李建賓，任華麗

（1.廣西大學(xué)研究生院，廣西 南寧530007；2.武漢市黃陂區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，湖北 武漢432200）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)作為綜合性學(xué)科，其包含了機(jī)械、控制各方面的知識，從世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生至今，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)有了長足的發(fā)展，并取得了很多成果，而且機(jī)器人已經(jīng)大量應(yīng)用到實際生產(chǎn)。計算機(jī)技術(shù)不斷的發(fā)展，讓仿真技術(shù)起到越來越不可忽視的作用，機(jī)器人仿真的任務(wù)，是在與實際機(jī)器人不接觸情況下，對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、碰撞檢測、性能測試等進(jìn)行復(fù)雜計算工作，可以在三維世界中控制機(jī)器人，并對機(jī)器人進(jìn)行必要的虛擬仿真示教。

1 工業(yè)機(jī)器人仿真研究

在20世紀(jì)60年代，美、英、日等發(fā)達(dá)國家相繼在課堂進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)，機(jī)器人教學(xué)研究得到蓬勃發(fā)展，但是由于機(jī)器人價格昂貴，以及機(jī)器人操作需要大而獨(dú)立的試驗場地等諸多因素，不可能實現(xiàn)每位學(xué)生都同時有一臺機(jī)器人進(jìn)行實際操作，并且機(jī)器人課時安排緊張，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果并不理想，而三維可視化仿真技術(shù)的發(fā)展，讓我們有了一個非常好的平臺對機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的研究，可以交互式示教仿真。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀：目前各高校及研究所對機(jī)器人仿真研究越來越重視，從開始探索階段，到收獲豐碩成果階段，在機(jī)器人仿真中取得了很多成果。例如清華大學(xué)THROBSM機(jī)器人仿真系統(tǒng)，上海交通大學(xué)俞文偉和鄧建一開發(fā)的ROSIDY仿真軟件，清華大學(xué)崔培蓮和孫增圻PCBOBSM微機(jī)機(jī)器人仿真軟件，北京工業(yè)大學(xué)陳晏、余躍慶利用多體動力學(xué)軟件LMS Virtual.Lab和有限元分析ANSYS開發(fā)的剛?cè)狁詈蠙C(jī)器人動力學(xué)仿真系統(tǒng)，華北電力大學(xué)利用MATLAB6.0，OpenGL和VC++2010三者結(jié)合開發(fā)的機(jī)器人仿真通用試驗平臺。

本文利用OpenGL的實時交互性，模擬機(jī)器人的示教/再現(xiàn)過程，可以檢驗所編寫機(jī)器人程序的正確性。在機(jī)器人物理樣機(jī)實驗之前，可以通過在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真，觀察機(jī)器人模型的運(yùn)動過程以及運(yùn)動結(jié)果，這樣可以避免在操作機(jī)器人物理樣機(jī)時對周圍物體和人員造成傷害。并且此仿真系統(tǒng)可以提供與現(xiàn)實機(jī)器人物理樣機(jī)幾乎相同的操作步驟，在實際操作人員真正操作機(jī)器人物理樣機(jī)之前，可以增加操作員的操作熟練程度，增加操作員的使用安全系數(shù)。

2 OpenGL概述

OpenGL為開放的圖形程序接口，其前身為SGI公司開發(fā)的IRISGL，SGI公司在IRISGL基礎(chǔ)上于1992年7月發(fā)布了OpenGL的 1.0版本。后來OpenGL的1.0版本成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，OpenGL作為業(yè)界2D和3D圖形接口標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用在成千上千萬的計算機(jī)程序中，從初期的嶄露頭角，到與Direct3D激烈競爭，中途經(jīng)歷波折發(fā)展了20多年，最后被Khronos接收后發(fā)揚(yáng)光大，OpenGL已經(jīng)發(fā)展到了目前OpenGL4.4版本，OpenGL是一種底層圖形庫，是一個完全可移植并且速度很快的3D圖形和建模庫。OpenGL不是一種編程語言，它是一個三維圖形軟件包，其具有開放性，OpenGL可以與Visual C++緊密接口，OpenGL能夠?qū)θS建模進(jìn)行渲染著色，從而繪制出逼真的三維景象，是一款非常適合做可視化仿真系統(tǒng)的工具。

2.1 OpenGL繪制流程

在OpenGL繪制過程中，首先頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，像素數(shù)據(jù)可以在現(xiàn)實列表中顯現(xiàn)出來，通過運(yùn)算器對逐個頂點(diǎn)進(jìn)行計算，然后光柵化，最終形成圖形碎片，像素數(shù)據(jù)及操作結(jié)果存儲在紋理組裝用的內(nèi)存中，流程操作最后，圖形片元進(jìn)行一些列逐個片元操作，結(jié)果像素值送入幀緩沖器實現(xiàn)圖形顯示，圖1為OpenGL繪制流程圖。

