在中国空间站建造与运营过程中,为提高在轨操作任务执行效率及安全性,需利用空间机械臂辅助或替代航天员完成在轨操作任务,这使得空间机械臂成为中国空间站建设运营过程中必不可少的关键设备。由于特殊的空间环境、复杂且繁重的在轨操作任务对空间机械臂地面操控人员,即飞控岗位人员,提出了更高的要求,且空间机械臂结构复杂、缺少地面实物训练平台,传统的岗位训练系统和机制难以适应空间机械臂这类复杂系统的培训需求,因此亟需构建符合当前飞控岗位培训的任务需求的空间机械臂任务虚拟训练系统,提高岗位培训效率,降低岗位培训成本,这对中国空间站建设和机械臂任务虚拟培训领域发展具有重要的工程价值及实际意义。本文拟针对空间机械臂任务虚拟训练系统的虚拟岗位培训机制、虚拟场景中机械臂碰撞检测和接触力反馈等问题开展研究工作,具体研究内容如下:首先,开展基于虚拟现实的空间站机械臂任务虚拟训练系统软件架构设计。通过对虚拟训练系统进行功能需求和性能需求分析,确定该训练系统所需功能模块以及对应的性能指标;基于经典MVC系统架构模式,结合训练系统的需求分析结果,设计训练系统的视图层、控制层和模型层,基于封装分层思想降低系统模块间的耦合度,提高系统的灵活度和扩展性;根据虚拟训练系统的需求分析与架构设计划分系统功能模块单元,并设计其工作流程;分析空间机械臂典型在轨任务特点,制定各任务的考核指标和考核流程。其次,进行虚拟场景中机械臂碰撞检测方法研究。基于混合包围盒八叉树研究碰撞检测算法,对空间机械臂模型和空间站舱体模型进行预处理,构建基于模型点云文件的混合包围盒八叉树,以其为基础设计并实现虚拟训练系统碰撞检测算法;针对机械臂单一构型和机械臂连续运动两种情况,分别设计基于深度优先搜索算法和双向广度搜索算法的机械臂单一构型碰撞检测算法以及基于时空相关性的机械臂连续运动碰撞检测算法,提高虚拟训练系统中碰撞检测算法的计算效率。再次,完成基于弹簧-阻尼模型的机械臂力反馈系统研究。针对虚拟训练系统中图形渲染和力渲染的同步问题,对力反馈系统进行总体架构设计、力反馈设备选型和工作流程设计;将碰撞检测算法与弹簧-阻尼模型结合,计算模型接触时的接触力;设计并开展实验验证力反馈系统和力反馈算法的有效性和鲁棒性。最后,为验证虚拟训练系统对岗位训练的有效性,展示本文研制的空间机械臂任务虚拟训练系统在机械臂操作岗位培训领域的应用价值,搭建以天和机械臂系统为对象的虚拟训练系统,并针对本文所设计的虚拟场景中空间机械臂碰撞检测算法和力反馈系统,设计对应的操作任务培训实验,验证算法和训练系统的准确性及有效性。