李泰國(guó)，李文新，王偉文，高家祺

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

隨著空間探索的不斷深入，空間機(jī)械臂應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為空間技術(shù)的重要研究方向。由于機(jī)器臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜、真實(shí)設(shè)備成本昂貴、實(shí)驗(yàn)條件受限等問(wèn)題，會(huì)對(duì)機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展帶來(lái)一定難度。因此，在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)研究中，圖形仿真系統(tǒng)作為一種安全靈活的工具，發(fā)揮著非常重要的作用，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械臂研究和開(kāi)發(fā)的各個(gè)方面。機(jī)械臂圖形仿真涉及機(jī)械臂機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、零件建模、機(jī)械臂三維實(shí)現(xiàn)、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)械臂路徑規(guī)劃，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。因此針對(duì)機(jī)械臂在不同平臺(tái)下(如OpenGL、MATLAB機(jī)器人工具箱、LabView、ADAMS等)不同性能的仿真試驗(yàn)，給機(jī)械臂的研究帶來(lái)了便利。能夠?yàn)闄C(jī)器臂結(jié)構(gòu)方案與相關(guān)設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的支撐；能夠有效地幫助設(shè)計(jì)師掌握機(jī)械臂工作空間的形態(tài)和極限；也能夠?yàn)殡x線編程人員提供一種有效的驗(yàn)證手段；還能幫助檢測(cè)機(jī)械臂的工作環(huán)境與機(jī)械臂之間是否存在干涉，以保證機(jī)械臂運(yùn)行的絕對(duì)安全等[1-4]。

目前，存在多種設(shè)計(jì)軟件方便進(jìn)行機(jī)械臂的仿真研究，包括三維設(shè)計(jì)軟件UG、Pro/E、Solidworks，仿真軟件ADAMS、機(jī)器人專用軟件WorkSpace、專用計(jì)算軟件Matlab等。但是從三維建模，嵌入控制算法，實(shí)現(xiàn)3D仿真難易程度等多方面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)UG、Pro/E、Solidworks等在機(jī)構(gòu)仿真方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但是難以滿足機(jī)械臂控制仿真的要求；ADAMS和WorkSpace等仿真軟件在嵌入用戶開(kāi)發(fā)算法方面存在明顯的不足；Matlab在算法開(kāi)發(fā)和正確性驗(yàn)證方面有優(yōu)勢(shì)，但是難于直接對(duì)控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而OpenGL是一個(gè)跨平臺(tái)、開(kāi)源的圖形程序接口，具有較好的可視化功能，能夠?yàn)榉抡婕皥?chǎng)景可視化提供較好的環(huán)境，可使用光效、霧效、紋理等特效功能，模擬現(xiàn)實(shí)世界物體對(duì)光的反射、散射原理，增強(qiáng)了曲面的材質(zhì)感和臨場(chǎng)感，達(dá)到了良好的現(xiàn)實(shí)逼真效果。采用OpenGL技術(shù)，在Windows環(huán)境下以Visual C++為基礎(chǔ)進(jìn)行機(jī)械臂三維重構(gòu)可視化研究，便于嵌入用戶控制算法，滿足機(jī)械臂控制仿真的要求。

1 模型建立及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中有兩種方式表示三維模型：多邊形構(gòu)成和NURBS曲面構(gòu)成。在三維圖形的繪制過(guò)程中，如果直接利用OpenGL庫(kù)提供的基本幾何體構(gòu)造復(fù)雜的圖形是相當(dāng)困難的。原因在于OpenGL只能通過(guò)基本的幾何圖元點(diǎn)、線及多邊形建立三維模型，但是它不提供建立三維模型的高級(jí)命令。此外，如果直接利用OpenGL繪制復(fù)雜三維模型，則需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)使用大量的繪圖語(yǔ)句。這樣OpenGL程序在運(yùn)行時(shí)將占有大量?jī)?nèi)存，導(dǎo)致程序執(zhí)行效率降低，相應(yīng)地會(huì)增加程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和工作量；并且程序的通用性和簡(jiǎn)便性很難滿足，給系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了極大困難。

