機(jī)器人航天員雙臂操作仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

熊明華，張曉東，肖 濤，王耀兵

（空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

機(jī)器人航天員雙臂操作仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

熊明華，張曉東，肖 濤，王耀兵

（空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

針對(duì)機(jī)器人航天員復(fù)雜操作場(chǎng)景下的任務(wù)規(guī)劃和仿真驗(yàn)證問題，基于仿真模塊集成化的設(shè)計(jì)思想，集成通信模塊、任務(wù)調(diào)度管理模塊、路徑規(guī)劃模塊、力控制模塊、碰撞檢測(cè)模塊、雙臂3D幾何模型，通過OSG建立了實(shí)體模型及仿真場(chǎng)景，并建立插拔、抓握、對(duì)準(zhǔn)、旋擰、搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移等典型操作庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人航天員雙臂多種復(fù)雜操作任務(wù)的仿真。最后，通過機(jī)器人航天員搬運(yùn)物體任務(wù)仿真實(shí)現(xiàn)雙臂協(xié)調(diào)操作任務(wù)規(guī)劃的仿真，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和任務(wù)規(guī)劃驗(yàn)證的合理性。

雙臂機(jī)器人；路徑規(guī)劃；碰撞檢測(cè)；一體化仿真

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)圖形處理能力的提升，實(shí)時(shí)三維可視化仿真成為機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制仿真驗(yàn)證的重要工具［1］。基于仿真模塊集成化設(shè)計(jì)思想而開發(fā)的機(jī)器人航天員雙臂操作一體化仿真系統(tǒng)，可有效指導(dǎo)空間機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)的仿真驗(yàn)證［2］。在該領(lǐng)域已經(jīng)有許多研究，Burdea［3］基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了Puma560模型并進(jìn)行目標(biāo)抓取力的仿真驗(yàn)證；Xu Hua［4］設(shè)計(jì)了一種雙臂機(jī)器人的圖形化編程和仿真控制系統(tǒng)，用戶通過圖形編程對(duì)機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，可在三維仿真環(huán)境中分析規(guī)劃結(jié)果；周軍［5］針對(duì)冗余度雙臂機(jī)器人進(jìn)行軸孔裝配的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束關(guān)系，對(duì)冗余雙臂機(jī)器人的軸孔裝配作業(yè)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真驗(yàn)證；Univ Malaya［6］建立一個(gè)集成的三維模擬軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間并解決機(jī)器人的編程問題，具備在虛擬現(xiàn)實(shí)和三維機(jī)器人真實(shí)環(huán)境中傳遞和優(yōu)化數(shù)據(jù)的功能。

以上研究都是針對(duì)雙臂機(jī)器人某單一作業(yè)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃仿真，而實(shí)際的機(jī)器人航天員雙臂操作任務(wù)是對(duì)機(jī)械臂單臂運(yùn)動(dòng)和雙臂協(xié)調(diào)操作的綜合，是由一系列基本動(dòng)作序列組成的，這些基本序列涉及到單臂的路徑規(guī)劃、抓取物體和雙臂之間的協(xié)調(diào)操作。機(jī)器人的動(dòng)作很多具有相同的性質(zhì)，因此將相似的動(dòng)作看作一個(gè)基本動(dòng)作單元，通過調(diào)用基本動(dòng)作單元，并按特定順序組合就可完成復(fù)雜的任務(wù)，從而基于仿真模塊集成化實(shí)現(xiàn)任務(wù)仿真。因此，本文基于機(jī)器人航天員雙臂操作任務(wù)分解和動(dòng)作規(guī)劃為基礎(chǔ)，在 Visual Studio 2010的開發(fā)平臺(tái)下，以C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各主要算法，利用開源三維引擎OSG（Open Scene Graph）建立雙臂機(jī)器人模型、基本動(dòng)作庫(kù)及工作環(huán)境，通過模塊化的設(shè)計(jì)思想，集成了機(jī)器人航天員雙臂操作的幾大關(guān)鍵模塊，開發(fā)出一套集協(xié)調(diào)操作規(guī)劃、三維可視化處理、機(jī)器人力控制及碰撞檢測(cè)于一體化的仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 一體化仿真系統(tǒng)總體方案

