空间机械臂任务虚拟训练系统研制

　　摘要

　　在中国空间站建造与运营过程中，为提高在轨操作任务执行效率及安全性，需利用空间机械臂辅助或替代航天员完成在轨操作任务，这使得空间机械臂成为中国空间站建设运营过程中必不可少的关键设备。由于特殊的空间环境、复杂且繁重的在轨操作任务对空间机械臂地面操控人员，即飞控岗位人员，提出了更高的要求，且空间机械臂结构复杂、缺少地面实物训练平台，传统的岗位训练系统和机制难以适应空间机械臂这类复杂系统的培训需求，因此亟需构建符合当前飞控岗位培训的任务需求的空间机械臂任务虚拟训练系统，提高岗位培训效率，降低岗位培训成本，这对中国空间站建设和机械臂任务虚拟培训领域发展具有重要的工程价值及实际意义。本文拟针对空间机械臂任务虚拟训练系统的虚拟岗位培训机制、虚拟场景中机械臂碰撞检测和接触力反馈等问题开展研宄工作，具体研究内容如下：

　　首先，开展基于虚拟现实的空间站机械臂任务虚拟训练系统软件架构设计。通过对虚拟训练系统进行功能需求和性能需求分析，确定该训练系统所需功能模块以及对应的性能指标；基于经典MVC系统架构模式，结合训练系统的需求分析结果，设计训练系统的视图层、控制层和模型层，基于封装分层思想降低系统模块间的耦合度，提高系统的灵活度和扩展性；根据虚拟训练系统的需求分析与架构设计划分系统功能模块单元，并设计其工作流程；分析空间机械臂典型在轨任务特点，制定各任务的考核指标和考核流程。

　　其次，进行虚拟场景中机械臂碰撞检测方法研究。基于混合包围盒八叉树研宄碰撞检测算法，对空间机械臂模型和空间站舱体模型进行预处理，构建基于模型点云文件的混合包围盒八叉树，以其为基础设计并实现虚拟训练系统碰撞检测算法；针对机械臂单一构型和机械臂连续运动两种情况，分别设计基于深度优先搜索算法和双向广度搜索算法的机械臂单一构型碰撞检测算法以及基于时空相关性的机械臂连续运动碰撞检测算法，提高虚拟训练系统中碰撞检测算法的计算效率。

　　再次，完成基于弹簧-阻尼模型的机械臂力反馈系统研究。针对虚拟训练系统中图形渲染和力渲染的同步问题，对力反馈系统进行总体架构设计、力反馈设备选型和工作流程设计；将碰撞检测算法与弹簧-阻尼模型结合，计算模型接触时的接触力；设计并开展实验验证力反馈系统和力反馈算法的有效性和鲁棒性。

　　最后，为验证虚拟训练系统对岗位训练的有效性，展示本文研制的空间机械臂任务虚拟训练系统在机械臂操作岗位培训领域的应用价值，搭建以天和机械臂系统为对象的虚拟训练系统，并针对本文所设计的虚拟场景中空间机械臂碰撞检测算法和力反馈系统，设计对应的操作任务培训实验，验证算法和训练系统的准确性及有效性。

　　关键词：机械臂，虚拟现实，碰撞检测算法，力反馈

　　目录

　　第一章绪论

　　1.1研究背景及意义

　　由于在轨操作任务通常具有负荷重。时间长、工作环境恶劣等特点。为提高任务完成效率和安全性，空间机械臂逐渐用于辅助或替代宇航员完成舱体转位、目标捕获、在轨装配等操作任务。随着空间站建造过程的不断深入。出现了大量宇航员难以完成的复杂繁重任务，因此空间机械臂也逐漸成为了空间站建造、运营过程中的重要设备1.针对上述空间站任务特点。我国研制了空间站远程机械青系统（Chinese Spuce Sution Remoute Manipulator System, CSSRMS）， 该系统包括天和空间站核心舱机械臂和问天空间站实验舱机械臂，支持两臂独立工作模式、两臂协同工作模式和两臂组合工作模式凹。利用空间站远程机械臂完系统成舱段转移、目标捕获、在轨装配等任务，将提高空间站使用率，降低航天员的出舱工作风险，提高空间探索活动的效率川。中国空间站的稳定快速建设为空间机械臂技术验证及发挥提供了平台，同时也给我国空间机械臂地面遇操作人员带来了前所未有的机遇和挑战。