由于OpenGL對(duì)模型的數(shù)據(jù)格式相對(duì)比較通用，沒(méi)有特殊的要求。在仿真研究過(guò)程中比較可取的做法是先利用專業(yè)建模軟件(如3D Studio MAX、Pro/E等)建立需要的三維模型，然后轉(zhuǎn)換為OpenGL可以識(shí)別的模型數(shù)據(jù)格式(如3DS文件、STL文件等)，最后將創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入OpenGL。然后在開(kāi)發(fā)環(huán)境(Visual C++、LabView等)中直接獲取模型數(shù)據(jù)，結(jié)合OpenGL進(jìn)行繪制及交互控制。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以利用專業(yè)建模軟件3D Studio MAX的優(yōu)點(diǎn)，快速建立復(fù)雜三維模型，還可以借助OpenGL的編程接口對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制和交互控制，提高程序的執(zhí)行效率，降低建模時(shí)間，加快系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)程[5-8]。

1.1 3DS文件的建立

利用3D Studio MAX軟件創(chuàng)建模型并導(dǎo)出成3DS文件的流程如圖1所示。

圖1 3DS文件創(chuàng)建流程

1.2 3DS文件結(jié)構(gòu)

3DS文件結(jié)構(gòu)由Chunk(塊)組成，每個(gè)Chunk描述了諸如場(chǎng)景數(shù)據(jù)，每個(gè)編輯窗口的狀態(tài)、材質(zhì)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等[9]。Chunk由兩部分組成：ID和Length(下一個(gè)數(shù)據(jù)的位置)。二進(jìn)制的3DS文件采用小尾端格式存儲(chǔ)，即低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。3DS中每個(gè)塊的數(shù)據(jù)組織格式包括“塊ID”、“塊長(zhǎng)度”和“塊數(shù)據(jù)”。

每個(gè)3DS文件都包括一個(gè)塊ID是“0x4D4D”的基本塊?；緣K是在3DS文件中必須存在的，也可用于檢測(cè)一個(gè)文件是不是3DS文件，它由ID為“0x3D3D”的編輯塊和ID為“0xB000”的關(guān)鍵幀塊組成。3DS編輯塊表明程序數(shù)據(jù)的開(kāi)始，包括材質(zhì)列表塊、兩配置塊、視口定義塊、物體定義塊等。3DS關(guān)鍵幀塊表明開(kāi)始定義關(guān)鍵幀信息。3DS主要的幾個(gè)塊的ID及信息，包括(0xAFFF，材質(zhì)信息開(kāi)始)、(0xA000，材質(zhì)名稱)、(0xA300，材質(zhì)紋理名稱)、(0x4130，與三角面相關(guān)的材質(zhì)信息)、(0x4000，模型中對(duì)象信息)、(0x4110，對(duì)象中定點(diǎn)信息)、(0x4120，對(duì)象中三角面信息)、(0x4140，紋理坐標(biāo))。

2 基于OpenGL和VC++ MFC的空間機(jī)械臂三維重構(gòu)

2.1 OpenGL與MFC的接口

為使Windows能正確執(zhí)行OpenGL的API函數(shù)，首先必須對(duì)繪圖環(huán)境進(jìn)行初始化，只有在OpenGL繪制環(huán)境中，OpenGL命令才能被接收并執(zhí)行，所以必須創(chuàng)建OpenGL繪制環(huán)境。OpenGL繪制環(huán)境初始化過(guò)程如表1所示。

表1 OpenGL繪制環(huán)境初始化

2.2 空間機(jī)械臂3DS文件的讀取

如1.2節(jié)所述，3DS文件中采用的是塊結(jié)構(gòu)，并且塊與塊之間存在嵌套關(guān)系，所以可以采用遞歸的方法讀取3DS文件中的三維模型數(shù)據(jù)?；诿嫦?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了5個(gè)類用于空間機(jī)械臂3DS文件的讀取和重繪，分別是tChunk(定義塊信息)、t3DModel(定義模型信息)、t3DObject(定義模型對(duì)象信息)、tMaterialInfo(定義材質(zhì)信息)和tFace(定義頂點(diǎn)信息和紋理坐標(biāo)信息)。3DS文件讀取的算法偽代碼如下所述：

