(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211043511.2 (22)申请日 2022.08.29 (71)申请人 北京精密机电控制设备研究所 地址 100076 北京市丰台区南大红门路1号 (72)发明人 赵剑　杨泽林　杨涛　王燕波　 曾思　 (74)专利代理 机构 中国航天科技专利中心 11009 专利代理师 庞静 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种空间环境下机械臂视觉伺服抓取的仿 真模拟试验系统 (57)摘要 一种空间环境下机械臂视觉伺服抓取的仿 真模拟试验系统， 包括数字系统和物理系统： 所 述物理系统为机械臂控制器， 其内运行待验证的 控制算法； 所述数字系统包括运行在仿真环境下 的机械臂三维模 型以及手眼相机的测量模型； 所 述的机械臂三维模型内绑定机械臂动力学模型； 所述机械臂动力学模型用于模拟 机械臂本体， 具 有与机械臂本体相同的动力学参数， 并能够设定 零重力条件； 所述手眼相机的测量模 型用于获取 仿真环境下目标物相对于相机坐标系的位姿， 用 其代替手眼相机的采集数据； 仿真过程中， 位姿 数据、 机械臂关节角反馈数据通过总线反馈给机 械臂控制器， 机械臂控制器 反解出关节角指令发 送至机械臂动力学模型， 实现机械臂三维模型对 目标的跟踪。 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 CN 115488880 A 2022.12.20 CN 115488880 A 1.一种空间环境下机械臂视觉伺 服抓取的仿真模拟试验系统， 其特征在于包括数字系 统和物理系统： 所述物理系统为机 械臂控制器， 其内运行待验证的控制算法； 所述数字系统包括运行在仿真环境下的机械臂三维模型以及手眼相机的测量模型； 所 述的机械臂三维模型内绑定 机械臂动力学模型； 所述机械臂动力学模型用于模拟机械臂本体， 具有与机械臂本体相同的动力学参数， 并能够设定零重力条件； 所述手眼相机的测量模型用于获取仿 真环境下目标物相对于相机 坐标系的位姿， 用其代替手眼相机的采集数据； 仿真过程中， 手眼相机的测量模型输出的位姿数据、 机械臂动力学模型输出的机械臂 关节角反馈数据通过总线反馈给机械臂控制器， 机械臂控制器反解出关节角指 令发送至机 械臂动力学模型， 实现机 械臂三维模型对目标的跟踪。 2.根据权利要求1所述的系统， 其特 征在于： 所述机 械臂三维模型的构建包括： 设置仿真环境的配置参数， 使重力加速度为0， 模拟太空中的零重力环境； 在上述仿真环境中， 建立机械臂运动学模型， 将真实机械臂 的动力学参数导入所述机 械臂运动学模型； 同时建立关节的动力学模型； 上述机械臂运动学模型与关节的动力学模 型构成无重力的机 械臂动力学模型； 向上述仿真环境中导入机械臂三维结构， 并与上述建立的机械臂动力学模型进行绑 定。 3.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于： 所述手眼相机的测量模型通过下述方式获 取目标物相对相机坐标系的位姿： 构建目标物坐标系以及相机坐标系； 构建两个坐标系的坐标转换矩阵； 已知目标物在目标物坐标系的位置姿态， 利用上述坐标转换矩阵， 确定目标物相对相 机坐标系的位姿。 4.根据权利要求3所述的系统， 其特征在于： 坐标系的选取严格按照真实机械臂系统， 手眼相机固连于机械臂末端执行器上方， 相机坐标系的原 点位于光心 位置， X轴由光心指向 相机镜头、 Y轴由光心指向相机与末端 执行器的安装面， Z轴由右手定则确定； 目标物坐标系 的原点固定于目标物的靶标位置， X轴由靶标指向末端 执行抓捕目标的把手， X轴Y轴组成的 平面与目标物的上表面平行， Z轴由右手定则确定 。 5.根据权利要求4所述的系统， 其特征在于： 机械臂控制器通过相机坐标系到末端执行 器坐标系的转换矩阵、 目标物相对于相 机坐标系的位姿、 目标物坐标系到目标物待抓持位 置坐标系的位置， 可以计算出末端执行器到目标物待抓持位置的相对位姿， 进而确定关节 角指令。 6.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于： 所述的数字系统内设置通信模块， 所述的 通信模块用于与机械臂控制器的can总线进 行交互， 接收机械臂控制器发送的关节角指 令， 向机械臂控制器发送关节角反馈数据、 手眼相 机的测量模型输出 的位姿数据； 第二个功 能 是和动力学模型进行交 互， 发送关节角信息， 驱动仿真中的机 械臂模型动作。 7.一种空间环境下机 械臂视觉伺服抓取的仿真模拟试验方法， 其特 征在于包括： 搭建机械臂仿真系统， 并设置机械臂仿真系统的重力加速度， 用于模拟太空中的零重 力环境；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115488880 A 2在机械臂仿真系统中， 搭建机械臂运动学模型， 将真实机械臂 的动力学参数导入所述 机械臂运动学模型； 同时建立关节的动力学模型； 上述机械臂运动学模型与关节的动力学 模型构成无重力的机 械臂动力学模型； 向上述机械臂仿真系统中导入机械臂三维结构， 并与 上述建立的机械臂动力学模型进 行绑定； 在机械臂仿真系统中搭建手眼相机测量模型； 建立机械臂仿真系统与机 械臂控制器之间的通信； 向手眼相机测量模型输入目标位置， 手眼相机测量模型输出目标相对相机坐标系的位 姿数据； 将上述位姿数据以及机械臂动力学模型输出的机械臂关节角反馈数据通过总线反馈 给机械臂控制器， 机械臂控制器反解出关节角指令发送至机械臂动力学模型， 实现机械臂 三维模型对目标的跟踪。 8.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于： 所述机械臂仿真系统基于Vrep动力学仿真 软件的二次开发得到 。 9.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于： 通过仿真系统中控制目标物的运动轨迹， 模拟真实空间环境中的待抓捕目标的运动。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115488880 A 3