摘要

　　在中國空間站建造與運營(yíng)過(guò)程中，為提高在軌操作任務(wù)執行效率及安全性，需利用空間機械臂輔助或替代航天員完成在軌操作任務(wù)，這使得空間機械臂成為中國空間站建設運營(yíng)過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵設備。由于特殊的空間環(huán)境、復雜且繁重的在軌操作任務(wù)對空間機械臂地面操控人員，即飛控崗位人員，提出了更高的要求，且空間機械臂結構復雜、缺少地面實(shí)物訓練平臺，傳統的崗位訓練系統和機制難以適應空間機械臂這類(lèi)復雜系統的培訓需求，因此亟需構建符合當前飛控崗位培訓的任務(wù)需求的空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統，提高崗位培訓效率，降低崗位培訓成本，這對中國空間站建設和機械臂任務(wù)虛擬培訓領(lǐng)域發(fā)展具有重要的工程價(jià)值及實(shí)際意義。本文擬針對空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統的虛擬崗位培訓機制、虛擬場(chǎng)景中機械臂碰撞檢測和接觸力反饋等問(wèn)題開(kāi)展研宄工作，具體研究?jì)热萑缦拢?/p>

　　首先，開(kāi)展基于虛擬現實(shí)的空間站機械臂任務(wù)虛擬訓練系統軟件架構設計。通過(guò)對虛擬訓練系統進(jìn)行功能需求和性能需求分析，確定該訓練系統所需功能模塊以及對應的性能指標；基于經(jīng)典MVC系統架構模式，結合訓練系統的需求分析結果，設計訓練系統的視圖層、控制層和模型層，基于封裝分層思想降低系統模塊間的耦合度，提高系統的靈活度和擴展性；根據虛擬訓練系統的需求分析與架構設計劃分系統功能模塊單元，并設計其工作流程；分析空間機械臂典型在軌任務(wù)特點(diǎn)，制定各任務(wù)的考核指標和考核流程。

　　其次，進(jìn)行虛擬場(chǎng)景中機械臂碰撞檢測方法研究。基于混合包圍盒八叉樹(shù)研宄碰撞檢測算法，對空間機械臂模型和空間站艙體模型進(jìn)行預處理，構建基于模型點(diǎn)云文件的混合包圍盒八叉樹(shù)，以其為基礎設計并實(shí)現虛擬訓練系統碰撞檢測算法；針對機械臂單一構型和機械臂連續運動(dòng)兩種情況，分別設計基于深度優(yōu)先搜索算法和雙向廣度搜索算法的機械臂單一構型碰撞檢測算法以及基于時(shí)空相關(guān)性的機械臂連續運動(dòng)碰撞檢測算法，提高虛擬訓練系統中碰撞檢測算法的計算效率。

　　再次，完成基于彈簧-阻尼模型的機械臂力反饋系統研究。針對虛擬訓練系統中圖形渲染和力渲染的同步問(wèn)題，對力反饋系統進(jìn)行總體架構設計、力反饋設備選型和工作流程設計；將碰撞檢測算法與彈簧-阻尼模型結合，計算模型接觸時(shí)的接觸力；設計并開(kāi)展實(shí)驗驗證力反饋系統和力反饋算法的有效性和魯棒性。

　　最后，為驗證虛擬訓練系統對崗位訓練的有效性，展示本文研制的空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統在機械臂操作崗位培訓領(lǐng)域的應用價(jià)值，搭建以天和機械臂系統為對象的虛擬訓練系統，并針對本文所設計的虛擬場(chǎng)景中空間機械臂碰撞檢測算法和力反饋系統，設計對應的操作任務(wù)培訓實(shí)驗，驗證算法和訓練系統的準確性及有效性。