參數(shù)定義為：

ChunkLength：表示3DS文件長(zhǎng)度；

ReadBytesLen：表示讀出的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；

TempBytesLen：用于保存讀出數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的臨時(shí)變量。

算法步驟：

Step1：初始化變量，打開(kāi)3DS文件；

Step2：讀取第一塊數(shù)據(jù)的ID及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度ChunkLength；

Step2.1：判斷ID為0x4D4D，ReadBytesLen加6，執(zhí)行Step3；

Step2.2：判斷ID不為0x4D4D，則執(zhí)行Step6。

Step3：讀取下一塊數(shù)據(jù)的ID及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度TempBytesLen；

Step3.1：判斷ID為0xA000，則將解析后的材質(zhì)名稱保存至材質(zhì)信息名稱隊(duì)列；

Step3.2：判斷ID為0xA020，則將解析后的材質(zhì)顏色保存至材質(zhì)信息顏色隊(duì)列；

Step3.3：判斷ID為0xA200，則將解析后的紋理信息保存至紋理信息隊(duì)列；

Step3.4：判斷ID為0xA300，則將解析后的材質(zhì)文件名稱保存至材質(zhì)文件名稱隊(duì)列；

Step3.5：如果為其他ID，忽略其數(shù)據(jù)信息。

Step4：ReadBytesLen=ReadBytesLen+TempBytesLen；

Step5：判斷已讀入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度ReadBytesLen是否小于塊長(zhǎng)度ChunkLength；

Step5.1：如果ReadBytesLen小于或等于ChunkLength，繼續(xù)執(zhí)行Step3；

Step5.2：如果ReadBytesLen大于ChunkLength，執(zhí)行Step6。

Step6：程序結(jié)束。

2.3 空間機(jī)械臂三維模型的重繪

將三維模型及場(chǎng)景數(shù)據(jù)從3DS文件讀出后，需要在OpenGL環(huán)境下完成三維模型的重繪[10-11]。三維模型重繪算法偽代碼如下所述：

參數(shù)定義：

算法步驟：

Step1：計(jì)算3DS模型中各個(gè)面的法向量；

Step1.4：保存計(jì)算后的各個(gè)面的法向量。

Step2：設(shè)置三維模型的材質(zhì)紋理；

Step3：設(shè)置OpenGL繪圖環(huán)境；

Step3.1：創(chuàng)建繪圖描述表并設(shè)置像素格式；

Step3.2：初始化模型、大小；

Step3.3：設(shè)置光照、旋轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)速及模式。

Step4：遍歷3DModel對(duì)象，對(duì)存儲(chǔ)的對(duì)象逐一進(jìn)行繪制，如果有紋理映射信息，則打開(kāi)紋理映射；

Step5：開(kāi)始以ViewMode模式繪制，先遍歷所有的面，然后嵌套遍歷三角形所有的點(diǎn)，獲得面對(duì)每個(gè)點(diǎn)的索引。給出法向量，最后完成繪制；

Step6：根據(jù)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)求解結(jié)果判斷機(jī)械臂是否需要重繪；

Step6.1：如果是機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，則按從以太網(wǎng)接收到的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角的個(gè)數(shù)進(jìn)行機(jī)械臂形狀的重繪；

Step6.2：如果是機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，則根據(jù)從以太網(wǎng)接收到的機(jī)械臂末端狀態(tài)解算出各關(guān)節(jié)角，再進(jìn)行機(jī)械臂形狀的重繪。

Step7：程序結(jié)束。

3 空間機(jī)械臂參數(shù)

空間七自由度機(jī)械臂是一個(gè)完全結(jié)構(gòu)對(duì)稱的冗余型機(jī)械臂，與臂桿兩端相連接的3個(gè)關(guān)節(jié)完全相同并且對(duì)稱。通過(guò)對(duì)空間機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，建立的空間機(jī)械臂D-H坐標(biāo)系如圖2所示，D-H參數(shù)如表2所示。

圖2 空間機(jī)械臂D-H坐標(biāo)系

連桿iθidi/mmai-1/mmαi-11θ1000°2θ2d2090°3θ3d3a3-90°4θ40a40°5θ5d500°6θ6d6090°7θ7d70-90°