　　飞控岗位人员作为空间机械臂地面逼操作人员，将承担空间机械臂的過操作规划与控制任务。而飞控岗位人员在机械臂运动规划领域的知识积累有限，且由于缺乏有效的训练系统和训练机制，飞控岗位人员在空间机械臂操作方面缺乏经验，主要体现在：

　　（1） 现有岗位人员对七自由度冗余结构的复杂机械臂缺乏系统化的认知理解，难以熟悉控制空间机械臂完成运动规划、在轨搬运、在轨捕获及故障处置等任务：

　　（2） 空间机械臂不具备相应的地面实物训练平台，岗位人员缺乏实际操作空间机械臂的机会，无法开展针对性训练：

　　（3）现有岗位培训方式主要是软件开发人员培训相关操控人员，培训的主要目标为让岗位人员了解本岗位软件的使用方法，培训要求低，软件操作难度小，难以满足空间机械臂这类复杂系统的操控要求。因此，亟需为飞控岗位人员描建空间机械臂运动规划训练系统， 提高岗位人员操控空间机械臂完成在轨任务的能力。

　　虚拟现实（VIrtual Reality, VR）是一门由运动仿真学，计算机图形学等多种学科技术交叉形成的新兴技术，已经被广泛应用于医学教学、工程设计、军事模拟、装配制造等诸多领域[4.虚拟培训作为虚拟现实技术与培训相结合的产物，是近些年出现的新型培训方式。虚拟培训利用虚拟现实技术为受训人员搭建一个虚拟培训场景，解决了难以模拟培调环境、培训场景存在重大安全隐患问题等传统培训方式面临的难题。现有的飞机驾驶虚拟培训系统、战场指挥虚拟培训系统等，都为培训人员提供了-个较为安全且逼真的环境。虚拟培训系统的应用不仅可以提高培训人员自身业务水平。还能降低培训成本，提高培训效率[5].

　　综上所述，围绕空间机械臂典型在轨服务任务。将虚报现实技术与飞控岗位培训相结合。搭建空间机械臂任务虚报训练系统，实现在虚拟场景中对飞控岗位人员进行操作培训。通过本文的研究，针对虛拟培训系统和空间机械臂典型任务的特点，对训练系统总体架构和奥型任务训练考核进行设计，满足飞控岗位人员对提升操控空间机械臂能力的训练需求：针对机械臂运动特性，提出一种机械臂碰撞检测算法，提高计算效率，提升系统的流畅度和沉浸感：面向手动控制机械臂完成静态捕获任务，通过引入力反馈系统，提高系统互动性，加深岗位人员对空间机械臂在轨服务的认知。本文的研究成果对于提升中国空间站运营能力和拓展虚拟培训的应用范围具有重要意义和实际应用价值。

