一種空間機(jī)械臂三維仿真系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種空間機(jī)械臂三維仿真系統(tǒng)，針對(duì)采用開放式圖形元素程序OSG所創(chuàng)建的三維仿真模型進(jìn)行仿真控制，其中指令輸入界面模塊和OSG仿真界面模塊，作為空間機(jī)械臂仿真平臺(tái)與外界的接口，主要完成操作人員控制指令的接收與處理，并實(shí)時(shí)顯示仿真模型的運(yùn)行狀態(tài)。操作人員對(duì)仿真平臺(tái)界面進(jìn)行操作，以觸發(fā)響應(yīng)的形式，經(jīng)由任務(wù)管理模塊實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送與處理。任務(wù)管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，用于協(xié)調(diào)管理各任務(wù)的執(zhí)行，并完成任務(wù)運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)的管理。路徑規(guī)劃模塊層包含路徑規(guī)劃模塊，主要完成對(duì)路徑規(guī)劃動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用并更新數(shù)據(jù)管理模塊中的相關(guān)內(nèi)容，并可以由任務(wù)管理模塊調(diào)度來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于三維仿真

技術(shù)介紹
空間機(jī)械臂作為人類手臂向外太空的延伸，對(duì)它的研宄目前已經(jīng)成為航天工程研 宄的熱點(diǎn)。而空間機(jī)械臂三維仿真研宄是空間機(jī)械臂研宄中一個(gè)引人矚目的領(lǐng)域。 空間機(jī)械臂三維仿真平臺(tái)，對(duì)于研宄空間機(jī)械臂的路徑規(guī)劃算法問(wèn)題具有重要意 義。因此，加速空間機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展，迫切需要建立空間機(jī)械臂三維仿真平臺(tái)。國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī) 械臂的三維仿真有眾多研宄。Corke基于MATLAB平臺(tái)開發(fā)了 ROBOTICS工具箱，可以通過(guò)函 數(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；Kim基于OpenGL圖形庫(kù)開發(fā)了機(jī)械臂仿真系統(tǒng)，能夠?qū)C(jī)械臂 的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行仿真；曹春芳等基于ADAMS軟件完成了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；孫亮基于 OpenGL圖形庫(kù)開發(fā)了一套六自由度機(jī)械臂三維仿真軟件，能夠?qū)C(jī)械臂的軌跡規(guī)劃仿真； 劉志林等利用Solidworks進(jìn)行機(jī)械臂三維建模，并且介紹了利用COSMOSMotion插件來(lái)實(shí) 現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)虛擬仿真的方法；錢小平等以四自由度機(jī)械臂為研宄對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于 Java3D的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)；張華文等設(shè)計(jì)了一套六自由機(jī)械臂的三維仿真軟件，可對(duì) 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。 以上三維仿真的方法或者平臺(tái)均是針對(duì)單一運(yùn)動(dòng)模擬方法建立，現(xiàn)有技術(shù)中沒有 一種仿真系統(tǒng)能夠集合多種運(yùn)動(dòng)模擬方法，并進(jìn)行綜合管理控制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)提供了一種空間機(jī)械臂三維仿真系統(tǒng)，能夠針對(duì)基于OSG建立 的三維仿真模型進(jìn)行綜合管理控制以及實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示，同時(shí)適用于多種路徑規(guī)劃算法，具 備靈活性和普適性。 為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案為：一種空間機(jī)械臂三維仿真系統(tǒng)，針對(duì)采 用開放式圖形元素程序OSG所創(chuàng)建的三維仿真模型進(jìn)行仿真控制，該系統(tǒng)包括指令輸入界 面模塊、OSG仿真界面模塊、任務(wù)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及路徑規(guī)劃模塊。 指令輸入界面模塊為一個(gè)采用C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架QT開發(fā)的指 令輸入界面，該界面提供外部輸入接口，用于接收外界輸入的任務(wù)指令。 OSG仿真界面模塊中具有空間機(jī)械臂的三維仿真模型，該OSG仿真界面模塊用于 接收數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)來(lái)的路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，以驅(qū)動(dòng)三維仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)更新并顯 不O 任務(wù)管理模塊解析任務(wù)指令對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，將任務(wù)指令轉(zhuǎn)化為控制 過(guò)程，控制過(guò)程包括由任務(wù)分解得到的多個(gè)執(zhí)行步驟，對(duì)于每個(gè)執(zhí)行步驟，均調(diào)用路徑規(guī)劃 模塊進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)任務(wù)管理模塊實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)來(lái)的路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)， 若接收到當(dāng)前執(zhí)行步驟的路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)下一個(gè)執(zhí)行步驟。 