一种抓钢机械的操作技能仿真培训系统的制作方法

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种抓钢机械的操作技能仿真培训系统。

技术背景

随着工业技术的飞速发展，我国已成为世界工业制造大国已成不争事实，不可忽视的是，工业废钢铁的产生量也非常巨大，如何高效率的收集、搬运废钢料也就成为了一个非常重要的问题。随着工程机械技术的发展和应用而产生的抓钢机高效率地解决了该问题，抓钢机能在各种恶劣工作条件下抓取各种大体积、大重量、不规则的废旧钢铁，因此被广泛应用于钢铁厂、港口、废旧钢铁收集中心，进行废旧钢铁的装卸以及堆垛作业。由此，越来越多的抓钢机械在各种场合得到了使用，随之而来的是对抓钢机械操作人员的需求增加。

目前来说，抓钢机械的相关操作人员的操作技能培训大多以师徒的形式在真实工作岗位上进行一对一手把手的传授方式进行，这种培训方式存在着高成本、高能耗、不环保、高风险、低效率等问题，这样就造成学员的实践操作技能得不到较好的训练，因此，在教学实践过程中，迫切需要有一种能兼顾培训效果和资源投入的培训设备和方式来改善该困境。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有方案中存在的上述问题，提供一种兼顾训练效果和资源投入的抓钢机械的操作技能仿真培训系统。

本发明的技术方案是：本发明是一种抓钢机械的操作技能仿真培训系统，由六自由度运动平台系统、抓钢机驾驶员座椅、抓钢机操作机构、操作信号采集器、仿真计算机、三维仿真软件、大屏幕电视机、显示器支架组成；抓钢机驾驶员座椅、抓钢机操作机构和显示器支架置于六自由度运动平台之上且与平台刚性连接，大屏幕电视机固定在显示器支架上，抓钢机操作机构信号输出端口接操作信号采集器的信号输入端口，操作信号采集器的信号输出端口接485总线，485总线通过485-usb转换器接仿真计算机的usb接口，仿真计算机通过hdmi接口接大屏幕电视机，六自由度运动平台系统的控制信号输入端口与485总线连接；三维仿真软件在osg+vortex平台进行开发并运行于仿真计算机之上；操作信号采集器实时接收抓钢机操作机构的操纵信号，然后通过485总线将其发送至仿真计算机，运行于仿真计算机的三维仿真软件获取到操作数据后，由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎vortex对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括抓钢机车体与环境的碰撞、被抓钢材的形变、废旧钢材堆上钢材的翻滚、钢材从抓斗掉落等物理行为进行计算，然后由三维图形引擎osg对虚拟场景中各物体位置、图形进行更新并输出给大屏幕电视机显示，在虚拟环境中完成抓钢机的操纵动作以及虚拟场景中各物体的干涉响应，同时，仿真软件将vortex计算得出的虚拟场景中抓钢机车体姿态数据通过485总线发送给六自由度运动平台系统，六自由度运动平台系统同步产生与虚拟抓钢机车体同样的姿态变化动作，使处于运动平台之上的操作者感受到真实的颠簸，软件同步播放相应音效文件。

三维仿真软件在osg+vortex软件平台上进行开发，虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括抓钢机车体与环境的碰撞、被抓钢材的形变、废旧钢材堆上钢材的翻滚、钢材从抓斗掉落等物理行为的计算由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎vortex完成，虚拟场景的图形刷新、图像效果、声音播放由三维图形引擎osg完成，三维仿真软件包括设备通讯模块、三维模型驱动模块、抓钢机车体仿真模块、抓钢机抓斗仿真模块、场景物体碰撞干涉处理模块、抓钢机三维模型、地形场景模块、声音播放模块、光线调节模块、烟雾控制模块。

虚拟场景中抓钢机车体及行走机构的仿真调用vortex系统的车辆模块vxvehicle实现，虚拟场景中车体姿态数据、与环境的碰撞等物理行为由vxvehicle及相应vortex内置函数进行准确计算，并将虚拟车体的姿态数据输出至六自由度平台系统。

