一种空间机械臂三维仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种空间机械臂三维仿真系统，针对采用开放式图形元素程序OSG所创建的三维仿真模型进行仿真控制，其中指令输入界面模块和OSG仿真界面模块，作为空间机械臂仿真平台与外界的接口，主要完成操作人员控制指令的接收与处理，并实时显示仿真模型的运行状态。操作人员对仿真平台界面进行操作，以触发响应的形式，经由任务管理模块实现指令的发送与处理。任务管理模块和数据管理模块，用于协调管理各任务的执行，并完成任务运行过程中相关数据的管理。路径规划模块层包含路径规划模块，主要完成对路径规划动态链接库的调用并更新数据管理模块中的相关内容，并可以由任务管理模块调度来完成相应的任务规划。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于三维仿真

技术介绍
空间机械臂作为人类手臂向外太空的延伸，对它的研宄目前已经成为航天工程研 宄的热点。而空间机械臂三维仿真研宄是空间机械臂研宄中一个引人瞩目的领域。 空间机械臂三维仿真平台，对于研宄空间机械臂的路径规划算法问题具有重要意 义。因此，加速空间机械臂技术发展，迫切需要建立空间机械臂三维仿真平台。国内外对机 械臂的三维仿真有众多研宄。Corke基于MATLAB平台开发了 ROBOTICS工具箱，可以通过函 数实现简单的运动学仿真；Kim基于OpenGL图形库开发了机械臂仿真系统，能够对机械臂 的正、逆运动学进行仿真；曹春芳等基于ADAMS软件完成了机械臂的运动学仿真；孙亮基于 OpenGL图形库开发了一套六自由度机械臂三维仿真软件，能够对机械臂的轨迹规划仿真； 刘志林等利用Solidworks进行机械臂三维建模，并且介绍了利用COSMOSMotion插件来实 现机械臂运动虚拟仿真的方法；钱小平等以四自由度机械臂为研宄对象，设计实现了基于 Java3D的机械臂运动仿真系统；张华文等设计了一套六自由机械臂的三维仿真软件，可对 机械臂的运动进行实时仿真。 以上三维仿真的方法或者平台均是针对单一运动模拟方法建立，现有技术中没有 一种仿真系统能够集合多种运动模拟方法，并进行综合管理控制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种空间机械臂三维仿真系统，能够针对基于OSG建立 的三维仿真模型进行综合管理控制以及实时状态显示，同时适用于多种路径规划算法，具 备灵活性和普适性。 为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种空间机械臂三维仿真系统，针对采 用开放式图形元素程序OSG所创建的三维仿真模型进行仿真控制，该系统包括指令输入界 面模块、OSG仿真界面模块、任务管理模块、数据管理模块以及路径规划模块。 指令输入界面模块为一个采用C++图形用户界面应用程序开发框架QT开发的指 令输入界面，该界面提供外部输入接口，用于接收外界输入的任务指令。 OSG仿真界面模块中具有空间机械臂的三维仿真模型，该OSG仿真界面模块用于 接收数据管理模块发来的路径规划结果数据，以驱动三维仿真模型进行实时状态更新并显 不O 任务管理模块解析任务指令对空间机械臂进行任务规划，将任务指令转化为控制 过程，控制过程包括由任务分解得到的多个执行步骤，对于每个执行步骤，均调用路径规划 模块进行路径规划，同时任务管理模块实时接收数据管理模块发来的路径规划结果数据， 若接收到当前执行步骤的路径规划结果数据，则启动下一个执行步骤。 数据管理模块从路径规划模块中实时获取路径规划结果数据，一方面将该路径规 划结果数据传递至OSG仿真界面模块以驱动三维仿真模型进行实时更新显示，另一方面将 该路径规划结果数据传递至数据管理模块。当任务管理模块启动了路径规划模块进行路径规划时，路径规划模块调用路径规 划动态链接库选择相应路径规划方式获得路径规划结果数据，将该路径规划结果数据实时 发送至数据管理模块。 路径规划动态链接库中包括直线路径规划、圆弧路径规划以及关节空间路径规划 三种路径规划方式。 进一步地，任务指令包括：路径规划方式、规划总时间、空间机械臂的初始关节角 序列以及期望位姿。 对于每个执行步骤，任务管理模块在调用路径规划模块时，将当前执行步骤数、当 前执行步骤关节角序列、当前执行步骤关节角速度序列以及期望位姿输入至路径规划模块 中进行调用。 路径规划结果数据包括下一执行步骤的关节角序列、下一执行步骤的关节角速度 序列以及下一执行步骤位姿。 进一步地，三维仿真模型包括卫星和空间机械臂，卫星分为本体卫星和目标卫星， 空间机械臂分为左操作臂、右操作臂、支撑臂和探测臂。 进一步地，采用OSG创建仿真模型的方法如下： Stepl、基于pro/e三维制图软件绘制出的独立的初步仿真模型； Step2、将上述初步仿真模型导出至3DMAX软件中，并进行渲染并导出3ds格式文 件； Step3、将3ds格式文件导入到OSG中，获得仿真模型，针对该仿真模型创建组织节 点，并获取其参考坐标系；通过确定各组织节点之间的父子关系以及仿真模型的矩阵变换， 使其在三维空间中组装成期望的构型。 