數(shù)據(jù)管理模塊從路徑規(guī)劃模塊中實(shí)時(shí)獲取路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，一方面將該路徑規(guī) 劃結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞至OSG仿真界面模塊以驅(qū)動(dòng)三維仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新顯示，另一方面將 該路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)管理模塊。當(dāng)任務(wù)管理模塊啟動(dòng)了路徑規(guī)劃模塊進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，路徑規(guī)劃模塊調(diào)用路徑規(guī) 劃動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)選擇相應(yīng)路徑規(guī)劃方式獲得路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，將該路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí) 發(fā)送至數(shù)據(jù)管理模塊。 路徑規(guī)劃動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中包括直線路徑規(guī)劃、圓弧路徑規(guī)劃以及關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃 三種路徑規(guī)劃方式。 進(jìn)一步地，任務(wù)指令包括：路徑規(guī)劃方式、規(guī)劃總時(shí)間、空間機(jī)械臂的初始關(guān)節(jié)角 序列以及期望位姿。 對(duì)于每個(gè)執(zhí)行步驟，任務(wù)管理模塊在調(diào)用路徑規(guī)劃模塊時(shí)，將當(dāng)前執(zhí)行步驟數(shù)、當(dāng) 前執(zhí)行步驟關(guān)節(jié)角序列、當(dāng)前執(zhí)行步驟關(guān)節(jié)角速度序列以及期望位姿輸入至路徑規(guī)劃模塊 中進(jìn)行調(diào)用。 路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)包括下一執(zhí)行步驟的關(guān)節(jié)角序列、下一執(zhí)行步驟的關(guān)節(jié)角速度 序列以及下一執(zhí)行步驟位姿。 進(jìn)一步地，三維仿真模型包括衛(wèi)星和空間機(jī)械臂，衛(wèi)星分為本體衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星， 空間機(jī)械臂分為左操作臂、右操作臂、支撐臂和探測(cè)臂。 進(jìn)一步地，采用OSG創(chuàng)建仿真模型的方法如下： Stepl、基于pro/e三維制圖軟件繪制出的獨(dú)立的初步仿真模型； Step2、將上述初步仿真模型導(dǎo)出至3DMAX軟件中，并進(jìn)行渲染并導(dǎo)出3ds格式文 件； Step3、將3ds格式文件導(dǎo)入到OSG中，獲得仿真模型，針對(duì)該仿真模型創(chuàng)建組織節(jié) 點(diǎn)，并獲取其參考坐標(biāo)系；通過(guò)確定各組織節(jié)點(diǎn)之間的父子關(guān)系以及仿真模型的矩陣變換， 使其在三維空間中組裝成期望的構(gòu)型。 有益效果： 本專利技術(shù)主要涉及了一種空間機(jī)械臂仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)的界面基于QT和OSG實(shí)現(xiàn)， 易于開發(fā)，且具有良好的跨平臺(tái)特征性；同時(shí)由于OSG仿真模型是通過(guò)節(jié)點(diǎn)控制的，因此可 以使用不同的空間機(jī)械臂路徑規(guī)劃算法進(jìn)行機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，這不僅提高了機(jī)械臂仿真 運(yùn)動(dòng)的真實(shí)性，而且路徑規(guī)劃方法靈活多樣，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)系統(tǒng)上適應(yīng)多種算法的目的，且 具有有效性。【附圖說(shuō)明】 圖1仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖； 圖2衛(wèi)星和空間機(jī)械臂仿真模型； 圖3仿真模型節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖； 圖4左操作臂OSG仿真模型； 圖5左操作臂模型節(jié)點(diǎn)關(guān)系圖； 圖6左操作臂D-H連桿坐標(biāo)系； 圖7數(shù)據(jù)管理模塊工作流； 圖8機(jī)械臂路徑規(guī)劃流程圖； 圖9指令輸入界面效果圖； 圖10軟件各主要模塊數(shù)據(jù)交互圖； 圖11破壞天線任務(wù)流程圖。【具體實(shí)施方式】 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。 實(shí)施例1、 本專利技術(shù)提供了一種本專利技術(shù)涉及一種空間機(jī)械臂三維仿真平臺(tái)的搭建方法，下面結(jié) 合附圖對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步說(shuō)明。 空間機(jī)械臂三維仿真平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)仿真平臺(tái)的功能需求和任 務(wù)管理需要，將仿真平臺(tái)的框架分為三個(gè)層次：人機(jī)交互接口層、任務(wù)/數(shù)據(jù)管理層和路徑 規(guī)劃模塊層。 人機(jī)交互接口層包含指令輸入界面模塊和OSG仿真界面模塊，作為空間機(jī)械臂仿 真平臺(tái)與外界的接口，主要完成操作人員控制指令的接收與處理，并實(shí)時(shí)顯示仿真模型的 運(yùn)行狀態(tài)。操作人員對(duì)仿真平臺(tái)界面進(jìn)行操作，以觸發(fā)響應(yīng)的形式，經(jīng)由任務(wù)管理模塊實(shí)現(xiàn) 指令的發(fā)送與處理。 任務(wù)/數(shù)據(jù)管理層包含任務(wù)管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊，用于協(xié)調(diào)管理各任務(wù)的執(zhí) 行，并完成任務(wù)運(yùn)行過(guò)程中相關(guān)數(shù)據(jù)的管理，例如機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度，關(guān)節(jié)角速度等數(shù)據(jù)， 是整個(gè)仿真平臺(tái)的核心。 