　　關(guān)鍵詞：機械臂，虛擬現實(shí)，碰撞檢測算法，力反饋

　　目錄

　　第一章緒論

　　1.1研究背景及意義

　　由于在軌操作任務(wù)通常具有負荷重。時(shí)間長(cháng)、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。為提高任務(wù)完成效率和安全性，空間機械臂逐漸用于輔助或替代宇航員完成艙體轉位、目標捕獲、在軌裝配等操作任務(wù)。隨著(zhù)空間站建造過(guò)程的不斷深入。出現了大量宇航員難以完成的復雜繁重任務(wù)，因此空間機械臂也逐漸成為了空間站建造、運營(yíng)過(guò)程中的重要設備1.針對上述空間站任務(wù)特點(diǎn)。我國研制了空間站遠程機械青系統（Chinese Spuce Sution Remoute Manipulator System, CSSRMS）， 該系統包括天和空間站核心艙機械臂和問(wèn)天空間站實(shí)驗艙機械臂，支持兩臂獨立工作模式、兩臂協(xié)同工作模式和兩臂組合工作模式凹。利用空間站遠程機械臂完系統成艙段轉移、目標捕獲、在軌裝配等任務(wù)，將提高空間站使用率，降低航天員的出艙工作風(fēng)險，提高空間探索活動(dòng)的效率川。中國空間站的穩定快速建設為空間機械臂技術(shù)驗證及發(fā)揮提供了平臺，同時(shí)也給我國空間機械臂地面遇操作人員帶來(lái)了前所未有的機遇和挑戰。

　　飛控崗位人員作為空間機械臂地面逼操作人員，將承擔空間機械臂的過(guò)操作規劃與控制任務(wù)。而飛控崗位人員在機械臂運動(dòng)規劃領(lǐng)域的知識積累有限，且由于缺乏有效的訓練系統和訓練機制，飛控崗位人員在空間機械臂操作方面缺乏經(jīng)驗，主要體現在：

　　（1） 現有崗位人員對七自由度冗余結構的復雜機械臂缺乏系統化的認知理解，難以熟悉控制空間機械臂完成運動(dòng)規劃、在軌搬運、在軌捕獲及故障處置等任務(wù)：

　　（2） 空間機械臂不具備相應的地面實(shí)物訓練平臺，崗位人員缺乏實(shí)際操作空間機械臂的機會(huì )，無(wú)法開(kāi)展針對性訓練：

　　（3）現有崗位培訓方式主要是軟件開(kāi)發(fā)人員培訓相關(guān)操控人員，培訓的主要目標為讓?shí)徫蝗藛T了解本崗位軟件的使用方法，培訓要求低，軟件操作難度小，難以滿(mǎn)足空間機械臂這類(lèi)復雜系統的操控要求。因此，亟需為飛控崗位人員描建空間機械臂運動(dòng)規劃訓練系統， 提高崗位人員操控空間機械臂完成在軌任務(wù)的能力。

　　虛擬現實(shí)（VIrtual Reality, VR）是一門(mén)由運動(dòng)仿真學(xué)，計算機圖形學(xué)等多種學(xué)科技術(shù)交叉形成的新興技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應用于醫學(xué)教學(xué)、工程設計、軍事模擬、裝配制造等諸多領(lǐng)域[4.虛擬培訓作為虛擬現實(shí)技術(shù)與培訓相結合的產(chǎn)物，是近些年出現的新型培訓方式。虛擬培訓利用虛擬現實(shí)技術(shù)為受訓人員搭建一個(gè)虛擬培訓場(chǎng)景，解決了難以模擬培調環(huán)境、培訓場(chǎng)景存在重大安全隱患問(wèn)題等傳統培訓方式面臨的難題。現有的飛機駕駛虛擬培訓系統、戰場(chǎng)指揮虛擬培訓系統等，都為培訓人員提供了-個(gè)較為安全且逼真的環(huán)境。虛擬培訓系統的應用不僅可以提高培訓人員自身業(yè)務(wù)水平。還能降低培訓成本，提高培訓效率[5].

