一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法

1.一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统，其特征在于三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统包括捕获子系统、目标子系统和测量子系统；
所述捕获子系统包括工业机器人A(1)、六维力矩传感器(2)、手眼相机(3)和三爪式空间末端执行器(4)；
其中，所述工业机器人A(1)末端固定有六维力矩传感器(2)、手眼相机(3)和三爪式空间末端执行器(4)，所述工业机器人A(1)用于模拟在微重力环境下空间机器人(7)在三维空间的六自由度运动；
所述目标子系统包括六维力矩传感器(2)、工业机器人T(5)和待捕获目标(6)；
所述工业机器人T(5)末端安装有六维力矩传感器(2)和待捕获目标(6)，所述工业机器人T(5)用于模拟在微重力环境下空间待捕获目标(6)在三维空间的自由漂浮运动；
所述捕获子系统根据手眼相机(3)测得的空间末端执行器(4)与待捕获目标(6)之间的相对位姿关系，工业机器人A(1)根据空间机器人(7)的期望运动来接近待捕获目标(6)，并进入捕获区域，最后进行捕获任务；
所述目标子系统中的待捕获目标(6)处于自由漂浮状态，其初始状态可以设置为静止状态，在捕获过程中，根据六维力矩传感器(2)测量的接触力来进行相应的运动来模拟空间自由漂浮运动；
所述测量子系统包括激光跟踪仪(8)和靶球(9)；所述激光跟踪仪(8)通过靶球(9)分别与三爪式空间末端执行器(4)和待捕获目标(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统，其特征在于所述三爪式空间末端执行器(4)由三个沿圆周均布安装的捕获手爪以及拖动机构组成，其捕获的目标接口是具有三个均布楔形槽的机械接口。
3.根据权利要求1所述的一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统，其特征在于所述手眼相机(3)用于提供三爪式空间末端执行器(4)和待捕获目标(6)之间的相对位姿关系。
4.根据权利要求1所述的一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统，其特征在于所述六维力矩传感器(2)是用于实时测量三爪式空间末端执行器(4)捕获待捕获目标(6)时的接触力状况，用于空间微重力环境模拟的控制。
5.根据权利要求1所述的一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力 测试系统，其特征在于所述三爪式空间末端执行器(4)是进行捕获容差能力测试的被测试对象，其具有两个自由度，捕获阶段涉及到锁紧、拖拽及固连三个过程。
6.根据权利要求1所述的一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统，其特征在于待捕获目标(6)是三爪式空间末端执行器(4)捕获的对象，其在空间中是处于自由漂浮状态，在捕获过程中会受到接触力影响而产生相应的运动。
7.利用如权利要求1所述的捕获容差能力测试系统的测试方法，其特征在于一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试方法按以下步骤实现：
1)、完成实验平台搭建并合理安装捕获容差能力测试系统，其中激光跟踪仪固定放置，而三爪式空间末端执行器(4)、手眼相机(3)、六维力矩传感器(2)与待捕获目标(6)分别安装在工业机器人A(1)与工业机器人T(5)末端上；
2)、将位置固定的激光跟踪仪的坐标作为全局坐标系，并通过靶球扫描末端执行器上加工精度高的几何特征，确定三爪式空间末端执行器(4)坐标系的原点位置以及坐标轴；
