn)行模擬；

3)動(dòng)力學(xué)/運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模塊：根據(jù)關(guān)節(jié)/末端驅(qū)動(dòng)模塊計(jì)算的關(guān)節(jié)角度，進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，得到末端在任務(wù)空間的位置和姿態(tài)信息；同時(shí)，可以建立衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)和空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)耦合模型，仿真空間機(jī)械臂與衛(wèi)星控制平臺(tái)之間的耦合作用；

4)手眼相機(jī)模塊：根據(jù)末端和目標(biāo)的位姿信息，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，得到手眼相機(jī)的目標(biāo)測量數(shù)據(jù)；

5)力傳感器模塊：建立末端與目標(biāo)接觸時(shí)的碰撞模型，計(jì)算末端與目標(biāo)接觸時(shí)產(chǎn)生的力測量信息.

數(shù)傳測試軟件是基于LABVIEW軟件開發(fā)的，它通過LVDS板卡實(shí)時(shí)接收?qǐng)D像下傳數(shù)據(jù)，并對(duì)圖像進(jìn)行解碼、顯示.同時(shí)，該軟件可以讀取手眼相機(jī)下傳的源碼數(shù)據(jù)文件，并將源碼數(shù)據(jù)文件解碼為圖像進(jìn)行顯示，方便回查歷史數(shù)據(jù).

主控軟件和服務(wù)器軟件為通用的專業(yè)化衛(wèi)星測試軟件.主控軟件用于發(fā)送遙控指令，同時(shí)對(duì)星上下傳的遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器軟件.服務(wù)器軟件保存下傳的遙測數(shù)據(jù)，提供歷史數(shù)據(jù)查詢和回放的功能.當(dāng)用于空間機(jī)械臂測試時(shí)，只需編寫用于空間機(jī)械臂測試的遙控、遙測插件即可.

三維顯示軟件用于對(duì)空間機(jī)械臂及整個(gè)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行三維顯示.三維顯示軟件是基于STK和C#聯(lián)合開發(fā)的：STK軟件主要用于實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂和衛(wèi)星的三維視景演示，C#主要用于實(shí)現(xiàn)星上遙測數(shù)據(jù)與STK軟件之間的數(shù)據(jù)接口.

4 測試系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證情況

利用所設(shè)計(jì)的空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng)，已經(jīng)完成了某型號(hào)衛(wèi)星搭載的空間機(jī)械臂的地面測試與演示驗(yàn)證的任務(wù).目前，該衛(wèi)星已經(jīng)成功發(fā)射，空間機(jī)械臂也已經(jīng)完成了預(yù)定的在軌試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)取得了成功.

以完成某試驗(yàn)任務(wù)為例，采用所設(shè)計(jì)的地面測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，半物理仿真和全物理試驗(yàn)下記錄的關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)4和末端手爪位置曲線分別如圖6和圖7所示.可以看到，半物理仿真結(jié)果和全物理試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此半物理仿真可以對(duì)全物理試驗(yàn)進(jìn)行有效的驗(yàn)證.相比于全物理試驗(yàn)的結(jié)果，半物理仿真下各關(guān)節(jié)角度曲線更加平滑，這是因?yàn)槟M器中對(duì)空間機(jī)械臂的模型進(jìn)行了一定的簡化，忽略了其中的一些動(dòng)態(tài)過程.

5 結(jié) 論

根據(jù)某型號(hào)搭載的空間機(jī)械臂的測試任務(wù)，本文設(shè)計(jì)了一套空間機(jī)械臂地面仿真與測試系統(tǒng).該測試系統(tǒng)可以完成半物理仿真和全物理試驗(yàn)兩方面的功能.本文從方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)測試系統(tǒng)的驗(yàn)證情況進(jìn)行了說明.該測試系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)可以非常方便的實(shí)現(xiàn)半物理仿真與全物理試驗(yàn)之間的切換，使得測試過程更加靈活；

2)采用雙吊點(diǎn)重力卸載方式，該方法簡單有效，可以實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂在地面的靈活運(yùn)動(dòng)；

3)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三維演示系統(tǒng)，可以在半物理/全物理?xiàng)l件下，對(duì)空間機(jī)械臂裝星后的真實(shí)運(yùn)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行模擬，使得測試過程更加直觀.

