[发明专利]一种空间机械臂三维仿真系统

说明书

技术领域

本发明属于三维仿真技术领域。

背景技术

空间机械臂作为人类手臂向外太空的延伸，对它的研究目前已经成为航天工程研究的热点。而空间机械臂三维仿真研究是空间机械臂研究中一个引人瞩目的领域。

空间机械臂三维仿真平台，对于研究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究。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究对象，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。

发明内容

有鉴于此，本发明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，本发明的技术方案为：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示。

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，一方面将数据传递给OSG仿真界面模块以驱动仿真模型的实时更新显示，另一方面将数据传递给任务管理模块以进行下一步规划。

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：

Step1、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：