三维仿真软件中抓钢机的抓斗机构的仿真调用vortex的抓取模块vxgrasp实现，软件调用vxgrasp抓取模块的函数包计算抓斗与被抓取钢材的碰撞干涉等物理响应，完成虚拟环境中抓斗抓取废旧钢材的过程。

抓钢机的动臂、回转机构、斗杆的主要运动部件之间的机械约束调用vortex的约束类vxconstraint来实现，完成臂架的回转、动臂和斗杆的张合等动作。

六自由度运动平台系统包括六自由度运动平台和运动平台控制器，六自由度运动平台采用stewart结构平台，驱动机构采用电动缸，运动平台控制器用于六自由度运动平台的运动控制，它根据vortex的车辆模块vxvehicle下发的车体姿态数据完成平台的运动控制，运动平台控制器通过485总线与仿真计算机相连。当设备通讯软件模块接收到操作信号采集器发送过来的行走控制指令后，vortex的车辆模块vxvehicle根据指令驱动抓钢机在虚拟场景中行走，同时根据地形数据以及车体行走响应，得到虚拟场景中抓钢机车体六个自由度的姿态数据，然后将该数据通过设备通讯模块经由485总线发送给运动平台控制器，运动平台控制器收到姿态数据后，控制各电动缸动作，产生六个自由度的运动，模拟出抓钢机行进过程中因不平整地形引起的颠簸和抓钢机工作过程中产生的车体姿态变化，从而在最大程度上给操作者提供模拟训练的真实感和临场感。

抓钢机操作机构包括方向操纵装置、刹车控制踏板、油门控制踏板、动臂及抓斗操作手柄、回转及斗杆操作手柄，上述操作部件均选用电信号输出型号，操作信号采集器采集操作机构产生的控制指令。

抓钢机三维模型采用三维建模软件3dmax以1:1的比例建立，并导出其ive格式文件，供三维模型驱动模块调用。

与现有技术相比，本发明的优点在于：相对于当前的培训手段，本装置采用计算机图形图像技术和虚拟现实技术，以半实物半虚拟的方式来进行人员的操作技能训练，具有占地面积小，能源消耗较少，材料消耗小，噪音小，操作直观，培训效果好等特点，区别于现有的抓钢机操作仿真培训装置，本发明采用经大量军事及航天领域应用验证过的成熟的多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎vortex进行开发，vortex将仿真环境中的模型分为几何模型、碰撞模型和动力学模型，虚拟场景中的仿真对象具有几何信息、质量、速度、惯性和摩擦等物理属性，vortex调用仿真引擎内置函数包根据仿真对象自身内在物理属性进行计算而产生相应响应，使虚拟场景中的仿真对象的运动符合牛顿运动定律，基于vortex的仿真系统精确的考虑各种复杂虚拟现实场景中物体的动力学效应（包括物体与物体之间的相互作用以及物体与复杂场景环境的耦合动力学），vortex自带的函数包能准确的计算抓钢机车体与环境的碰撞、被抓钢材的形变、废旧钢材堆上钢材的翻滚、钢材从抓斗掉落等真实物理行为，最大程度的保证虚拟仿真场景中各物理现象的真实感；采用六自由度运动平台模拟抓钢机车体颠簸，极大程度的提高了虚拟仿真训练时的临场感。

附图说明

图1为本发明的部件布置结构图。

图2为本发明的系统电气连接关系图。

图3为本发明的系统控制原理图。

图4为本发明的操作信号采集器结构图。

图5为本发明的三维仿真软件结构图。

图6为本发明的软件工作流程图。

图中标号说明：1、六自由度运动平台；2、抓钢机驾驶员座椅；3、抓钢机操作机构；4、操作信号采集器；5、仿真计算机；6、大屏幕电视机；7、显示器支架；8、运动平台控制器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