路徑規(guī)劃模塊層包含路徑規(guī)劃模塊，主要完成對(duì)路徑規(guī)劃動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用并更 新數(shù)據(jù)管理模塊中的相關(guān)內(nèi)容，并可以由任務(wù)管理模塊調(diào)度來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃。 L人機(jī)交互接口層 (I) OSG仿真界面模塊 OSG仿真界面模塊作為空間機(jī)械臂三維仿真平臺(tái)的重要組成部分，主要用來(lái)顯示 仿真模型的實(shí)時(shí)變化。仿真模型主要由兩部分組成：衛(wèi)星和空間機(jī)械臂，如圖2所示。衛(wèi)星 分為本體衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星；空間機(jī)械臂分為左操作臂、右操作臂、支撐臂和探測(cè)臂。 空間機(jī)械臂三維仿真平臺(tái)中模型節(jié)點(diǎn)關(guān)系如圖3所示。其中空間機(jī)械臂作為仿真 平臺(tái)中最重要的模型，以左操作臂為例，詳細(xì)介紹如下：左操作臂為七自由度冗余機(jī)械臂， 其OSG仿真模型如圖4所示，節(jié)點(diǎn)關(guān)系如圖5所示。通過(guò)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)繼承機(jī)械 臂關(guān)節(jié)間的父子關(guān)系，通過(guò)模型節(jié)點(diǎn)可對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)模型的位姿進(jìn)行調(diào)整，使其組裝成機(jī) 械臂的初始構(gòu)型。OSG仿真界面模塊獲取數(shù)據(jù)管理模塊中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)控制OSG仿真模 型中的旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。 實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的路徑規(guī)劃，最基本的要先實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。機(jī)械臂正 向運(yùn)動(dòng)學(xué)是指根據(jù)機(jī)械臂已知的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度，求機(jī)械臂末端相對(duì)于基坐標(biāo)系的位姿的過(guò) 程。本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種空間機(jī)械臂三維仿真系統(tǒng)，針對(duì)采用開放式圖形元素程序OSG所創(chuàng)建的三維仿真模型進(jìn)行仿真控制，其特征在于，該系統(tǒng)包括指令輸入界面模塊、OSG仿真界面模塊、任務(wù)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及路徑規(guī)劃模塊；所述指令輸入界面模塊為一個(gè)采用C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架QT開發(fā)的指令輸入界面，該界面提供外部輸入接口，用于接收外界輸入的任務(wù)指令；所述OSG仿真界面模塊中具有空間機(jī)械臂的三維仿真模型，該OSG仿真界面模塊用于接收所述數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)來(lái)的路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，以驅(qū)動(dòng)三維仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)更新并顯示；所述任務(wù)管理模塊解析所述任務(wù)指令對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，將任務(wù)指令轉(zhuǎn)化為控制過(guò)程，控制過(guò)程包括由任務(wù)分解得到的多個(gè)執(zhí)行步驟，對(duì)于每個(gè)執(zhí)行步驟，均調(diào)用路徑規(guī)劃模塊進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)任務(wù)管理模塊實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)來(lái)的路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，若接收到當(dāng)前執(zhí)行步驟的路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)下一個(gè)執(zhí)行步驟；所述數(shù)據(jù)管理模塊從路徑規(guī)劃模塊中實(shí)時(shí)獲取路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，一方面將該路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞至OSG仿真界面模塊以驅(qū)動(dòng)三維仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新顯示，另一方面將該路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)管理模塊；當(dāng)任務(wù)管理模塊啟動(dòng)了路徑規(guī)劃模塊進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，路徑規(guī)劃模塊調(diào)用路徑規(guī)劃動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)選擇相應(yīng)路徑規(guī)劃方式獲得路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)，將該路徑規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至數(shù)據(jù)管理模塊；所述路徑規(guī)劃動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中包括直線路徑規(guī)劃、圓弧路徑規(guī)劃以及關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃三種路徑規(guī)劃方式。...

【技術(shù)特征摘要】
...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張海濤，王文正，夏輝，倪森，張龍，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一三研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東;37