3)、利用位姿测量的激光跟踪仪发射激光到三爪式空间末端执行器(4)上共面而不共线的3个靶球上，并接受靶球反射回来的激光，从而确定出三爪式空间末端执行器(4)的位姿；
4)、通过靶球扫描待捕获目标(6)上加工精度高的几何特征，确定待捕获目标(6)坐标系的原点位置以及坐标轴；
5)利用位姿测量的激光跟踪仪发射激光到待捕获目标(6)上共面而不共线的3个靶球上，并接受靶球反射回来的激光，从而确定出建立待捕获目标(6)的位姿；
6)、经过激光跟踪仪软件对标定得到的三爪式空间末端执行器(4)坐标系和待捕获目标(6)坐标系数据进行处理，得到待捕获目标相对三爪式空间末端执行器(4)的位姿偏差；
7)、改变待捕获目标(6)的位姿状态，经过激光跟踪仪软件对标定得到的三爪式空间末端执行器(4)坐标系和待捕获目标(6)坐标系数据进行处理，得到待捕获目标(6)相对三爪式空间末端执行器(4)的不同位姿偏差，工业机器人A(1)与工业机器人T(5)在不同位姿偏差下进行捕获试验，从而对三爪式空间末端执行器(4)的容差能力进行验证，即完成了一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试方法。
8.根据权利要求7所述的捕获容差能力测试系统的测试方法，其特征在于所述步骤7)中工业机器人A(1)与工业机器人T(5)在不同位姿偏差下进行捕获试验具体控制过程如下：
1)工业机器人A(1)或工业机器人T(5)末端和三爪式空间末端执行器(4)之间的六维力矩传感器(2)检测到外部接触力信息；
2)通过实时重力补偿算法消除三爪式空间末端执行器(4)重力对接触力的影响；
3)通过校准后的接触力信息通过微重力模拟算法来实现工业机器人末端的柔顺力控制；
4)根据工业机器人的逆运动学来计算得到工业机器人的关节运动规划；
5)控制工业机器人的关节伺服运动。
9.根据权利要求8所述的捕获容差能力测试系统的测试方法，其特征在于所述步骤2)中通过实时重力补偿算法消除三爪式空间末端执行器(4)重力对接触力的影响具体为：
重力坐标系，设为OG：
工业机器人A(5)或工业机器人T(1)末端坐标系，设为OE；
六维力矩传感器(2)坐标系，设为OF；
基坐标系，设为OB；
则在计算中所用到的关系矩阵可表示为：
OB到OG的姿态矩阵，设为
OE到OB的姿态矩阵，设为
OF到OE的姿态矩阵，设为
假设重力的坐标表示为：
重力在OG下的坐标G；
重力在OF下的坐标分量值GF；
因此得到：
假设的OG建造方法为z轴竖直向下，则重力在x,y向分量均为0，故OG可以绕z轴进行任意旋转，不妨假设OG绕自身x轴旋转α角，绕自身y轴旋转β角得到的OB；六维力矩传感器(2)正确完成安装后，其坐标系x轴与末端坐标系x轴重合，设OF到OE绕x轴旋转角度为γ，则经计算可得：
式中：Fx，Fy，Fz表示重力在六维力矩传感器(2)中的坐标分量值 ；
假设理想状况为，基坐标系的z轴竖直向上，六维力矩传感器(2)坐标系与三爪式空间末端执行器(4)坐标系三个坐标轴的方向完全相同，则在理想状况坐标系下，重力在力矩传感器(2)坐标系下的力分量可化简为：
重力在力矩传感器(2)坐标系下的力矩分量计算如下：
式中：
X，Y，Z表示力作用点在六维力矩传感器(2)中的坐标值；
Mx，My，Mz力矩表示在六维力矩传感器(2)中的坐标分量值；
六维力矩传感器(2)中的重力分量在六维力矩传感器(2)坐标系下的表示方式如下：
Wgs＝(Fx Fy Fz Mx My Mz)T  (5)。
10.根据权利要求9所述的捕获容差能力测试系统的测试方法，其特征在于所述步骤3)中通过校准后的接触力信息通过微重力模拟算法来实现工业机器人末端的柔顺力控制具体为：
采用基于弹簧—阻尼的柔顺力控制方案对每次的微位移或姿态进行计算：
首先，根据六维力矩传感器(2)得到的六维力和力矩信号Ws,经过步骤2)重力补偿后,变为相对于机器人末端的力矩传感器(2)坐标系的实际测量的外力和外力矩信号Wd；
Wd＝Ws-Wgs  (6)
其次，在同一坐标系中，与期望给定的力和力矩信号W0比较后,得到力和力矩的偏差信号△W：
