基于虚拟现实的空间站机械臂任务仿真研究

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1、硕士学位论文基于虚拟现实的空间站机械臂任务仿真研究RESEARCHONTASKSIMULATIONOFSPACESTATIONMANIPULATORBASEDONVIRTUALREALITY王岩哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP244.2学校代码：10213国际图书分类号：681.568.74密级：公开工程硕士学位论文基于虚拟现实的空间站机械臂任务仿真研究硕士研究生：王岩导师：赵京东教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP244.2U.D.C:681.568.74

2、DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTASKSIMULATIONOFSPACESTATIONMANIPULATORBASEDONVIRTUALREALITYCandidate：WangYanSupervisor：Prof.ZhaoJingdongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：Jun

3、e,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要伴随着空间机器人技术的迅速发展，空间站机械臂已经能够以较高的灵活性辅助甚至代替航天员去执行一些精密的、复杂的、危险的任务，大大降低了航天员出舱执行任务的风险，减轻了航天员的工作压力，提高了太空探索活动的效率。然而，随着空间机械臂的在轨任务越来越复杂，其工作任务难以完全通过地面实验进行验证。因此，研究具有安全、便捷、低成本特点的机器人仿真技术，实现在虚拟环境中对机械臂在轨任务进行仿真，具有重要应用前景。针对我国空间站机械臂在轨

4、工作任务需求，本文开发了空间站机械臂仿真软件，实现了空间站机械臂的三维可视化和任务仿真功能。重点开展了空间站机械臂的可重构虚拟图形建模方法和碰撞检测方法的研究，并进行了典型空间站机械臂任务仿真验证。主要内容如下：首先，开发基于虚拟现实的空间站机械臂任务仿真软件。在分析了机械臂运动学基础上，建立了三维可视化虚拟场景，设计了人机交互界面，实现了对空间站机械臂的运动仿真，提供给使用者以逼真的视觉临场感，并对机械臂的预编程控制、手动控制及参数控制等基本运动功能进行了仿真验证。其次，研究可重构虚拟图形建模方法，适应未知动态环境下的复杂任务仿真的模型需求，具有高度灵活性。提出了一种基于C++语

5、言中vector容器的可重构虚拟图形建模方法，利用在线模型的添加、删除及移动操作实现了模型的可重构，满足了空间站机械臂的任务仿真前及仿真过程中对模型可重构的需求。再次，研究空间站机械臂的碰撞检测方法，实现了机械臂与其工作环境的快速碰撞检测。基于FlexibleCollisionLibrary碰撞检测库，通过对机械臂的碰撞对进行优化，剔除绝对不可能发生碰撞的碰撞对，实现了基于包围盒的快速碰撞检测方法。最后，开展空间站机械臂货盘搬运的典型任务仿真验证，对可重构虚拟图形建模方法和碰撞检测方法进行了仿真验证。在分析了货盘搬运任务需求的基础上，选取了机械臂末端路径点，进行了机械臂路径规划，针

6、对可重构虚拟图形建模方法和碰撞检测方法进行了任务仿真，仿真结果证明了本文提出方法的有效性。关键词：模型可重构；碰撞检测；空间站机械臂；机械臂仿真-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofspacerobottechnology,thespacemanipulatorshavebeenabletoassistorsupersedetheastronautstoaccomplishsomeprecise,complicated,anddangeroustasks,whichrelievetheriskofextravehicularac

7、tivitiesandthepressureofspacework,thusenhancetheefficiencyofspaceexploration.However,duetotheincreasingcomplexityofthetasksofspacemanipulators,groundexperimentsarefarfromenoughtotestthetasksofthem.Therefore,itbecomesapromisingapplicatio