該測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路同樣適用于其它空間機(jī)械臂產(chǎn)品的地面測試，只需根據(jù)空間機(jī)械臂各單機(jī)的電接口及模擬器軟件進(jìn)行適應(yīng)性修改即可.

[1] 趙陽，張大偉，田浩，等．飛行器在軌服務(wù)[J]．上海航天，2009(3)：38-41．

ZHAO Y, ZHANG D W, GUAN H, et al. On orbit servicing for spacecraft[J]. Aerospace Shanghai, 2009(3): 38-41．

[2] 蔡遠(yuǎn)文，郭會(huì)，李巖．航天器在軌組裝技術(shù)進(jìn)展[J]．兵工自動(dòng)化，2009(10)：6-14．

CAI Y W, GUO H, LI Y. Development of spacecraft on orbit assembly technologies[J]. Ordnance Industry Automation, 2009(10): 6-14．

[3] 何英姿, 魏春嶺, 湯亮. 空間操作控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢術(shù)[J]. 空間控制技術(shù)與應(yīng)用, 2014, 40(2):1-8.

HE Y Z, WEI C L, TANG L. A survey on space operations control[J]. Aerospace Control and Application, 2014, 40(2):1-8.

[4] 于登云, 孫京, 馬興瑞. 空間機(jī)械臂技術(shù)及發(fā)展建議[J]. 航天器工程, 2007, 16(4):1-8.

YU D Y, SUN J, MA X R. Suggestion on development of Chinese space manipulator technology[J]. Spacecraft Engineering, 2007, 16(4):1-8.

[5] 張文輝, 葉曉平, 季曉明, 等. 國內(nèi)外空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 飛行力學(xué), 2013, 31(3):198-202.

ZHANG W H, YE X P, JI X M, et al. Development summarizing of space robot technology national and outside[J]. Flight Dynamics, 2013, 31(3):198-202.

[6] 徐文福，梁斌，李成，劉宇，強(qiáng)文義. 空間機(jī)器人微重力模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究綜述[J]. 機(jī)器人，2009, 31(1)：88-96.

XU W F, LIANG B, LI C, LIU Y, QIANG W Y. A review on simulated micro-gravity experiment systems of space robot[J]. Robot, 2009, 31(1): 88-96.

[7] YUICHI S, ARATA E, YOSHITAKA I, et al. Micro-G emulation system using constant-tension suspension for a space manipulator[C]//Proceedings of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramento. New York: IEEE, 1991.

[8] XU Y S，BROWN H B，F(xiàn)RIEDMALL M Jr．Control system of the self-mobile space manipulator[J]．IEEE Transactions on Control Systems Technology, 1994，2(3)：207-219．

[9] WHITE G C，XU Y S．Active vertical-direction gravity compensation system[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1994．43(6)：786-792．

DesignofGroundSimulationandTestingSystemforSpaceRobot

XIAO Shuai, LIU Rui, RAO Weidong

(BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100190，China)

A ground simulation and testing system is designed for the testing task of a 7-DOFs space robot on a satellite. The designed system has two functions. First, it can be used for half-physical simulations with the space robot simulator, in which way the electronic interfaces of the controller and the functions of the control software can be tested. Besides, it can also be used for full-physical tests to verify the on-orbit tasks, and a hanging equipment is utilized to de-load the gravity of the space robot. Using the proposed testing system, the ground testing and verification tasks of the space robot are finished. By now, the satellite is launched, and the space robot finishes its on-orbit experiments successfully. The proposed ground simulation and testing system can also be applied for testing other space robots on ground.

space robot; half-physical simulations; full-physical tests; system design

2017-03-15

V448

A

1674-1579(2017)05-0073-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2017.05.012

肖帥(1986—), 男，山東人，工程師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)械臂控制與測試;劉蕊(1979—)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)生姿態(tài)與軌道控制；饒衛(wèi)東(1985—)，男，工程師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)械臂控制.