△W＝[△F △T]T＝Wd-W0  (7)
式中，△F代表接触力的变化量，△T代表接触力矩的变化量；
最后，经过基于弹簧—阻尼模型的柔顺力控制变换计算得到工业机器人的位置增量△P和姿态增量 即：
式中：Kf——力控制器柔顺矩阵，Kd——力控制器的阻尼矩阵， 代表位姿变化量，△P代表位置变化量， 代表姿态变化量；选择Kf和Kd的前提是要保证整个力闭环控制系统的稳定性，其中矩阵元素的值可以根据作业要求加以改变，由于力/六维力矩传感器(2)经标定后在空间各方向上解耦较完全,因此Kf和Kd均可选择对角矩阵；
公式(8)可以分解为两部分内容，一部分为接触力引起的位置偏差，如公式(9)所示；另一部分为接触力矩引起的姿态偏差，如公式(10)所示：
式中，△x，△y，△z分别代表末端在x,y,z方向的位置变化量；△α，△β，△γ分别代表末端绕x轴，y轴，z轴的姿态变化量；△Fx，△Fy，△Fz分别代表在末端工具坐标系下沿x，y，z方向的接触力，△Tx，△Ty，△Tz分别代表在末端工具坐标系下绕x轴，y轴，z轴的接触力矩，分别代表在末端工具坐标系下沿x，y，z方向接触力的微分，
分别代表在末端工具坐标系下绕x轴，y轴，z轴接触力矩的微分，KfT为接触力。

一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力\n测试系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于空间机器人或航天器地面验证系统领域，涉及一种三爪式空间机械臂末端执行器在微重力环境下捕获目标的容差能力测试系统及方法。\n背景技术\n[0002] 一般空间机械臂进行在轨服务时，要求保证其工作的可靠性和稳定性。而末端执行器作为捕获或搬运工具，其可靠性会对整个系统任务完成的可靠性产生较大影响。由于空间微重力环境的影响，目标处于微重力状态，其位姿状态会受到捕获或操作的接触力的影响而产生扰动，并且由于机械臂自身的定位精度和视觉伺服精度也存在一定的位姿偏差，因此空间末端执行器捕获目标的操作便需要具备一定的包容目标相对位姿偏差的能力，即捕获容差能力。考虑到发射成本昂贵且在太空中操作的风险较大，空间末端执行器的可靠性和捕获容差能力在送入太空之前需要在地面上进行充分的验证实验。但由于地球重力的影响，空间末端执行器不具备在空间机械臂上直接进行三维空间任意姿态操作的条件。为了模拟太空中的微重力的环境，再现空间末端执行器的捕获过程，因此需要设计一套地面捕获容差能力验证系统以便进行相关的捕获容差测试实验。\n[0003] 由于真实空间机器人本身结构具有很大柔性，且受到地球重力的影响，因此不具备在地面上进行直接实验或验证的条件。面对这种情况，各国空间研究机构开发了各种地面上微重力仿真实验方法。美国Carnegie Mellon大学提出了采用悬吊配重的方法来抵消地球重力的影响，从而模拟太空微重力环境的方案。该方案已经被接受，被应用于Carnegie Mellon大学的自主运动空间机器人SM2(Self-Mobile Space Manipulator)的地面实验平台。这种方法具有一定的可行性，但是系统较复杂，安全性和可靠性差，且不具备通用性。基于这一原理的还有日本H.Fujii的空间机械臂微重力仿真系统，以及我国航天科技集团502所研制的“舱外自由移动机器人系统”(EMR)等。美国和日本研究了基于自由落体或抛物线运动的实验系统，但是其造价太高，且时间太短，虽有非常好的微重力效果，但不适合空间机器人的地面试验。美国Maryland大学采用的水浮原理研制了Ranger地面实验系统——NBRF(Neutral Buoyancy Research Facility)来进行Ranger空间机械臂的研究，可实现空间机器人在三维空间里操作的物理仿真。但系统的维护费用高、实验时需保证系统的100％密封性。