其中，d2=d3=d5=d6=d7=515;a3=a4=5 540。

根據(jù)機(jī)械臂D-H參數(shù)可以完成機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解，根據(jù)正運(yùn)動(dòng)學(xué)的解算可以完成機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)的仿真控制；若已知機(jī)械臂末端執(zhí)行器的坐標(biāo)位置，則可以通過(guò)該位置坐標(biāo)結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解公式計(jì)算出機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值，可以完成機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)控制及路徑規(guī)劃控制。將機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解算法嵌入基于OpenGL的空間機(jī)械臂三維模型中，通過(guò)利用圖形程序接口來(lái)完成場(chǎng)景及三維模型的更新顯示，以此可以達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示三維仿真的效果[12-14]。

4 空間機(jī)械臂三維可視化系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，空間機(jī)械臂三維可視化系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果

在設(shè)計(jì)完成后，在Visual C++環(huán)境下該系統(tǒng)的運(yùn)行效果如圖4所示。

圖3 機(jī)械臂三維可視化系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 空間機(jī)械臂三維可視化系統(tǒng)運(yùn)行效果

5 結(jié)束語(yǔ)

利用3D Studio MAX建模具有模型逼真形象、開(kāi)發(fā)效率高的特點(diǎn)，完成空間機(jī)械臂三維模型及場(chǎng)景的創(chuàng)建。在Visual C++ 6.0環(huán)境下，完成三維模型數(shù)據(jù)3DS文件的讀取與解析，采用OpenGL技術(shù)進(jìn)行三維模型的重繪，大大降低了OpenGL建立復(fù)雜模型的難度。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用OpenGL對(duì)三維模型的處理技術(shù)，對(duì)三維模型場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，使得生成的場(chǎng)景逼真，真實(shí)感強(qiáng)。建立的空間機(jī)械臂三維可視化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，為進(jìn)一步研究空間機(jī)械臂的路徑規(guī)劃研究奠定基礎(chǔ)。

[1] 唐立才,張海濤,張敬鵬,等.基于OSG的空間機(jī)械臂三維仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(3):987-989.

[2] 廖 明,周良辰,閭國(guó)年,等.基于OpenGL驅(qū)動(dòng)的三維場(chǎng)景重構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2015,32(4):1276-1280.

[3] 董天平,馬 燕,劉倫鵬.基于OpenGL的工業(yè)化機(jī)器人仿真研究[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,30(2):60-64.

[4] 陳 琳,戴 駿,馮俊杰,等.基于OpenGL的多機(jī)器人仿

真環(huán)境[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2014(9):10-13.

[5] 李 新,李珊珊.3ds模型在OpenGL中的讀取和重繪[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,29(2):101-104.

[6] 萬(wàn) 鵬,姜立軍,陳學(xué)東,等.基于圖像處理的外螺紋三維模型重構(gòu)[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(1):68-72．

[7] HERBORT S,WOHLER C.An introduction to image-based 3D surface reconstruction and a survey of photometric methods[J].3D Research,2011,2(3):1-17.

[8] MERAT P,AGHILI F,SU Chunyi.Modeling,control and simulation of a 6-DOF reconfigurable space manipulator with lockable cylindrical joints[C]//International conference on intelligent robotics and applications.[s.l.]:[s.n.],2013:121-131.

[9] 劉志林,蘇 麗.基于COSMOSMotion的機(jī)械臂三維虛擬仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(12):92-94.

[10] Shreiner D.OpenGL編程指南[M].王 銳,譯.第8版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[11] 錢(qián)小平,楊慶華,荀 一,等.基于Java3D的機(jī)械臂三維虛擬場(chǎng)景創(chuàng)建及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J].機(jī)電工程,2014,31(1):47-51.

[12] CHEN M Q,GONG Y W. Research on technology of three-dimension Roam based on OpenGL[C]//International conference on computer application and system modeling.[s.l.]:[s.n.],2010:562-564.

[13] LIU N,PANG M Y.Rendering soft shadows with OpenGL based on planar projection method[C]//2nd international conference on network infrastructure and digital content.[s.l.]:IEEE,2010:235-239.

[14] 僧德文,李仲學(xué),李春民,等.基于OpenGL的真實(shí)感圖形繪制技術(shù)及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2005,22(3):173-175.