六自由度机械手三维运动仿真研究

收稿日期:

2005 03 11;修返日期:

2005 05 24

基金项目:国家 863 计划资助项目(2001AA 423230);中新联合研究计划项目;湖北省自然科学基金(2003ABA 002)

六自由度机械手三维运动仿真研究

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陈幼平,马志艳,袁楚明,周祖德

(华中科技大学机械科学与工程学院,湖北武汉430074)

摘 要:以六自由度机械手三维运动仿真为背景,介绍了利用Ope nGL 实现机械手运动仿真的有效方法,重点分析

了机械手运动学模型的构建以及运动轨迹规划的实现。对于一般的机械手运动仿真系统,该实例具有一般普遍性。关键词:Open GL ;机械手;三维运动仿真;轨迹规划

中图法分类号:TP242 文献标识码:A 文章编号:1001 3695(2006)06 0205 03

R esearch on S i m u l ati on of 3D M oti on for 6 DOF M an i pu lator

C HEN Y ou p i ng ,MA Zh i y an ,YUAN Chu m i ng,ZHOU Zu de

(Colle g e o f M ec han ic a l Sc i ence &E ng i n ee ring,Huazhong Universit y of S cie n c e &T ec hnology ,W uhan Hu bei 430074,Ch i na )

Abstract :The effecti ve met hod of a sm i u lati on syste m ofm anipu l atorw it h Open GL based on t he sm i ulati on of 3D m otion for

6 DOF m an i pu lator i s presented .The constructi on of k i neti cm odel and pat h p lann i ng are anal yzed e m phaticall y .To the usual 3D sm i u lati on syste m ofm anipu l ator ,the instance is un i versal reference .Key words :Open GL ;M an i pu l ator ;Sm i ulati on of 3D Moti on ;Path Planni ng 科学可视化、计算机仿真和虚拟现实是近年来计算机仿真领域的三大热门技术,而这三大热门技术的核心均是三维真实感图形的显示与交互。其中机器人三维运动仿真技术在机器人的研究与应用中发挥着重要的作用。它对于在实际工作中机器人行走路径的生成、工作空间防碰撞等具有十分重要的现实意义[1,2]。

在我国某些核电站的设备检修工作中,目前采用的机器人检修系统全部是国外的软硬件设备。在使用过程中,对于工作对象的尺寸变更难以适应,而且对工作人员有较高的使用要求,不能根据实际使用要求定制软硬件功能。本文根据实际项目经验,对检修机器人三维运动仿真部分进行了介绍。

1 三维实体建模

1 1 仿真方案的确定

进行机器人仿真的三维实体建模工作方案一般有如下几种:!使用VRM L 和Jav a3D 在一般的微机上构造轻量级的仿真平台,可应用于网络功能要求较高的机器人运动仿真。VRM L 和Java3D 的跨平台性、网络化和强大的可编程能力,对于实现网络化机器人仿真不失为一种简单、廉价而有效的手段。∀使用虚拟样机技术。通过在PRO /E 或其他三维环境下建立的机器人三维模型和在ADAM S 环境下建立的力学模型对机器人进行仿真研究。主要应用于检验机器人各部件的设计性能以及部件之间的兼容性,并检查整机的综合设计性能,实现高质量、快速、低成本的设计。#在W i ndows 环境下配合某些三维建模工具如Autodesk Inventor 或3D M ax 等,使用V is ua l

C++工具调用O pen GL 图形库中的函数,实现三维运动仿真。

O penGL 是SG I 公司开发的,作为一种三维工具软件包在交互式三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优越性,可以灵活方便地实现二维和三维的高级图形技术。由于其强大的图形功能和跨平台的能力,已经成为事实上的图形标准,广泛应用于科学可视化、实体造型、CAD /CAM 、模拟仿真等诸多领域。目前,M icroso ft ,S G I ,IB M 等大公司都采用了O pen G L 作为三维图形标准。特别是随着PC 性能的不断提升和微软的加入,使得在微机上实现三维真实感图形的显示与交互成为可能,也为广大用户提供了在微机上使用以前只能在高性能图形工作站上运行各种软件的机会。另外,由于系统中涉及较多的机械手正、逆运动学方程求解问题,因而采用V C 作为编程语言,一方面可以方便地调用O pen G L 图形库函数;另一方面有利于算法的实现[3]。1 2 仿真实体的绘制

在本系统中,三维实体的绘制采用了以下方法来实现:(1)对于结构比较复杂而控制要求简单的工作对象或者其他附件,使用O penGL 直接绘制是一件十分烦琐的工作。而3D M ax 是一个相当好的流行建模工具,通过对简单几何形体进行并、交、切等布尔运算和曲面编辑等功能就能构造出复杂的几何形体。在完成复杂的建模后,输出3DS 格式文件,再通过一些相关工具软件(如3D Explorati on)可以生成O penGL 格式的C++数据文件,直接导入到VC 工程中,稍加修改就可完成复杂模型的绘制工作。

(2)对于结构简单而控制要求较复杂的机械手各轴,可直接使用Open GL 提供的三维建模函数完成绘制[1]。在此过程

中,对各轴的缩放、位置、角度的调整主要使用函数g lSca lef(),g l T ranslatef(),g l R otate f()来完成,为使绘制出来的各轴形象逼真,可对各轴进行相应的材质、光照设置;在进行轴之间进行装

∃205∃第6期陈幼平等:六自由度机械手三维运动仿真研究