综合考虑到实验平台的开发成本和难度等因素，各国大多都采用气浮平台进行二维平面初步的仿真和验证，比如美国Stanford大学的SRMS地面实验平台和加拿大的SSRMS机械臂地面实验都采用了气浮平台来进行地面实验。该方法重力补偿比较彻底，建造周期短，费用低，易于实现。但是其缺点是通常只能进行平面二维实验，无法实现在微重力环境下机械臂或航天器在三维空间的六自由度运动。\n[0004] 现存微重力三维实验平台的实现方法虽然很多，但是通常建立的系统复杂且造价昂贵，导致地面实验的验证的充分性受到一定的限制。\n发明内容\n[0005] 本发明是要解决现有其它微重力平台验证系统较复杂，安全性和可靠性差，且不具备通用性，现有微重力实验方法只能进行平面二维实验，无法实现在微重力环境下机械臂或航天器在三维空间的六自由度运动的问题，而提供了一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统及方法。\n[0006] 三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统包括捕获子系统、目标子系统和测量子系统；\n[0007] 所述捕获子系统包括工业机器人A、六维力矩传感器、手眼相机和三爪式空间末端执行器；\n[0008] 其中，所述工业机器人A末端固定有六维力矩传感器、手眼相机和三爪式空间末端执行器，所述工业机器人A主要用于模拟在微重力环境下空间机器人在三维空间的六自由度运动；\n[0009] 所述目标子系统包括六维力矩传感器、工业机器人T和待捕获目标；\n[0010] 所述工业机器人T末端安装有六维力矩传感器和待捕获目标，所述工业机器人T主要用于模拟在微重力环境下空间待捕获目标在三维空间的自由漂浮运动；\n[0011] 所述捕获子系统主要根据手眼相机测得的空间末端执行器与待捕获目标之间的相对位姿关系，工业机器人A在手眼相机提供的相对位姿的引导下根据空间机器人的期望运动来接近待捕获目标，并进入捕获区域，最后进行捕获任务；\n[0012] 所述目标子系统中的待捕获目标处于自由漂浮状态，其初始状态可以设置为静止状态，在捕获过程中，根据六维力矩传感器测量的捕获时的接触力来进行相应的运动来模拟空间自由漂浮运动；\n[0013] 所述测量子系统包括激光跟踪仪和靶球；所述激光跟踪仪通过靶球分别与三爪式空间末端执行器和待捕获目标相连。\n[0014] 一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试方法按以下步骤实现：\n[0015] 1)、完成实验平台搭建并合理安装捕获容差能力测试系统，其中激光跟踪仪固定放置，而三爪式空间末端执行器、待捕获目标、六维力矩传感器、手眼相机分别安装在工业机器人A与工业机器人T末端上；\n[0016] 2)、将位置固定的激光跟踪仪的坐标作为全局坐标系，并通过靶球扫描末端执行器上加工精度高的几何特征，确定三爪式空间末端执行器坐标系的原点位置以及坐标轴；\n[0017] 3)、利用位姿测量的激光跟踪仪发射激光到三爪式空间末端执行器上共面而不共线的3个靶球上，并接受靶球反射回来的激光，从而确定出三爪式空间末端执行器的位姿；\n[0018] 4)、通过靶球扫描待捕获目标上加工精度高的几何特征，确定待捕获目标坐标系的原点位置以及坐标轴；\n[0019] 5)利用位姿测量的激光跟踪仪发射激光到待捕获目标上共面而不共线的3个靶球上，并接受靶球反射回来的激光，从而确定出建立待捕获目标的坐标系并确定待捕获目标的位姿；\n[0020] 6)、经过激光跟踪仪软件对标定得到的三爪式空间末端执行器坐标系和待捕获目标坐标系数据进行处理，得到待捕获目标相对三爪式空间末端执行器的位姿偏差；\n[0021] 7)、改变待捕获目标的位姿状态，经过激光跟踪仪软件对标定得到的三爪式空间末端执行器坐标系和待捕获目标标系数据进行处理，得到不同待捕获目标相对三爪式空间末端执行器的位姿偏差，工业机器人A与工业机器人T在不同位姿偏差下进行捕获试验，从而对三爪式空间末端执行器的容差能力进行验证，即完成了一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试方法。