圖1 OpenGL繪制流程圖

2.2 基于OpenGL機(jī)器人軟件仿真界面建立

本示教機(jī)器人三維模型主要由底座、連桿等組成，通過利用glu庫函數(shù)（gluCylinder和gluDisk）及縮放、轉(zhuǎn)移等變換繪制出了底座，連桿的模型。通過模型轉(zhuǎn)換函數(shù)繪制出機(jī)器人三維模型，其模型轉(zhuǎn)換的函數(shù)的作用：glTtanslate{fd}（TX，TY，TZ）T 是 TYPE的縮寫，其表示將當(dāng)前的矩陣與其它矩陣相乘，并將物體平移xyz三個坐標(biāo)的指定方向，glRotate{fd}（Tangle，Tx，Ty，TZ）表示將當(dāng)前的矩陣與其它矩陣相乘，矩陣?yán)@原點(diǎn)到點(diǎn)（x，y，z）直線的逆時針旋轉(zhuǎn)的角度。glScale{fd}（TX，TY，TZ）表示將當(dāng)前的矩陣與其它矩陣相乘，沿坐標(biāo)軸縮放，然后在每點(diǎn)坐標(biāo)上分別乘以參數(shù)xyz。繪制機(jī)器人部分模型，機(jī)器人連桿可以通過對立方體進(jìn)行不同的縮放、轉(zhuǎn)移、旋轉(zhuǎn)變換來進(jìn)行繪制，圖2是基于openGL繪制的仿真軟件界面。

圖2 OpenGL中繪制的仿真軟件界面

2.3 基于OpenGL軟件仿真及操作應(yīng)用

通過軟件可以觀察六自由度示教機(jī)器人的運(yùn)動狀況，在軟件控制部分輸入末端坐標(biāo)，機(jī)器人末端執(zhí)行命令并運(yùn)動到設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)，并通過點(diǎn)擊按鈕“逆解計算”可以得到8組在此末端設(shè)定坐標(biāo)系下相對應(yīng)的逆解。通過點(diǎn)擊“復(fù)位按鈕”，機(jī)器人恢復(fù)到初始狀態(tài)。虛擬現(xiàn)實軟件功能分為正解計算、逆解計算、給定坐標(biāo)末端運(yùn)動。通過開發(fā)此仿真軟件還可以實現(xiàn)人機(jī)交互操作模式，增強(qiáng)初學(xué)者對機(jī)器人的直觀感知，使用者可以通過在軟件中輸入機(jī)器人末端在空間的不同坐標(biāo)值來獲取機(jī)器人各關(guān)節(jié)角的姿態(tài)，實現(xiàn)機(jī)器人位置逆解算法。

2.3.1 正解計算

在關(guān)節(jié)角 θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6靜態(tài)編輯框中輸入角度值，機(jī)器人末端抓持器位姿隨關(guān)節(jié)角變化而變化，六自由度機(jī)器人也隨之運(yùn)動。設(shè)定 θ1＝ 20°、θ2＝ -30°、θ3＝ 30°、θ4＝ -50°、θ5＝ 50°、θ6＝ 30°，可以得出給定某一關(guān)節(jié)角對應(yīng)的機(jī)器人位姿。如圖3為正解計算機(jī)器人位姿。

圖3 正解計算機(jī)器人位姿

2.3.2 逆解計算

在六自由度機(jī)器人逆解計算靜態(tài)編輯框輸入x、y、z坐標(biāo)值，當(dāng)設(shè)定初始末端坐標(biāo) x=790，y=0，z=769后，點(diǎn)擊“逆解計算”，對應(yīng)得到各關(guān)節(jié)角數(shù)值，點(diǎn)擊“運(yùn)動”按鈕，機(jī)器人就會隨之運(yùn)動。并得到第六組反解對應(yīng)的機(jī)器人位姿。如圖4為逆解計算機(jī)器人位姿。

圖4 逆解計算機(jī)器人位姿

2.3.3 給定坐標(biāo)末端運(yùn)動

在六自由度機(jī)器人逆解計算靜態(tài)編輯框輸入x、y、z坐標(biāo)值，可以任意給定末端坐標(biāo)x=1 200，y=0，z=100，然后點(diǎn)擊“逆解計算”，機(jī)器人末端就會隨之運(yùn)動到設(shè)定的坐標(biāo)點(diǎn)位置。并得到是給定坐標(biāo)末端運(yùn)動機(jī)器人位姿。如圖5為給定坐標(biāo)機(jī)器人末端位姿圖。

圖5 給定坐標(biāo)機(jī)器人末端位姿圖

3 結(jié)束語

目前市面上機(jī)器人價格過于昂貴，價格從幾千上萬不等，而且購買回來，還需要給機(jī)器人提供操作的場地，由于目前各高?；蛘哐芯克捎诮?jīng)費(fèi)或著場地的制約，不可能讓每個學(xué)員或研究者都能親自操作物理樣機(jī)，而仿真技術(shù)發(fā)展，可以通過人機(jī)交互，讓我們與機(jī)器人之間在虛擬環(huán)境世界中進(jìn)行示教?；贠penGL開發(fā)的示教機(jī)器人三維動態(tài)仿真系統(tǒng)，可以直觀的描述了示教機(jī)械臂運(yùn)動過程，該仿真操作簡單，滿足基本仿真要求，對示教機(jī)器人仿真技術(shù)的研究具有重要的實踐意義[1-2]。