　　1.2.1虚拟现实训练系统研究现状

　　1.2.2碰撞检测算法研究现状

　　1.2.3力反馈算法研究现状

　　1.3本文研究内容及结构安排，

　　第二章空间机械臂 任务虛拟训练系统架构设计

　　2.2虚拟训练系统需求分析

　　2.2.1功能需求分析：

　　2.2.2性能需求分析

　　2.3虚拟训练系统总体架构设计

　　2.3.1视图层设计

　　2.3.2控制层设计

　　2.3.3模型层设计

　　2.4虚拟训练系统主要功能模块设计

　　2.4.1三维虚拟仿真功能模块设计

　　2.4.2虚拟场景中的碰撞检测模块设计

　　2.4.3虚拟场景中的事动控制模块设计

　　2.4.4人机交互功能模块设计

　　2.5空间机械臂典型任务训练考核设计

　　2.5.1空载转位训练考核设计

　　2.5.2负载转位训练考核设计，

　　2.5.3静态目标捕获训练考核设计

　　2.5.4动态目标捕获训练考核设计

　　2.5.5基于关联矩阵法的指标评估方法

　　2.6本章小结

　　第三章虚拟场景中的机械臂 碰撞检测算法研究

　　3.1引言

　　3.2基于八叉树的混合层次包围盒树设计

　　3.2.3构建混合包围盒八叉树

　　3.2.4 混合层次包围愈树数据结构设计

　　3.3虚拟场景中的机械臀单-构型碰撞检测方法，

　　3.3.1单一构型碰撞检测流程

　　3.3.2搜索策略选掙阅值

　　3.3.3机械臂单一构型碰撞检测算法验证

　　3.4虚拟场景中的机械臂连续运动碰撞检测方法

　　3.4.1机械臂运动的时空相关性

　　3.4.2机械臂连续运动碰撞检测的递推设计

　　3.4.3机械臂连续运动碰撞检测算法验证

　　3.5 本章小结

　　第四章虛拟场景中的机械臂力反馈系统研究

　　4.1 引言

　　4.2虚拟力反馈系统设计

　　4.2.1系统框架设计

　　4.2.2系统硬件构成

　　4.2.3系统软件构成

　　4.3基于弹賽-阻尼模型的刚体力反城方

　　4.3.1力反馈模型建立

　　4.3.2反馈力计算模型

　　4.5本章小结

　　第五章空间机械臂 任务虚拟训练系统研制及实验验证

　　5.1 引言

　　5.2空间机械臂任务虚拟训练系统搭建

　　5.2.1 虚拟训练系统硬件选型

　　5.22虚拟训练系统软件实现

　　5.3 空间机械臂典型任务训练考核

　　5.3.1空载转位训练考核

　　5.3.2负裁转位训练考核

　　5.3.3静态目标捕获训练考

　　5.3.4动态目标捕获训练考核

　　5.4空间机械臂手动控制模式训练

　　5.5本章小结

　　第六章总结与展望

　　6.1主要研究工作总结

　　针对常规的飞控岗位训练系统存在培训耗时长、效率低、培训方式简单。缺少地面实物训练平台等问题。本文以基于虚拟现实的空间机械臂任务處拟训练系统为研究对象，围绕碰撞检测算法和力反馈系统展开了研究，使其能够更好地适用于空间机械臀遇操作训练。并完成了虚拟训练系统的设计与搭建，主要的成果如下：

　　（1）完成了基于虛拟现实的空间机械臂任务虚拟训练系统的设计工作。包括总体架构的设计和各重要功能模块的设计。首先，结合前期的调研工作对虚拟训练系统进行功能需求分析和性能需求分析：然后，基于经典系统架构MVC模式完成了系统架构设计，包括视图层设计、控制层设计和模型层设计。降低了系统耦合性；接着，根据需求分析和虚拟训练系统的总体架构，明确處拟训练系统各重要功能模块的划分。井对每个功能模块进行了详细的分析与设计：最后针对四项空间机械臂在轨任务特点，设计各任务的考核标准，井根据关联矩阵法对任务进行考核评分。虚拟训练系统的设计工作为之后的研究工作奠定了基础。

　　（2）完成了基于混合层次包围盒八叉树的碰撞检测算法的研究。首先，对空间机械臂模型和空间站舱体模型进行预处理，得到机械臂和舱体的点云模型，井基于点云模型构建基于球包围盒和OBB包围盒的混合包围盒八叉树；接着，针对机械臂单一构型的碰撞检测，设计-种基于深度优先搜索算法和双向广度搜索算法的机械臂单一构型碰撞检测算法，并验证算法的有效性和高效性：然后，根据机械臂运动的时空相关性，设计机械臂连线运动碰撞检测算法。并验证算法的有效性和高效性。

