王瑞利 丁慶增

基于OpenGL的3－RSS/S并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)態(tài)仿真

王瑞利1丁慶增2

（1. 黃河科技學(xué)院工學(xué)院 鄭州450063；2. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司 鄭州450002）

通過(guò)對(duì)機(jī)器人仿真技術(shù)的探討，開發(fā)一個(gè)成功的機(jī)器人仿真系統(tǒng)需要強(qiáng)有力的開發(fā)工具，在VC++6.0仿真軟件開發(fā)平臺(tái)上，基于OpenGL聯(lián)合開發(fā)了一套3-RSS/S型并聯(lián)機(jī)器人的仿真系統(tǒng)軟件，并對(duì)該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)現(xiàn)原理做了詳細(xì)的介紹。

并聯(lián)機(jī)器人 計(jì)算機(jī)仿真 OpenGL

隨著機(jī)器人研究的不斷深入和機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展,機(jī)器人仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的安全可靠、靈活方便的工具,發(fā)揮著重要的作用。本文通過(guò)對(duì)3－RSS/S并聯(lián)機(jī)器人的三維實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的研究、開發(fā)和分析，探討了在Windows環(huán)境下利用OpenGL和VisualC++混合編程,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的具體方法和步驟。

1 仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性的有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，揭示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過(guò)程中的問題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。

要開發(fā)一個(gè)成功的機(jī)器人仿真系統(tǒng)，需要強(qiáng)而有力的開發(fā)工具。在眾多的開發(fā)工具中，OpenGL是非常實(shí)用方便的一種。OpenGL被計(jì)算機(jī)工業(yè)界認(rèn)為是當(dāng)前最先進(jìn)的三維圖形API，幾乎所有的三維圖形都能見到OpenGL的影子。OpenGL是在SGI、Microsoft、DEC、IBM、Intel等多家世界著名計(jì)算機(jī)公司的倡導(dǎo)下，基于SGI的GL(Graphical Library)標(biāo)準(zhǔn)，制定的一個(gè)通用共享的開發(fā)三維圖形標(biāo)準(zhǔn)。Microsoft公司首先將OpenGL圖形庫(kù)鏈接到Windows NT中和Windows9x上，這使得廣大PC機(jī)用戶可以使用OpenGL開發(fā)功能強(qiáng)大的圖形程序。以前，在Windows9x/NT操作系統(tǒng)中開發(fā)的OpenGL應(yīng)用程序只能在昂貴的圖形工作站上才能運(yùn)行，但隨著支持OpenGL的圖形加速卡的出現(xiàn)和微機(jī)性能的提高，OpenGL在微機(jī)平臺(tái)上得到了廣泛的應(yīng)用,這使得快速開發(fā)高效、低成本的機(jī)器人仿真系統(tǒng)成為了可能。由于OpenGL的作用機(jī)制是客戶（Client）/服務(wù)器(Server)機(jī)制，因此他的網(wǎng)絡(luò)是透明的，可以十分方便的在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用。

選擇一個(gè)方便、高效、快捷并且功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)對(duì)于仿真軟件的開發(fā)至關(guān)重要，在此，選擇了VC++6.0作為開發(fā)仿真軟件的平臺(tái)。VisualC++6.0緊密結(jié)合了面向?qū)ο蠓治?OOA)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)(OOD)和面向?qū)ο缶幊?OOP)的思想，從而為大型復(fù)雜的應(yīng)用程序開發(fā)提供了一種比傳統(tǒng)的過(guò)程式編程方法更為有效的方法。

2 仿真軟件系統(tǒng)

2.1 軟件系統(tǒng)原理

機(jī)器人仿真系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)原理圖，如圖1所示，下面介紹組成該軟件體系相關(guān)模塊的功能。

圖1 系統(tǒng)原理圖

（1）控制模塊。包括運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)控制、工況控制、變換視角、視圖縮放、實(shí)用技術(shù)幾個(gè)部分，這些部分分別控制機(jī)器人的啟動(dòng)、停止，機(jī)器人作業(yè)方式，顯示窗口中圖像的放大、縮小以及視角的變換等。

（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)原理模塊。以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解、逆解算法為原理，編寫末端執(zhí)行器位姿與各輸入桿件位姿之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

（3）圖形建模模塊。分別建立機(jī)器人各零部件模型，確定出每個(gè)零部件與相臨零部件連接的關(guān)節(jié)點(diǎn)，以便組裝機(jī)器人時(shí)進(jìn)行定位。