　　綜上所述，圍繞空間機械臂典型在軌服務(wù)任務(wù)。將虛報現實(shí)技術(shù)與飛控崗位培訓相結合。搭建空間機械臂任務(wù)虛報訓練系統，實(shí)現在虛擬場(chǎng)景中對飛控崗位人員進(jìn)行操作培訓。通過(guò)本文的研究，針對虛擬培訓系統和空間機械臂典型任務(wù)的特點(diǎn)，對訓練系統總體架構和奧型任務(wù)訓練考核進(jìn)行設計，滿(mǎn)足飛控崗位人員對提升操控空間機械臂能力的訓練需求：針對機械臂運動(dòng)特性，提出一種機械臂碰撞檢測算法，提高計算效率，提升系統的流暢度和沉浸感：面向手動(dòng)控制機械臂完成靜態(tài)捕獲任務(wù)，通過(guò)引入力反饋系統，提高系統互動(dòng)性，加深崗位人員對空間機械臂在軌服務(wù)的認知。本文的研究成果對于提升中國空間站運營(yíng)能力和拓展虛擬培訓的應用范圍具有重要意義和實(shí)際應用價(jià)值。

　　1.2.1虛擬現實(shí)訓練系統研究現狀

　　1.2.2碰撞檢測算法研究現狀

　　1.2.3力反饋算法研究現狀

　　1.3本文研究?jì)热菁敖Y構安排，

　　第二章空間機械臂 任務(wù)虛擬訓練系統架構設計

　　2.2虛擬訓練系統需求分析

　　2.2.1功能需求分析：

　　2.2.2性能需求分析

　　2.3虛擬訓練系統總體架構設計

　　2.3.1視圖層設計

　　2.3.2控制層設計

　　2.3.3模型層設計

　　2.4虛擬訓練系統主要功能模塊設計

　　2.4.1三維虛擬仿真功能模塊設計

　　2.4.2虛擬場(chǎng)景中的碰撞檢測模塊設計

　　2.4.3虛擬場(chǎng)景中的事動(dòng)控制模塊設計

　　2.4.4人機交互功能模塊設計

　　2.5空間機械臂典型任務(wù)訓練考核設計

　　2.5.1空載轉位訓練考核設計

　　2.5.2負載轉位訓練考核設計，

　　2.5.3靜態(tài)目標捕獲訓練考核設計

　　2.5.4動(dòng)態(tài)目標捕獲訓練考核設計

　　2.5.5基于關(guān)聯(lián)矩陣法的指標評估方法

　　2.6本章小結

　　第三章虛擬場(chǎng)景中的機械臂 碰撞檢測算法研究

　　3.1引言

　　3.2基于八叉樹(shù)的混合層次包圍盒樹(shù)設計

　　3.2.3構建混合包圍盒八叉樹(shù)