通過機(jī)器人航天員雙臂操作任務(wù)需求分析，在覆蓋所需功能需求的基礎(chǔ)上，建立了完整的機(jī)器人航天員雙臂操作的一體化仿真系統(tǒng)，主要包括任務(wù)調(diào)度管理模塊、路徑規(guī)劃模塊、力控制模塊、碰撞檢測(cè)模塊、通信模塊、視覺模塊及三維仿真模塊等，集成仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各模塊功能如下：

1）任務(wù)調(diào)度管理模塊：該仿真系統(tǒng)最主要的模塊之一，在實(shí)際控制中，主要負(fù)責(zé)底層任務(wù)規(guī)劃；任務(wù)調(diào)度管理模塊從指令接收模塊中獲取當(dāng)前任務(wù)的信息，結(jié)合接收到的機(jī)器人視覺／力測(cè)量數(shù)據(jù)和規(guī)劃庫(kù)來(lái)完成操作人員設(shè)定的相關(guān)任務(wù)；

2）路徑規(guī)劃模塊：主要包括單臂笛卡爾空間路徑規(guī)劃、關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃、雙臂協(xié)調(diào)操作及避障路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃算法采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，形成雙臂機(jī)器人動(dòng)作的基本規(guī)劃庫(kù)，并以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式供任務(wù)調(diào)度管理模塊進(jìn)行調(diào)用；

3）力控制模塊：主要完成機(jī)器人的柔順控制任務(wù)，根據(jù)機(jī)器人力傳感器反饋信息與任務(wù)規(guī)劃中理想力矩的差值，調(diào)用自適應(yīng)阻抗控制算法庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的力位混合控制；

4）碰撞檢測(cè)模塊：根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的當(dāng)前位置與狀態(tài)，判斷是否與自身及周圍物體碰撞；

5）通信模塊：數(shù)據(jù)通信模塊主要完成對(duì)機(jī)器人航天員控制過程中指令的收發(fā)，以及實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理、三維仿真、視覺模塊等外部單元之間的數(shù)據(jù)交互，操作輸入端、數(shù)據(jù)管理以及三維仿真通過以太網(wǎng)與任務(wù)調(diào)度管理模塊進(jìn)行通信；

6）視覺模塊：機(jī)器人航天員的視覺處理模塊，一方面用于拍攝視覺圖像，作為操作人員的操作輸入；另一方面用于測(cè)量目標(biāo)位姿，作為路徑規(guī)劃的依據(jù)；

7）三維仿真模塊：實(shí)現(xiàn)三維仿真環(huán)境建模，增強(qiáng)臨場(chǎng)感，提升人機(jī)交互體驗(yàn)。

3 關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為完成搭建機(jī)器人航天員雙臂操作任務(wù)仿真，本文重點(diǎn)對(duì)操作任務(wù)仿真所必需的三維仿真模塊、任務(wù)調(diào)度管理模塊、雙臂協(xié)調(diào)操作路徑規(guī)劃模塊進(jìn)行論述，力控制模塊、視覺等模塊可參考文獻(xiàn)［5］等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1三維仿真模塊

OSG是一套基于C＋＋平臺(tái)的應(yīng)用程序接口，能夠快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形程序。通過OSG可繪制出逼真的三維仿真環(huán)境，增強(qiáng)操作員的臨場(chǎng)感，提升控制單元的人機(jī)交互體驗(yàn)。因此，本模塊基于OSG接口，采用Open?GL技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，模型創(chuàng)建流程如下：

1）將基于PROE軟件繪制出的機(jī)器人航天員模型導(dǎo)出至3DMAX中，并進(jìn)行渲染；

2）完成渲染后，保存并導(dǎo)出3ds格式文件；

3）將3ds格式文件導(dǎo)入OSG，創(chuàng)建組織節(jié)點(diǎn)，并獲取其參考坐標(biāo)系，通過確定各節(jié)點(diǎn)之間的父子關(guān)系即矩陣變換，使其在三維空間中組裝成期望的仿真模型；