　　（3）完成了基于力反馈的空间机械臂虛拟控制系统的研究。首先，从虚拟训练系统的需求出发。设计虚拟力反馈系統，包括系统的框架设计、硬件选型和软件设计，保证虚拟训练系统中图形渲染和力渲染的同步：接着，基于经典弹簧-阻尼力学模型，计算机械臂末端与捕获物接触时的接触碰撞力，保证接触碰撞力的计算效率：最后，通过仿真实验。验证力反馈系统设计和力反馈算法的有效性和鲁棒性。

　　（4）完成了基于虛报现实的空间机械臂任务虚拟训练系统的研制。首先，以天和机械臂为基础，搭建空间机械臂任务虚拟训练系统，包括硬件组成、PC端程序和VR端程序：其次，完成空间机械臂四项典型在轨任务的训练考核模块，使飞控岗位人员能够使用虚拟训练系统完成相关任务的操控训练；然后，完成空间机械臂手动控制模块，使飞控岗位人员能够通过使用手控器完成静态捕获任务。

　　6.2展望

　　本文针对基于虚拟现实的空间机械臂任务虚拟训练系统的相关技术开展了研究，并取得一定的研究成 果。但是本文的工作仍存在一些需要完善和进一 步研究的地方。具体的内容如下：

　　（1）本文研究了基于八叉树的混合层次包围盒树的碰撞检测算法，将机械。

　　臂仿真中的碰撞检测算法分为单-构型情况和连续运动情况，并针对不同情况，设计不同算法流程。从而提高了碰撞检测的效率。但是该算法在连续运动情况下。

　　由于递推公式依赖上-构型的碰撞检测结果，因为对机械臂碰撞情况发送改变不敏感导致丢失了- -定检测精度。因此，后期需要针对这一-问题继续开展下一步研究工作，提高碰撞检测算法在机械臂连续运动时的准确性和高效性。

　　（2）本文利用MVC架构搭建了空间机械臂任务虚拟训练系统，井在虚拟训练系统中添加了机械臂运动规划、碰撞检测。动力学计算等功能。但是该系统不支持后续添加更多机械臂功能模块，降低了系统的可拓展性。因此。后期需要。

　　针对这一-问题继续开展下-步研究工作。提高虚拟训练系统的在线可拓展性。

　　致谢

　　路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。三年的研究生生涯即将走到最后，在这段最美好的时光里。不仅学到了很多知识，拓展了自己的眼界，提升了自己的实践动手能力，而且自己也在为人处事过程中成长了很多。在此之际。我由衷的向所有曾经给予我关心，帮助，鼓励的老师，同学、朋友以及家人们表示最真挚的感谢。

　　首先，我要特别感谢我的导师陈钢教授。在北京邮电大学自动化学院的这三年时间里，无论在学习，生活上都给予了我特别大的帮助。在学习上，从研究方向的确定、论文的开题，确定论文的框架，形成最终的论文，每个环节都包含着陈老师的指导和关怀。陈老师严谨的科学态度和为人师表的高尚品格对我产生了深远的影响。在生活上，陈老师会经常的和我们分享他的人生经验，深深的影响着我，让我受益终生。在此，向陈老师表示衷心的感谢。

　　同时，还要感谢课题组的王一-帆老师。在我承担项目的过程中，帮我解决项目中的难题，教我解决问题的方法，教我相关的知识技能。在我撰写论文的过程中。给予我关怀指导。使我能顺利完成课题研究和论文撰写工作。

　　然后，也要感谢实验室的"大家长"贾庆轩教授。贾老师为我们提供了良好的工作环境和实验条件，且他坦诚为人、踏实做事的处事风格潜移默化的影响了我。

　　其次。感谢实验室的所有同学们，我们一起在項目和科研中共同学习共同成长，愿各位同学前程似锦。

　　另外，最要感谢的就是我的家人，感谢你们这么多年对我的支持和鼓励，一直在我身后永远给我最有力量的支持，有了你们，我才可以- -直坚持着，不断的鞭策自己，奋发向上，不断进取。

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