　　3.2.4 混合層次包圍愈樹(shù)數據結構設計

　　3.3虛擬場(chǎng)景中的機械臀單-構型碰撞檢測方法，

　　3.3.1單一構型碰撞檢測流程

　　3.3.2搜索策略選掙閱值

　　3.3.3機械臂單一構型碰撞檢測算法驗證

　　3.4虛擬場(chǎng)景中的機械臂連續運動(dòng)碰撞檢測方法

　　3.4.1機械臂運動(dòng)的時(shí)空相關(guān)性

　　3.4.2機械臂連續運動(dòng)碰撞檢測的遞推設計

　　3.4.3機械臂連續運動(dòng)碰撞檢測算法驗證

　　3.5 本章小結

　　第四章虛擬場(chǎng)景中的機械臂力反饋系統研究

　　4.1 引言

　　4.2虛擬力反饋系統設計

　　4.2.1系統框架設計

　　4.2.2系統硬件構成

　　4.2.3系統軟件構成

　　4.3基于彈賽-阻尼模型的剛體力反城方

　　4.3.1力反饋模型建立

　　4.3.2反饋力計算模型

　　4.5本章小結

　　第五章空間機械臂 任務(wù)虛擬訓練系統研制及實(shí)驗驗證

　　5.1 引言

　　5.2空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統搭建

　　5.2.1 虛擬訓練系統硬件選型

　　5.22虛擬訓練系統軟件實(shí)現

　　5.3 空間機械臂典型任務(wù)訓練考核

　　5.3.1空載轉位訓練考核

　　5.3.2負裁轉位訓練考核

　　5.3.3靜態(tài)目標捕獲訓練考

　　5.3.4動(dòng)態(tài)目標捕獲訓練考核

　　5.4空間機械臂手動(dòng)控制模式訓練

　　5.5本章小結

　　第六章總結與展望

　　6.1主要研究工作總結

　　針對常規的飛控崗位訓練系統存在培訓耗時(shí)長(cháng)、效率低、培訓方式簡(jiǎn)單。缺少地面實(shí)物訓練平臺等問(wèn)題。本文以基于虛擬現實(shí)的空間機械臂任務(wù)處擬訓練系統為研究對象，圍繞碰撞檢測算法和力反饋系統展開(kāi)了研究，使其能夠更好地適用于空間機械臀遇操作訓練。并完成了虛擬訓練系統的設計與搭建，主要的成果如下：

　　（1）完成了基于虛擬現實(shí)的空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統的設計工作。包括總體架構的設計和各重要功能模塊的設計。首先，結合前期的調研工作對虛擬訓練系統進(jìn)行功能需求分析和性能需求分析：然后，基于經(jīng)典系統架構MVC模式完成了系統架構設計，包括視圖層設計、控制層設計和模型層設計。降低了系統耦合性；接著(zhù)，根據需求分析和虛擬訓練系統的總體架構，明確處擬訓練系統各重要功能模塊的劃分。井對每個(gè)功能模塊進(jìn)行了詳細的分析與設計：最后針對四項空間機械臂在軌任務(wù)特點(diǎn)，設計各任務(wù)的考核標準，井根據關(guān)聯(lián)矩陣法對任務(wù)進(jìn)行考核評分。虛擬訓練系統的設計工作為之后的研究工作奠定了基礎。

　　（2）完成了基于混合層次包圍盒八叉樹(shù)的碰撞檢測算法的研究。首先，對空間機械臂模型和空間站艙體模型進(jìn)行預處理，得到機械臂和艙體的點(diǎn)云模型，井基于點(diǎn)云模型構建基于球包圍盒和OBB包圍盒的混合包圍盒八叉樹(shù)；接著(zhù)，針對機械臂單一構型的碰撞檢測，設計-種基于深度優(yōu)先搜索算法和雙向廣度搜索算法的機械臂單一構型碰撞檢測算法，并驗證算法的有效性和高效性：然后，根據機械臂運動(dòng)的時(shí)空相關(guān)性，設計機械臂連線(xiàn)運動(dòng)碰撞檢測算法。并驗證算法的有效性和高效性。

　　（3）完成了基于力反饋的空間機械臂虛擬控制系統的研究。首先，從虛擬訓練系統的需求出發(fā)。設計虛擬力反饋系統，包括系統的框架設計、硬件選型和軟件設計，保證虛擬訓練系統中圖形渲染和力渲染的同步：接著(zhù)，基于經(jīng)典彈簧-阻尼力學(xué)模型，計算機械臂末端與捕獲物接觸時(shí)的接觸碰撞力，保證接觸碰撞力的計算效率：最后，通過(guò)仿真實(shí)驗。驗證力反饋系統設計和力反饋算法的有效性和魯棒性。

　　（4）完成了基于虛報現實(shí)的空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統的研制。首先，以天和機械臂為基礎，搭建空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統，包括硬件組成、PC端程序和VR端程序：其次，完成空間機械臂四項典型在軌任務(wù)的訓練考核模塊，使飛控崗位人員能夠使用虛擬訓練系統完成相關(guān)任務(wù)的操控訓練；然后，完成空間機械臂手動(dòng)控制模塊，使飛控崗位人員能夠通過(guò)使用手控器完成靜態(tài)捕獲任務(wù)。