\n[0022] 发明原理：\n[0023] 所述捕获子系统进行捕获任务具体为：\n[0024] 1)手眼相机3进行三爪式空间末端执行器4与待捕获目标6之间的201相对位姿测量；\n[0025] 2)根据实时测量的相对位姿关系来规划在每个控制周期里三爪式空间末端执行器4的202期望位置；\n[0026] 3)本系统中，以工业机器人A1来模拟在空间机器人在太空中的运动状况，并根据空间机器人7和工业机器人A1末端的运动学等效关系来计算工业机器人A1的期望位置；\n[0027] 4)根据工业机器人A1的203逆运动学来得到每个控制周期里工业机器人A1的期望关节角；\n[0028] 5)根据得到的期望关节角来进行204工业机器人A1的关节规划；\n[0029] 6)根据规划的关节角，控制和驱动205工业机器人A1的关节伺服；\n[0030] 7)当工业机器人A1到达期望的捕获位置时，工业机器人A1停止运动，三爪式空间末端执行器4上电，并开始捕获运动；\n[0031] 8)在捕获过程中，六维力矩传感器2实时监测接触力的大小，超过一定阈值，则停止三爪式空间末端执行器4的运动；\n[0032] 9)当捕获完成时，停止三爪式空间末端执行器4的运动控制。\n[0033] 所述工业机器人T5主要用于模拟在微重力环境下空间待捕获目标6在三维空间的自由漂浮运动具体为：\n[0034] 1)设定待捕获目标6的初始状态处于静止状态；\n[0035] 2)六维力矩传感器2实时采集接触力信号，并进行206力矩传感器的信号处理；\n[0036] 3)六维力矩传感器2处理得到的力信号主要包括两部分内容：实际的接触力和重量分量，因此在进行力控制之前需要将重力分量的影响从六维力矩传感器2的读数中除去，采用的方法是207实时重力补偿算法；\n[0037] 4)在实时重力补偿后，可以得到捕获过程中的实时的接触力信息，这些接触力信息可以用来进行208柔顺力控制；\n[0038] 5)根据柔顺力控制可以得到工业机器人T5运动的位置信息，从而进行209工业机器人T5末端的路径规划；\n[0039] 6)根据工业机器人T5末端的运动规划从而进一步进行210工业机器人T5的关节规划，最后实现211工业机器人T5的关节伺服运动。\n[0040] 发明效果：\n[0041] 在对各种实验方法进行研究分析之后，从系统的复杂性和开发成本考虑采用地面工业机器人作为执行机构来建立三爪式空间末端执行器的地面三维验证实验系统。该系统可以对该末端执行器在三维空间操作的可靠性以及容差能力进行充分验证，保证该执行器操作功能的实现对空间站机械臂任务完成的可靠性的验证具有重大意义。\n[0042] 1、系统结构简单，且易于实现，系统安全性高，可靠性好，具备通用性；\n[0043] 2、系统采用现成的工业产品，成本较低；\n[0044] 3、系统可以模拟在空间微重力环境下的三爪式空间机械臂末端执行器的捕获状况；\n[0045] 4、系统可以测试在三维空间里三爪式空间末端执行器的捕获容差能力。\n附图说明\n[0046] 图1是具体实施方式一中地面验证系统硬件结构简图；\n[0047] 图2是三爪式空间末端执行器及捕获目标接口的结构原理图；\n[0048] 图3是捕获前激光跟踪仪需要测量的位姿关系示意图；\n[0049] 图4是地面验证系统控制系统流程框图；其中，1表示工业机器人A，2表示六维力矩传感器，3表示手眼相机，4表示三爪式空间机械臂末端执行器，5表示工业机器人T，6表示待捕获目标，7表示空间机器人；\n[0050] 图5是单个工业机器人的控制结构简图；\n[0051] 图6是具体实施方式七的一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试方法流程图；\n[0052] 图7是具体实施方式九在研究重力补偿算法时求取重力坐标变换关系示意图；\n[0053] 图8是具体实施方式九在研究重力补偿算法时求取力矩所需力作用示意图；\n[0054] 图9是具体实施方式十在微重力环境模拟时的控制算法框图。