4）設(shè)置關(guān)節(jié)角度的驅(qū)動(dòng)變量，建立模型驅(qū)動(dòng)接口。

其中，三維模型建立過程為首先建立運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)矩陣，之后進(jìn)行模型導(dǎo)入及裝配，其基本流程簡(jiǎn)述如下：

1）根據(jù)機(jī)器人航天員各組合體坐標(biāo)系創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)矩陣，并關(guān)聯(lián)坐標(biāo)系模型，使關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)系模型與建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)坐標(biāo)系完全一致；

2）將所有三維模型讀入到三維可視化軟件中，使之關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的模型節(jié)點(diǎn)，讀入所有模型成功后轉(zhuǎn)入第三步，否則給出提示；

3）為每個(gè)模型節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)一個(gè)姿態(tài)調(diào)整矩陣，通過其調(diào)整各個(gè)模型的初始姿態(tài)，直至所有模型的位置都符合要求；

4）將每個(gè)模型節(jié)點(diǎn)姿態(tài)調(diào)整矩陣關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)矩陣；

5）根據(jù)裝配關(guān)系組裝運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)矩陣；

6）將運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)矩陣關(guān)聯(lián)到OSG根節(jié)點(diǎn)中，使之能夠在OSG仿真窗口中顯示。

3.2任務(wù)調(diào)度管理模塊

任務(wù)調(diào)度管理模塊是仿真系統(tǒng)最主要的模塊之一，在實(shí)際的控制中，主要負(fù)責(zé)底層任務(wù)規(guī)劃。對(duì)于機(jī)器人航天員系統(tǒng)的某個(gè)任務(wù)，其控制過程被分解為多個(gè)步驟，任務(wù)調(diào)度管理模塊根據(jù)當(dāng)前機(jī)械臂的執(zhí)行情況來(lái)規(guī)劃下一步的執(zhí)行內(nèi)容，此時(shí)需要一個(gè)定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)規(guī)劃下一步內(nèi)容來(lái)完成任務(wù)規(guī)劃。在雙臂機(jī)器人的任務(wù)規(guī)劃階段，需要根據(jù)機(jī)器人的當(dāng)前位姿和目標(biāo)物的狀態(tài)等信息做出合適的路徑規(guī)劃方案。任務(wù)規(guī)劃過程中，任務(wù)調(diào)度管理模塊從指令收發(fā)模塊中獲取當(dāng)前任務(wù)的信息，并結(jié)合接收到的機(jī)械臂實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)完成操作人員設(shè)定的相關(guān)任務(wù)。

對(duì)于操作人員設(shè)置的具體任務(wù)，每次根據(jù)任務(wù)期望結(jié)果與當(dāng)前機(jī)械臂的狀態(tài)及當(dāng)前執(zhí)行的時(shí)間來(lái)規(guī)劃下一步操作。由于任務(wù)規(guī)劃過程中需要等待機(jī)械臂返回的實(shí)時(shí)狀態(tài)和數(shù)據(jù)以規(guī)劃下一步操作，進(jìn)而保證機(jī)械臂準(zhǔn)確安全地執(zhí)行工作，故底層任務(wù)規(guī)劃采用“等待－判別－執(zhí)行”機(jī)制來(lái)完成每份指令或數(shù)據(jù)的發(fā)送，任務(wù)調(diào)度管理模塊流程邏輯圖如2所示。

該系統(tǒng)中的控制平臺(tái)可以提前對(duì)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃和調(diào)整，通過任務(wù)調(diào)度管理模塊接口，完成任務(wù)信息的規(guī)劃。任務(wù)調(diào)度管理模塊能夠在障礙環(huán)境中規(guī)劃多個(gè)無(wú)障礙動(dòng)作序列，利用簡(jiǎn)單直線路徑規(guī)劃算法拼接復(fù)雜任務(wù)，使機(jī)械臂在軌跡規(guī)劃階段前就可以提前檢測(cè)出任務(wù)路徑中可能出現(xiàn)的障礙物并進(jìn)行躲閃。