　　6.2展望

　　本文針對基于虛擬現實(shí)的空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統的相關(guān)技術(shù)開(kāi)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進(jìn)一 步研究的地方。具體的內容如下：

　　（1）本文研究了基于八叉樹(shù)的混合層次包圍盒樹(shù)的碰撞檢測算法，將機械。

　　臂仿真中的碰撞檢測算法分為單-構型情況和連續運動(dòng)情況，并針對不同情況，設計不同算法流程。從而提高了碰撞檢測的效率。但是該算法在連續運動(dòng)情況下。

　　由于遞推公式依賴(lài)上-構型的碰撞檢測結果，因為對機械臂碰撞情況發(fā)送改變不敏感導致丟失了- -定檢測精度。因此，后期需要針對這一-問(wèn)題繼續開(kāi)展下一步研究工作，提高碰撞檢測算法在機械臂連續運動(dòng)時(shí)的準確性和高效性。

　　（2）本文利用MVC架構搭建了空間機械臂任務(wù)虛擬訓練系統，井在虛擬訓練系統中添加了機械臂運動(dòng)規劃、碰撞檢測。動(dòng)力學(xué)計算等功能。但是該系統不支持后續添加更多機械臂功能模塊，降低了系統的可拓展性。因此。后期需要。

　　針對這一-問(wèn)題繼續開(kāi)展下-步研究工作。提高虛擬訓練系統的在線(xiàn)可拓展性。

　　致謝

　　路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。三年的研究生生涯即將走到最后，在這段最美好的時(shí)光里。不僅學(xué)到了很多知識，拓展了自己的眼界，提升了自己的實(shí)踐動(dòng)手能力，而且自己也在為人處事過(guò)程中成長(cháng)了很多。在此之際。我由衷的向所有曾經(jīng)給予我關(guān)心，幫助，鼓勵的老師，同學(xué)、朋友以及家人們表示最真摯的感謝。

　　首先，我要特別感謝我的導師陳鋼教授。在北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的這三年時(shí)間里，無(wú)論在學(xué)習，生活上都給予了我特別大的幫助。在學(xué)習上，從研究方向的確定、論文的開(kāi)題，確定論文的框架，形成最終的論文，每個(gè)環(huán)節都包含著(zhù)陳老師的指導和關(guān)懷。陳老師嚴謹的科學(xué)態(tài)度和為人師表的高尚品格對我產(chǎn)生了深遠的影響。在生活上，陳老師會(huì )經(jīng)常的和我們分享他的人生經(jīng)驗，深深的影響著(zhù)我，讓我受益終生。在此，向陳老師表示衷心的感謝。

　　同時(shí)，還要感謝課題組的王一-帆老師。在我承擔項目的過(guò)程中，幫我解決項目中的難題，教我解決問(wèn)題的方法，教我相關(guān)的知識技能。在我撰寫(xiě)論文的過(guò)程中。給予我關(guān)懷指導。使我能順利完成課題研究和論文撰寫(xiě)工作。

　　然后，也要感謝實(shí)驗室的"大家長(cháng)"賈慶軒教授。賈老師為我們提供了良好的工作環(huán)境和實(shí)驗條件，且他坦誠為人、踏實(shí)做事的處事風(fēng)格潛移默化的影響了我。

　　其次。感謝實(shí)驗室的所有同學(xué)們，我們一起在項目和科研中共同學(xué)習共同成長(cháng)，愿各位同學(xué)前程似錦。

　　另外，最要感謝的就是我的家人，感謝你們這么多年對我的支持和鼓勵，一直在我身后永遠給我最有力量的支持，有了你們，我才可以- -直堅持著(zhù)，不斷的鞭策自己，奮發(fā)向上，不斷進(jìn)取。

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