\n具体实施方式\n[0055] 具体实施方式一：本实施方式的三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试系统包括捕获子系统、目标子系统和测量子系统；\n[0056] 所述捕获子系统包括工业机器人A1、六维力矩传感器2、手眼相机3和三爪式空间末端执行器4；\n[0057] 其中，所述工业机器人A1末端固定有六维力矩传感器2、手眼相机3和三爪式空间末端执行器4，所述工业机器人A1主要用于模拟在微重力环境下空间机器人7在三维空间的六自由度运动；\n[0058] 所述目标子系统包括六维力矩传感器2、工业机器人T5和待捕获目标6；\n[0059] 所述工业机器人T5末端安装有六维力矩传感器2和待捕获目标6，所述工业机器人T5主要用于模拟在微重力环境下空间待捕获目标6在三维空间的自由漂浮运动；\n[0060] 所述捕获子系统主要根据手眼相机3测得的空间末端执行器4与待捕获目标6之间的相对位姿关系，工业机器人A1在手眼相机3提供的相对位姿的引导下根据空间机器人7的期望运动来接近待捕获目标6，并进入捕获区域，最后进行捕获任务；\n[0061] 所述目标子系统中的待捕获目标6处于自由漂浮状态，其初始状态可以设置为静止状态，在捕获过程中，根据六维力矩传感器2测量的接触力来进行相应的运动来模拟空间自由漂浮运动；\n[0062] 所述测量子系统包括激光跟踪仪8和靶球9；所述激光跟踪仪8通过靶球9分别与三爪式空间末端执行器4和待捕获目标6相连。\n[0063] 本实施方式的捕获容差能力测试系统即地面验证系统硬件结构简图如图1所示；\n[0064] 在三爪式空间末端执行器4进行实际捕获前，应该对其容差进行测量，其坐标关系如图3所示，即对OA坐标系和OT坐标系在抓捕前的位置和姿态偏差进行测量，应被测量的物理量有坐标系原点间的距离|PAT|以及坐标轴之间的偏差角。\n[0065] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述三爪式空间末端执行器4主要由三个沿圆周均布安装的捕获手爪以及拖动机构组成，其捕获的目标接口是具有三个均布楔形槽的机械接口。\n[0066] 所述三爪式空间末端执行器4主要由三个沿圆周均布安装的捕获手爪以及拖动机构组成，其捕获的目标接口是具有三个均布楔形槽的机械接口，对其它包络形式的末端执行器的捕获容差也可以进行测试。\n[0067] 其它步骤及参数与具体实施方式一相同。\n[0068] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述手眼相机3主要用于提供三爪式空间末端执行器4和待捕获目标6之间的相对位姿关系。\n[0069] 其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。\n[0070] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述六维力矩传感器2是用于实时测量三爪式空间末端执行器4捕获目标时的接触力状况，用于空间微重力环境模拟的控制。\n[0071] 其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。\n[0072] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述三爪式空间末端执行器4是进行捕获容差能力测试的工具，其具有两个自由度，捕获阶段涉及到锁紧、拖拽及固连三个过程。\n[0073] 其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。