文献标识码:A 1引言2虚拟工程机器人的几何建模 随着虚拟现实技术的兴起.很多学者在遥操作机器人中使 为了保证工程机器人与虚拟工程机器人动作轨迹的一致 用基于虚拟现实的预测显示技术旧I,而虚拟环境的逼真程度直接 性,二者各部分之间的尺寸比例应相同。由于需控制虚拟工程机 关系到预测显示技术的效果,所以虚拟环境的准确构建对遥操作 器人运动,.故可按工程机器人运动情况将其拆分成若干部分,对 作业的成功完成至关重要13/。 各部分分别建模。 对虚拟环境的建模主要包括几何建模和运动学建模。目前, 工程机器人由机身、手臂、机械手三部分组成。手臂是由四 机器人运动学建模多采用Denavit—Hart—berg(D—H)表示法I, 个液压缸分别与相邻连杆构成的闭环式连杆机构,机械手通过四 方法建模简单,适用范围广。几何建模主要有两种方法:一种是调 个伺服液压缸的伸长缩短进行抓取物体运动,结构复杂,建模难 用三维图形库函数,用计算机语言编程建模。该方法有利于闭环 式连杆机构模型的运动控制,但无法表达复杂的物体,开发难度针对_亡程机器人的结构和运动特点,采用Opengl函数建模 大,仿真效果差,适用于简单建模14-51。另__种是利用三维建模软件 和SolidWorks建模的混合建模方法对工程机器人进行几何建 作为支撑来实现。该方法易实现复杂物体的精确几何建模,移植 模,其中液压缸用Opengl函数建模法建模,其余各部分用 性好,建模效率高M。在用于构建虚拟仿真系统的几种图形工具 SolidWorks建模法建模。该混合建模方法既能提高建模效率,又 中,Opengl图形库功能强大、效率高、移植性好,且独立于各系统。 能提高建模精度。 因此,基于ViSIDtlc++和Opengl开发了虚拟仿真系统。其中采用 虚拟工程机器人几何建模的流程,如图1所示。具体建模过 Opengl函数建模和SolidWorks建模的混合建模方法以及D—H 表示法对虚拟工程机器人进行几何建模和运动学建模。实验结果(1)除液压缸外,利用SolidWorks将工程机器人绘制成九部 显示:采用的建模方法可行、有效,虚拟仿真系统仿真效果良好。 分,分别为基座、回转体、动臂、斗杆、固定板、上手爪、下手爪、手 万方数据158 黄志锋等:基于Opengl和SolidWorks的遥操作工程机器人建模与仿真 第12期 爪连杆和支撑杆.片牛成sTI。格式的模,魁数据源义件,、 (2)将这九个sTJ.格式义件分别导入3DMAX.利用3DMAX 的移动、旋转功能,将模璎的关节点放住零点化置,然后导m为 3ds格式的模型数据源文件。r,J_以在3DMAX环境卜对模型进行 相关渲染处理。 (3)在vC++环境下,利片j CI舢【13fJS()擘『J类的JJ|J载函数 load3dobj(char*dir.char*1,int a),将9个3ds格式的模!鲤数据源 文件载入程序,并J【_}{show3ds(int hfloat Ix.tloat IV,t1()at Iz,(jLbyte Red,GLbyte Green,GI,byte Blue,float size)函数.将载人的模型显 (4)对于TI程机器人的四个伺服液J枷正,则利用Opengl自身函数和相关计算机图形学知i}{,根据模块相火父耵,_的坐标值 进行建模j这样可以灵活控制活塞杆的仲K缩短. 同时,使用Opengl相关函数.进行光照、材质、纹理、反走样 等处理。使虚拟环境看起来更加逼真。完成后的虚拟1i程机器人, 如图2所示。 罔1虚拟I:程机器人儿何建横流程图 Fig.1 The Flow Chart VirlualConslructiol R)bot’s(;eometo'~I.leling J、JL‘11Fig.2 The Geomr.trv.Model(1f Virtual(].1sl rtll-lion R)bol 3虚拟工程机器人运动学建模 机器人运动学建模就是根据机器人各火节+连卡f.的长度币I 转角度来确定各关节连杆之间fl'jf_:):姿天系,足对机器人进行运动控制的基础。D—H表示法是目fi;ix r机器人进行运动学分析最常 用的方法,使用该力‘法对虚拟仿真系统 I,建妒的虚拟:【程机器人 进行运动学分析。 3.1虚拟工程机器人坐标系建立 建立各杆件的坐标系是进行运动:学分析的前提。为r使虚 拟J:程机器人与真实T程机器人动作保持一致.所自-举标系均没 虚拟丁程机器人各杆件坐标系的标定情况,如图3所尔.,其基座坐标系与Opengl屏幕坐标系一致,设为基坐标系,为 x。yozo,与基座连接的叫转体坐标系设为X.y.五.与回转体连接的 动臂举标系设为x:y影,与动臂连接的斗杆坐标系设为置y盔, 机械F上手爪坐{习;系设为。Y。y五,手爪末端坐标系设为以y五。 7ltj, 11.11’』.忙{以I Wm播』、’卜、糸“jt Fig.3 The Calibration VirtualConstruction Robot’s Coordinate System 3.2虚拟工程机器人运动学方程 根据建立的坐标系.用齐次变换矩阵4。描述某局部坐标系 坐标系的位姿mI。用A。描述x。y.五坐标系相对于x。y。五坐标系的位姿,,l:描述x:y222坐标系相对于x。y.ZI坐标 系的位姿,依此类推,A,描述x,l,幺坐标系相对于x。l,。乙坐标系 的位姿?依据虚拟机器人的结构和各连杆运动情况可以计算出各 f市姿变换矩阵,如下: fC:0 0A1=一S3 -C3 000SI Xl017 0C. Z001C)0 -Y2互1S4 0X4 C4 0Y4 012:i 00lC5 001五flooolj手爪未端坐标系x,YsZs相对于基坐标系X。y。蜀的变换矩 阵为。瓦,将虚拟机器人的各关节连杆之间的变换矩阵相乘,就可 以得到上手爪指尖的位姿矩阵: 则手.爪指尖的位置方程为: 5【C。C:fs,q+c3S.J+cIS2fclG—S3 s4 J1+ Y,fc,C:(s3S。一G c4}+c。S:fG只+5】c4)】一S,z5+ CIC2【S3X4一C3 y4一x3 J+C152+(C3x;+s3Y4-Y3)一 SI{Z3+互}+ClX2+.s12:+爿1 ooGS.,,