一种抓钢机械的操作技能仿真培训系统，由六自由度运动平台系统、抓钢机驾驶员座椅、抓钢机操作机构、操作信号采集器、仿真计算机、三维仿真软件、大屏幕电视机、显示器支架组成；抓钢机驾驶员座椅、抓钢机操作机构和显示器支架置于六自由度运动平台之上且与平台刚性连接，大屏幕电视机固定在显示器支架上，抓钢机操作机构信号输出端口接操作信号采集器的信号输入端口，操作信号采集器的信号输出端口接485总线，485总线通过485-usb转换器接仿真计算机的usb接口，仿真计算机通过hdmi接口接大屏幕电视机，六自由度运动平台系统的控制信号输入端口与485总线连接；三维仿真软件在osg+vortex平台进行开发并运行于仿真计算机之上；操作信号采集器实时接收抓钢机操作机构的操纵信号，然后通过485总线将其发送至仿真计算机，运行于仿真计算机的三维仿真软件获取到操作数据后，由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎vortex对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括抓钢机车体与环境的碰撞、被抓钢材的形变、废旧钢材堆上钢材的翻滚、钢材从抓斗掉落等物理行为进行计算，然后由三维图形引擎osg对虚拟场景中各物体位置、图形进行更新并输出给大屏幕电视机显示，在虚拟环境中完成抓钢机的操纵动作以及虚拟场景中各物体的干涉响应，同时，仿真软件将vortex计算得出的虚拟场景中抓钢机车体姿态数据通过485总线发送给六自由度运动平台系统，六自由度运动平台系统同步产生与虚拟抓钢机车体同样的姿态变化动作，使处于运动平台之上的操作者感受到真实的颠簸，软件同步播放相应音效文件。

三维仿真软件在osg+vortex软件平台上进行开发，虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动包括抓钢机车体与环境的碰撞、被抓钢材的形变、废旧钢材堆上钢材的翻滚、钢材从抓斗掉落等物理行为的计算由多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎vortex完成，虚拟场景的图形刷新、图像效果、声音播放由三维图形引擎osg完成，三维仿真软件包括设备通讯模块、三维模型驱动模块、抓钢机车体仿真模块、抓钢机抓斗仿真模块、场景物体碰撞干涉处理模块、抓钢机三维模型、地形场景模块、声音播放模块、光线调节模块、烟雾控制模块。

虚拟场景中抓钢机车体及行走机构的仿真调用vortex系统的车辆模块vxvehicle实现，虚拟场景中车体姿态数据、与环境的碰撞等物理行为由vxvehicle及相应vortex内置函数进行准确计算，并将虚拟车体的姿态数据输出至六自由度平台系统。

三维仿真软件中抓钢机的抓斗机构的仿真调用vortex的抓取模块vxgrasp实现，软件调用vxgrasp抓取模块的函数包计算抓斗与被抓取钢材的碰撞干涉等物理响应，完成虚拟环境中抓斗抓取废旧钢材的过程。

虚拟场景中抓钢机车体及行走机构的仿真调用vortex系统的车辆模块vxvehicle实现，虚拟场景中车体姿态数据、与环境的碰撞等真实物理行为由vortex多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎进行准确计算，并将车体姿态数据输出至六自由度平台控制器。

三维仿真软件中抓钢机的抓斗机构的仿真调用vortex的抓取模块vxgrasp实现，软件调用vxgrasp抓取模块的函数包计算抓斗与被抓取钢材的碰撞干涉等物理响应，完成虚拟环境中抓斗抓取废旧钢材的过程。

抓钢机的动臂、回转机构、斗杆的主要运动部件之间的机械约束调用vortex的约束类vxconstraint来实现，完成臂架的回转、动臂和斗杆的张合等动作。

六自由度运动平台系统包括六自由度运动平台和运动平台控制器，六自由度运动平台采用stewart结构平台，驱动机构采用电动缸，运动平台控制器用于六自由度运动平台的运动控制，它根据vortex的车辆模块vxvehicle下发的车体姿态数据完成平台的运动控制，运动平台控制器通过485总线与仿真计算机相连。当设备通讯软件模块接收到操作信号采集器发送过来的行走控制指令后，vortex的车辆模块vxvehicle根据指令驱动抓钢机在虚拟场景中行走，同时根据地形数据以及车体行走响应，得到虚拟场景中抓钢机车体六个自由度的姿态数据，然后将该数据通过设备通讯模块经由485总线发送给运动平台控制器，运动平台控制器收到姿态数据后，控制各电动缸动作，产生六个自由度的运动，模拟出抓钢机行进过程中因不平整地形引起的颠簸和抓钢机工作过程中产生的车体姿态变化，从而在最大程度上给操作者提供模拟训练的真实感和临场感。