任務(wù)調(diào)度管理模塊提供多種規(guī)劃方案，并以任務(wù)中間點(diǎn)的形式給出，以此達(dá)到躲避障礙目標(biāo)、優(yōu)化路徑的目的，降低機(jī)械臂在運(yùn)行過程中發(fā)生碰撞的可能性，提高機(jī)械臂在不同環(huán)境下的工作能力和適應(yīng)性。

任務(wù)規(guī)劃算法總體思路遵循簡(jiǎn)單路徑拼接復(fù)雜任務(wù)、添加任務(wù)中間點(diǎn)數(shù)量最小化。算法從點(diǎn)到點(diǎn)直線運(yùn)動(dòng)方案嘗試，逐步增加任務(wù)中間點(diǎn)，任務(wù)中間點(diǎn)只在遇到障礙的任務(wù)階段添加，無(wú)障礙階段保證動(dòng)作精簡(jiǎn)。具體算法如下：

1）對(duì)任務(wù)目標(biāo)點(diǎn)反解，如果目標(biāo)構(gòu)型有碰撞，則返回任務(wù)失?。?/p>

2）對(duì)任務(wù)始末點(diǎn)的末端軌跡進(jìn)行碰撞檢測(cè)，如果有碰撞則根據(jù)末端軌跡碰撞算法插入任務(wù)中間點(diǎn)。如果無(wú)碰撞，則返回任務(wù)規(guī)劃結(jié)果；

3）通過碰撞算法檢測(cè)任務(wù)中間點(diǎn)碰撞情況，如果無(wú)碰撞，則將當(dāng)前動(dòng)作按中間點(diǎn)劃分為兩個(gè)動(dòng)作，遞歸調(diào)用step2。如果有碰撞，對(duì)中間點(diǎn)增加安全距離進(jìn)行調(diào)整；

4）調(diào)整后的中間點(diǎn)如果依然碰撞，則任務(wù)失敗。否則返回規(guī)劃結(jié)果；

5）路徑規(guī)劃中，當(dāng)遇到障礙，則增加中間點(diǎn)，并進(jìn)入step3。

3.3雙臂協(xié)調(diào)路徑規(guī)劃模塊

機(jī)器人航天員雙臂操作具有類人雙臂的特點(diǎn)，可以代替或協(xié)助人類完成工具組裝、更換等復(fù)雜作業(yè)。通過對(duì)雙臂系統(tǒng)任務(wù)操作分析，可得出雙臂系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中需進(jìn)行的基本操作包括：插拔、抓握、對(duì)準(zhǔn)、旋擰、搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移等。通過對(duì)雙臂機(jī)器人系統(tǒng)的基本操作特點(diǎn)進(jìn)行分析，可以將基本操作劃分為兩大類：

第一類：雙臂機(jī)器人系統(tǒng)雙臂末端有相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，比如插拔、旋擰等；

第二類：雙臂機(jī)器人系統(tǒng)雙臂末端無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，比如搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移等。不同的運(yùn)動(dòng)方式將得到不同的位置、速度和加速度約束方程。

路徑規(guī)劃模塊主要包括：?jiǎn)伪鄣芽柨臻g路徑規(guī)劃、關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃；雙臂協(xié)調(diào)操作及避障路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃算法采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)形式進(jìn)行調(diào)用。各路徑規(guī)劃函數(shù)的輸入輸出概括如下：

1）單臂笛卡爾空間路徑規(guī)劃以機(jī)械臂初始和目標(biāo)位姿為輸入，以機(jī)械臂關(guān)節(jié)角序列為輸出；關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃函數(shù)以機(jī)械臂初始及目標(biāo)關(guān)節(jié)角序列為輸入，以規(guī)劃后的關(guān)節(jié)角序列為輸出；