（4）圖形接口模塊。根據(jù)各個(gè)零件的空間位置、角度等信息組合零部件，最終顯示機(jī)器人整體形狀。

（5）圖形繪制模塊。根據(jù)各零件幾何信息用OpenGL繪圖指令繪制零件，添加顏色、紋理及光照處理。

（6）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。存儲(chǔ)必要的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，用于保證在動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中各種信息能夠時(shí)時(shí)顯示。

（7）數(shù)據(jù)顯示模塊。顯示仿真過(guò)程中系統(tǒng)的各種信息,包括末端執(zhí)行器坐標(biāo)、速度、受力等。

（8）文檔說(shuō)明模塊。存儲(chǔ)仿真分析結(jié)論，并為系統(tǒng)提供必要的幫助和說(shuō)明。

2.2 3－RSS/S并聯(lián)機(jī)器人仿真技術(shù)

3－RSS/S并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，如圖2所示，由上、下兩個(gè)平臺(tái)和三個(gè)R-S-S支鏈及連接兩平臺(tái)中心的一根支撐桿S組成，其上平臺(tái)為活動(dòng)平臺(tái)，下平臺(tái)為基座。連桿上端經(jīng)球鉸與上平臺(tái)（即動(dòng)平臺(tái)）相連，下端經(jīng)球鉸與電機(jī)曲柄相連，電機(jī)被封裝起來(lái)。支撐桿的作用是約束和支撐上平臺(tái)，它的上端通過(guò)球鉸與上平臺(tái)中心相連，這一結(jié)構(gòu)使上平臺(tái)僅有三個(gè)自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能承受較大的負(fù)載，從而減小連桿的受力。

圖2 3—RSS/S并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本任務(wù)之一就是要建立起各構(gòu)件與末端操作器的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系，為機(jī)器人的控制和應(yīng)用研究提供分析的方法和手段，運(yùn)動(dòng)建模在并聯(lián)機(jī)器人的研究中占有重要的地位。在本例中，為了和OpenGL中的坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致，基座坐標(biāo)系仍采用世界坐標(biāo)，原點(diǎn)位于基座平臺(tái)的形心，軸自左向右，軸自下而上，軸由里及外。

本系統(tǒng)仿真的目的是為了實(shí)時(shí)觀察、控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因此必須有機(jī)器人圖像顯示和運(yùn)動(dòng)控制兩部分。為此本例采用MFC的MDI結(jié)構(gòu)，用CsplitterWnd類對(duì)象把窗口分為兩部分，左邊用于控制的輸入和輸出，右邊用于顯示機(jī)器人位姿圖像。由于要計(jì)算機(jī)器人的正反解和軌跡規(guī)劃，為了使這三方面互不影響，本文在左視圖采用了基于CFormView類的對(duì)話框設(shè)計(jì)，用按鈕進(jìn)行控制，可以方便地在各實(shí)驗(yàn)間進(jìn)行切換、開發(fā)的軟件界面如圖3所示。

圖3 3-RSS/S并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)仿真界面

3－RSS/S并聯(lián)機(jī)器人的仿真系統(tǒng)左邊的控制界面中，如圖4所示，分別設(shè)置了系統(tǒng)控制和運(yùn)動(dòng)控制兩大項(xiàng)目。系統(tǒng)控制中主要是對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)的設(shè)置，如仿真的啟動(dòng)、暫停和終止。另外，還可以通過(guò)控制面板及快捷菜單當(dāng)中的旋轉(zhuǎn)（視角變換）和視圖縮放按扭，對(duì)顯示窗口中的圖形進(jìn)行操作，以期達(dá)到最佳視覺效果的目的。

在運(yùn)動(dòng)控制中，設(shè)立了簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)合運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)通過(guò)打擊X、Y、Z軸按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而且右邊仿真運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)可以在左邊相應(yīng)的對(duì)話框中顯示出來(lái)。復(fù)合運(yùn)動(dòng)則是三個(gè)軸共同作用，顯示框中都顯示出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這樣對(duì)加工仿真演示過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

圖4 控制界面

3 結(jié)語(yǔ)

首先對(duì)機(jī)器人仿真技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，然后在VC++6.0環(huán)境下嵌套OpenGL開發(fā)出了一套該機(jī)器人的仿真系統(tǒng)軟件，并對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能做了較為詳細(xì)的描述，經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、功能完備、效果逼真。

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