抓钢机操作机构包括方向操纵装置、刹车控制踏板、油门控制踏板、动臂及抓斗操作手柄、回转及斗杆操作手柄，上述操作部件均选用电信号输出型号，操作信号采集器采集操作机构产生的控制指令。

抓钢机三维模型采用三维建模软件3dmax以1:1的比例建立，并导出其ive格式文件，供三维模型驱动模块调用。

系统工作过程包括初始化、抓钢机整机调整、装卸过程。

初始化：操作者启动仿真培训系统，经过抓钢机机型以及作业场地配置选择后，系统进入仿真培训操作界面，软件通过地形场景模块生成地形数据和待装卸废旧钢材，六自由度运动平台姿态控制模块向运动平台控制器发送中位姿态数据，运动平台控制器控制六自由度运动平台回到中位初始状态。

抓钢机整机调整：操作者根据驾驶及操作技术要求操纵抓钢机的方向操纵装置、刹车控制踏板、油门控制踏板，操作信号采集器实时地获取方向操纵装置、刹车控制踏板、油门控制踏板输送来的控制信号，将其转换成数字指令后通过485总线将数据发送至仿真计算机端，仿真软件接收到操作信号采集器发送来的控制指令，通过vortex的多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动如车体与环境的碰撞等物理行为进行计算，调用vortex平台的车辆模块vxvehicle对抓钢机车体进行仿真计算，然后根据计算得到的数据由osg三维图形引擎的各功能模块对抓钢机在场景中的位置和抓钢机行进过程中机体与环境物体接触碰撞效果进行一帧的刷新，并通过大屏幕电视机进行实时显示，从而实现虚拟场景中抓钢机的行走，同时，将车辆模块vxvehicle计算出来的抓钢机在虚拟场景中的姿态数据发送至运动平台控制器控制六自由度运动平台动作，实时模拟出抓钢机在行进过程中的六个自由度的姿态变化即车体颠簸，并由声音播放模块播放前期录制好的抓钢机行进时的轰鸣声，软件进入下一帧的刷新循环，直至在虚拟场景中将抓钢机移动至待装卸废旧钢材附近。

装卸过程：首先操纵动臂、回转、斗杆操作手柄，操作信号采集器检测到各手柄传送来的操作信号，通过485总线发送至仿真计算机，仿真平台接收到操作数据，vortex的约束类vxconstraint函数根据操作数据驱动虚拟场景中抓钢机的动臂、回转机构和斗杆的关节运动完成回转合臂系运动，同时通过vortex多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动的物理行为进行计算，再通过osg三维模型驱动模块对抓钢机的臂系机构包括与之连接的抓斗的位置及臂系和其连接机构在运动过程中与周围环境的碰撞效果进行更新，直至在虚拟场景中将臂系调整至待装卸废旧钢材处；然后控制抓斗手柄配合臂系操作手柄，进行虚拟场景中废旧钢材的抓取和提升，虚拟场景中抓斗机构的仿真调用vortex的抓取模块vxgrasp实现，软件调用vxgrasp抓取模块的函数包计算抓斗与被抓取钢材的碰撞干涉等物理响应，vortex多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎对虚拟场景中各物体之间的物理接触及运动如被抓钢材的形变、废旧钢材堆上钢材的翻滚、钢材从抓斗掉落等物理行为进行计算，osg三维图形引擎的各功能模块对上述过程进行图形刷新；紧接着操纵行走机构在虚拟场景中将整机移动至卸货目标位置，这一过程与前述虚拟场景中整机调整工作过程一致；接下来操纵动臂、回转、斗杆操作手柄将虚拟场景中臂系调整至卸货目标位置区域后，操纵抓斗手柄打开抓斗，在虚拟场景中将所抓取的废旧钢材卸下，此时，仿真平台通过vortex多体动力学和碰撞检测实时仿真引擎计算，得到与真实情境中钢材碰撞、翻滚等物理现象，并通过osg三维图形引擎的各功能模块在虚拟场景中显示出来，完成虚拟场景中抓钢机装卸过程的仿真操作。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。