2）雙臂協(xié)調(diào)操作包括雙臂笛卡爾空間及雙臂關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃。其中，雙臂笛卡爾空間路徑規(guī)劃以雙臂運(yùn)動(dòng)模式，初始位姿及目標(biāo)位姿為輸入，以雙臂關(guān)節(jié)角序列為輸出；雙臂關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃以左右臂初始及目標(biāo)關(guān)節(jié)角序列為輸入，以規(guī)劃后的關(guān)節(jié)角序列為輸出；

3）避障路徑規(guī)劃算法以避碰關(guān)鍵點(diǎn)、有障礙下運(yùn)動(dòng)方程、避碰速度為輸入，以機(jī)械臂關(guān)節(jié)角序列為輸出。

本文將雙臂復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程分解為基本的路徑規(guī)劃，在需要時(shí)進(jìn)行調(diào)用。在雙臂機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，得到系統(tǒng)的正逆解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，進(jìn)而可以按照?qǐng)D3所示的基本流程調(diào)用軌跡規(guī)劃模塊，實(shí)現(xiàn)雙臂協(xié)調(diào)操作。

3.4碰撞檢測(cè)模塊

碰撞檢測(cè)模塊作為仿真驗(yàn)證平臺(tái)的重要組成單元，主要檢測(cè)在仿真環(huán)境中檢測(cè)場(chǎng)景內(nèi)各個(gè)物體之間是否會(huì)發(fā)生碰撞，完善仿真驗(yàn)證環(huán)境的真實(shí)性，從而避免機(jī)器人航天員雙臂在路徑規(guī)劃過程中可能會(huì)發(fā)生雙臂之間、臂與基座以及所在空間外部障礙物之間的碰撞情況。

為簡(jiǎn)化模型，采用長(zhǎng)方體和圓柱體兩種簡(jiǎn)化模型代替桿件，球形簡(jiǎn)化模型代替障礙物，繼而運(yùn)用空間幾何和最優(yōu)化理論中的可行方向法得出圓柱體與球體、圓柱體與圓柱體、長(zhǎng)方體與球體、長(zhǎng)方體與長(zhǎng)方體四種類型的最短距離計(jì)算方法，最后將其應(yīng)用于桿件與障礙物、桿件與桿件之間的碰撞檢測(cè)中。

整個(gè)機(jī)器人航天員雙臂操作的碰撞檢測(cè)流程如圖4所示。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證機(jī)器人航天員仿真平臺(tái)的有效性及在機(jī)械臂研究應(yīng)用方面的可行性，設(shè)計(jì)機(jī)器人航天員雙臂協(xié)調(diào)操作搬運(yùn)物體任務(wù)。任務(wù)要求如下：機(jī)器人航天員將一個(gè)物體從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，保證雙臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即需要位置控制實(shí)現(xiàn)雙臂末端保持一定的相對(duì)位姿；為了保證物體不會(huì)掉落、損壞，通過力控制保持接觸力在某一范圍內(nèi)，任務(wù)過程如圖5所示。

根據(jù)機(jī)器人航天員雙臂協(xié)調(diào)操作搬運(yùn)物體任務(wù)需求，首先利用基于模塊化組件的通用仿真平臺(tái)搭建雙臂協(xié)調(diào)機(jī)械臂及虛擬仿真環(huán)境，根據(jù)任務(wù)路徑規(guī)劃需求，添加路徑規(guī)劃功能模塊、碰撞檢測(cè)模塊及力控制模塊。通過設(shè)計(jì)任務(wù)的仿真，驗(yàn)證模塊化通用仿真平臺(tái)的有效性。具體步驟如下：

1）創(chuàng)建模塊化組件庫(kù)。收集機(jī)器人對(duì)象及其工作環(huán)境信息，利用模塊化預(yù)處理軟件創(chuàng)建相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息問題，導(dǎo)入模塊化組件庫(kù)；

2）搭建平臺(tái)虛擬仿真工作環(huán)境。根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境布置需求，設(shè)置環(huán)境節(jié)點(diǎn)安裝參數(shù)，完成平臺(tái)環(huán)境節(jié)點(diǎn)布置；