\n[0074] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：捕获目标6是用于三爪式空间末端执行器4捕获的对象，其在空间中是处于自由漂浮状态，在捕获过程中会受到接触力影响而产生相应的运动。\n[0075] 本实施方式的地面验证系统控制系统流程框图即捕获子系统进行捕获任务如图3所示。\n[0076] 具体实施方式七：本实施方式的一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试方法按以下步骤实现：\n[0077] 1)、完成实验平台搭建并合理安装捕获容差能力测试系统，其中激光跟踪仪固定放置，而三爪式空间末端执行器4、待捕获目标6、六维力矩传感器2、手眼相机3分别安装在工业机器人A1与工业机器人T5末端上；\n[0078] 2)、将位置固定的激光跟踪仪的坐标作为全局坐标系，并通过靶球扫描末端执行器上加工精度高的几何特征，确定三爪式空间末端执行器4坐标系的原点位置以及坐标轴；\n[0079] 3)、利用位姿测量的激光跟踪仪发射激光到三爪式空间末端执行器4上共面而不共线的3个靶球上，并接受靶球反射回来的激光，从而确定出三爪式空间末端执行器4的位姿；\n[0080] 4)、通过靶球扫描待捕获目标6上加工精度高的几何特征，确定待捕获目标6坐标系的原点位置以及坐标轴；\n[0081] 5)利用位姿测量的激光跟踪仪发射激光到待捕获目标6上共面而不共线的3个靶球上，并接受靶球反射回来的激光，从而确定出建立待捕获目标6的坐标系并确定待捕获目标6的位姿；\n[0082] 6)、经过激光跟踪仪软件对标定得到的三爪式空间末端执行器4坐标系和待捕获目标6坐标系数据进行处理，得到待捕获目标相对三爪式空间末端执行器4的位姿偏差；\n[0083] 7)、改变待捕获目标6的位姿状态，经过激光跟踪仪软件对标定得到的三爪式空间末端执行器4坐标系和待捕获目标6坐标系数据进行处理，得到不同待捕获目标6相对三爪式空间末端执行器4的位姿偏差，工业机器人A1与工业机器人T5在不同位姿偏差下进行捕获试验，从而对三爪式空间末端执行器4的容差能力进行验证，即完成了一种三爪式空间末端执行器在微重力环境下的捕获容差能力测试方法。\n[0084] 如图8所示，\n[0085] 本实施方式中，激光跟踪仪购买自美国自动精密工程公司(API公司)，型号为API Tracker3型激光跟踪仪；\n[0086] 靶球扫描末端执行器购买自API公司，型号为API Tracker3型激光跟踪仪配套的产品。\n[0087] 由于对于位置控制，每次运动一个微位移或姿态，故而应对每次的微位移或姿态进行计算，采用基于弹簧阻尼模型的柔顺力控制方法。\n[0088] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述步骤6中工业机器人A1与工业机器人T5在不同位姿偏差下进行捕获试验具体控制过程如下：\n[0089] 1)工业机器人A1或工业机器人T5末端和三爪式空间末端执行器4或待捕获目标6之间的六维力矩传感器2检测到外部接触力信息；\n[0090] 2)通过实时重力补偿算法消除三爪式空间末端执行器4或待捕获目标6的重力对接触力的影响；\n[0091] 3)通过校准后的接触力信息通过微重力模拟算法来实现工业机器人末端的柔顺力控制；\n[0092] 4)根据工业机器人的逆运动学来计算得到工业机器人的关节运动规划；\n[0093] 5)控制工业机器人的关节伺服运动。\n[0094] 其它步骤及参数与具体实施方式七相同。