有益效果： 本专利技术主要涉及了一种空间机械臂仿真系统，该系统的界面基于QT和OSG实现， 易于开发，且具有良好的跨平台特征性；同时由于OSG仿真模型是通过节点控制的，因此可 以使用不同的空间机械臂路径规划算法进行机械臂的运动控制，这不仅提高了机械臂仿真 运动的真实性，而且路径规划方法灵活多样，实现了在一个系统上适应多种算法的目的，且 具有有效性。【附图说明】 图1仿真系统总体结构图； 图2卫星和空间机械臂仿真模型； 图3仿真模型节点关系图； 图4左操作臂OSG仿真模型； 图5左操作臂模型节点关系图； 图6左操作臂D-H连杆坐标系； 图7数据管理模块工作流； 图8机械臂路径规划流程图； 图9指令输入界面效果图； 图10软件各主要模块数据交互图； 图11破坏天线任务流程图。【具体实施方式】 下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。 实施例1、 本专利技术提供了一种本专利技术涉及一种空间机械臂三维仿真平台的搭建方法，下面结 合附图对本专利技术作进一步说明。 空间机械臂三维仿真平台的框架结构如图1所示，根据仿真平台的功能需求和任 务管理需要，将仿真平台的框架分为三个层次：人机交互接口层、任务/数据管理层和路径 规划模块层。 人机交互接口层包含指令输入界面模块和OSG仿真界面模块，作为空间机械臂仿 真平台与外界的接口，主要完成操作人员控制指令的接收与处理，并实时显示仿真模型的 运行状态。操作人员对仿真平台界面进行操作，以触发响应的形式，经由任务管理模块实现 指令的发送与处理。 任务/数据管理层包含任务管理模块和数据管理模块，用于协调管理各任务的执 行，并完成任务运行过程中相关数据的管理，例如机械臂的关节角度，关节角速度等数据， 是整个仿真平台的核心。 路径规划模块层包含路径规划模块，主要完成对路径规划动态链接库的调用并更 新数据管理模块中的相关内容，并可以由任务管理模块调度来完成相应的任务规划。 L人机交互接口层 (I) OSG仿真界面模块 OSG仿真界面模块作为空间机械臂三维仿真平台的重要组成部分，主要用来显示 仿真模型的实时变化。仿真模型主要由两部分组成：卫星和空间机械臂，如图2所示。卫星 分为本体卫星和目标卫星；空间机械臂分为左操作臂、右操作臂、支撑臂和探测臂。 空间机械臂三维仿真平台中模型节点关系如图3所示。其中空间机械臂作为仿真 平台中最重要的模型，以左操作臂为例，详细介绍如下：左操作臂为七自由度冗余机械臂， 其OSG仿真模型如图4所示，节点关系如图5所示。通过机械臂关节的旋转节点继承机械 臂关节间的父子关系，通过模型节点可对机械臂关节模型的位姿进行调整，使其组装成机 械臂的初始构型。OSG仿真界面模块获取数据管理模块中的实时数据，通过控制OSG仿真模 型中的旋转节点实现空间机械臂关节的实时转动。 实现机械臂的路径规划，最基本的要先实现机械臂的正向运动学求解。机械臂正 向运动学是指根据机械臂已知的关节旋转角度，求机械臂末端相对于基坐标系的位姿的过 程。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间机械臂三维仿真系统，针对采用开放式图形元素程序OSG所创建的三维仿真模型进行仿真控制，其特征在于，该系统包括指令输入界面模块、OSG仿真界面模块、任务管理模块、数据管理模块以及路径规划模块；所述指令输入界面模块为一个采用C++图形用户界面应用程序开发框架QT开发的指令输入界面，该界面提供外部输入接口，用于接收外界输入的任务指令；所述OSG仿真界面模块中具有空间机械臂的三维仿真模型，该OSG仿真界面模块用于接收所述数据管理模块发来的路径规划结果数据，以驱动三维仿真模型进行实时状态更新并显示；所述任务管理模块解析所述任务指令对空间机械臂进行任务规划，将任务指令转化为控制过程，控制过程包括由任务分解得到的多个执行步骤，对于每个执行步骤，均调用路径规划模块进行路径规划，同时任务管理模块实时接收数据管理模块发来的路径规划结果数据，若接收到当前执行步骤的路径规划结果数据，则启动下一个执行步骤；所述数据管理模块从路径规划模块中实时获取路径规划结果数据，一方面将该路径规划结果数据传递至OSG仿真界面模块以驱动三维仿真模型进行实时更新显示，另一方面将该路径规划结果数据传递至数据管理模块；当任务管理模块启动了路径规划模块进行路径规划时，路径规划模块调用路径规划动态链接库选择相应路径规划方式获得路径规划结果数据，将该路径规划结果数据实时发送至数据管理模块；所述路径规划动态链接库中包括直线路径规划、圆弧路径规划以及关节空间路径规划三种路径规划方式。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，王文正，夏辉，倪森，张龙，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37