3）搭建仿真機(jī)器人對(duì)象。利用機(jī)器人節(jié)點(diǎn)信息文件，搭建平臺(tái)機(jī)器人對(duì)象；

4）仿真平臺(tái)環(huán)境檢驗(yàn)。在平臺(tái)仿真環(huán)境搭建完成后，對(duì)機(jī)器人及工作環(huán)境信息進(jìn)行校驗(yàn)，利用靜態(tài)分析單元對(duì)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，保證虛擬仿真環(huán)境的正確性；

5）添加路徑規(guī)劃、碰撞檢測(cè)及力控制模塊，并進(jìn)行相應(yīng)的功能測(cè)試。

在仿真環(huán)境搭建完成后，利用本平臺(tái)進(jìn)行機(jī)器人航天員雙臂協(xié)調(diào)搬運(yùn)物體任務(wù)驗(yàn)證。首先，機(jī)器人航天員雙臂運(yùn)動(dòng)到夾持位置，夾緊搬運(yùn)物體，采用雙臂協(xié)調(diào)路徑規(guī)劃算法，將其搬運(yùn)至目標(biāo)點(diǎn)，此過程需要考慮雙臂力位混合控制，同時(shí)雙臂末端無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，保證在搬運(yùn)過程中不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力，任務(wù)仿真過程如圖6、圖7所示。

構(gòu)型規(guī)劃總時(shí)間為20 s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.05 s。規(guī)劃過程中的關(guān)節(jié)角速度如圖8所示。

雙臂將搬運(yùn)物體要求誤差為0.1 mm，根據(jù)圖9所示仿真的結(jié)果，雙臂將搬運(yùn)物體搬運(yùn)到目標(biāo)位置后，最大角度誤差為0.68×10－7。產(chǎn)生的機(jī)械臂末端誤差在允許范圍內(nèi)。雙臂機(jī)器人的末端到達(dá)了指定位姿，完成了雙臂機(jī)器人系統(tǒng)搬運(yùn)物體的全部任務(wù)。

5 結(jié)論

本文采用仿真模塊集成化設(shè)計(jì)思想建立了一體化仿真系統(tǒng)，集成了任務(wù)調(diào)度管理、雙臂協(xié)調(diào)操作規(guī)劃、三維可視化、力控制和碰撞檢測(cè)等功能模塊，通過調(diào)用雙臂協(xié)調(diào)典型操作庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人航天員雙臂協(xié)調(diào)搬運(yùn)操作任務(wù)仿真，仿真結(jié)果表明，本文建立的機(jī)器人航天員任務(wù)仿真驗(yàn)證平臺(tái)可有效的實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂應(yīng)用可行性驗(yàn)證和任務(wù)規(guī)劃合理性驗(yàn)證。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Research and Realization of Integrated Simulation System for Robonaut Dual?arm Manipulation

XIONG Minghua，ZHANG Xiaodong，XIAO Tao，WANG Yaobing

（Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Institute of Spacecraft System Engineering CAST，Beijing 100094，China）

An integrated simulation system for dual?arm robonaut was developed in the paper to deal with the mission planning and validation problems in the complicated scenarios.Based on the modu?lar design concept，the simulation system was composed of the communication module，task schedu?ling management module，path planning module，dynamic control module，3D geometric model and collision detection module.The simulation scenarios were created by OSG（Open Scene Graph）. Then，the missions of the dual?arm manipulator were divided into a series of basic movements such as the plug，grasp，screw，transport，and the simulation of the complicated mission was realized by using the special combination of the basic movements.Finally，the algorithms of coordinated dual?arm robot was verified by the mission of transporting objects.The results demonstrated the effective?ness of the system and verified the feasibility of mission planning.

dual?arm robot；path planning；collision detection；integrated simulation

TP242.3

：A

：1674?5825（2017）02?0150?06

2015?11?02；

2016?08?08

國(guó)家自然科學(xué)基金（61573058）

熊明華，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)器人技術(shù)。E?mail：13910830761＠139.com