\n[0095] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：所述步骤2)中通过实时重力补偿算法消除三爪式空间末端执行器4重力对接触力的影响具体为：\n[0096] 重力坐标系，设为OG：\n[0097] 工业机器人A5或工业机器人T1末端坐标系，设为OE；\n[0098] 六维力矩传感器(2)坐标系，设为OF；\n[0099] 基坐标系，设为OB；\n[0100] 则在计算中所用到的关系矩阵可表示为：\n[0101] OB到OG的姿态矩阵，设为\n[0102] OE到OB的姿态矩阵，设为\n[0103] OF到OE的姿态矩阵，设为\n[0104] 假设重力的坐标表示为：\n[0105] 重力在OG下的坐标G；\n[0106] 重力在OF下的坐标分量值GF；\n[0107] 因此得到：\n[0108]\n[0109] 假设的OG建造方法为z轴竖直向下，则重力在x,y向分量均为0，故OG可以绕z轴进行任意旋转，不妨假设OG绕自身x轴旋转α角，绕自身y轴旋转β角得到的OBOB；六维力矩传感器2正确完成安装后，其坐标系x轴与末端坐标系x轴重合，设OF到OE绕x轴旋转角度为γ，则经计算可得：\n[0110]\n[0111] 式中：Fx，Fy，Fz表示重力在六维力矩传感器2中的坐标分量值；\n[0112] 假设理想状况为，基坐标系的z轴竖直向上，六维力矩传感器2坐标系与三爪式空间末端执行器4坐标系三个坐标轴的方向完全相同，则在理想状况坐标系下，重力在力矩传感器坐标系下的力分量可化简为：\n[0113]\n[0114] 重力在力矩传感器坐标系下的力矩分量计算如下：\n[0115]\n[0116] 式中：\n[0117] X，Y，Z表示力作用点在六维力矩传感器2中的坐标值；\n[0118] Mx，My，Mz表示力矩在六维力矩传感器2中的坐标分量值；\n[0119] 六维力矩传感器2中的重力分量在力矩传感器坐标系下的表示方式如下：\n[0120] Wgs＝(Fx Fy Fz Mx My Mz)T(5)。\n[0121] 其它步骤及参数与具体实施方式八或九相同。\n[0122] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：所述步骤3)中通过校准后的接触力信息通过微重力模拟算法来实现工业机器人末端的柔顺力控制具体为：\n[0123] 采用基于弹簧—阻尼的柔顺力控制方案对每次的微位移或姿态进行计算：\n[0124] 首先，根据六维力矩传感器(2)得到的六维力和力矩信号Ws,经过步骤(一)重力补偿后,变为相对于工业机器人末端的力矩传感器坐标系的实际测量的力和力矩信号Wd；\n[0125] Wd＝Ws-Wgs(6)\n[0126] 其次，在同一坐标系中，与期望给定的力和力矩信号W0(在本实验中为W0＝[0,0,0,\n0,0,0]T)比较后,得到力和力矩的偏差信号△W：\n[0127] △W＝[△F △T]T＝Wd-W0(7)\n[0128] 式中，△F代表接触力的变化量，△T代表接触力矩的变化量；\n[0129] 最后，经过基于弹簧—阻尼模型的柔顺力控制变换计算得到工业机器人的位置增量△P和姿态增量 即：\n[0130]\n[0131] 式中：Kf——力控制器柔顺矩阵，Kd——力控制器的阻尼矩阵， 代表位姿变化量，△P代表位置变化量， 代表姿态变化量；选择Kf和Kd的前提是要保证整个力闭环控制系统的稳定性，其中矩阵元素的值可以根据作业要求加以改变，由于力/六维力矩传感器(2)经标定后在空间各方向上解耦较完全,因此Kf和Kd均可选择对角矩阵；\n[0132] 公式(8)可以分解为两部分内容，一部分为接触力引起的位置偏差，如公式(9)所示；另一部分为接触力矩引起的姿态偏差，如公式(10)所示：\n[0133]\n[0134]\n[0135] 式中，△x，△y，△z分别代表末端在x,y,z方向的位置变化量；△α，△β，△γ分别代表末端绕x轴，y轴，z轴的姿态变化量；△Fx，△Fy，△Fz分别代表在末端工具坐标系下沿x，y，z方向的接触力，△Tx，△Ty，△Tz分别代表在末端工具坐标系下绕x轴，y轴，z轴的接触力矩， 分别代表在末端工具坐标系下沿x,y,z方向接触力的微分，\n分别代表在末端工具坐标系下绕x轴，y轴，z轴接触力矩的微分，KfT为接触力。其它步骤及参数与具体实施方式七至九之一相同。