劉方全 林澤磊 劉偉堯 李景濤

摘 要：選取已完成的上肢康復(fù)機(jī)器人本體為研究對(duì)象，使用SolidWork軟件對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行三維建模，使用3DsMax對(duì)模型附加材質(zhì)調(diào)整坐標(biāo)軸等。將調(diào)整好的三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件當(dāng)中，并且用MFC建立康復(fù)機(jī)器人的控制面板。控制面板上各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)一方面同過(guò)串口下發(fā)給康復(fù)機(jī)器人本體，控制其運(yùn)動(dòng)。另一方面通過(guò)Socket通信傳遞給Unity3D，控制康復(fù)機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)康復(fù)機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)展現(xiàn)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)機(jī)器人;Unity3D;Socket通信

1 三維模型的建立

1.1 上肢康復(fù)機(jī)器人模型的建立

上肢康復(fù)機(jī)器人是比較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，為了保證仿真結(jié)果與真實(shí)接近，所有的零件都按照電子版圖提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行1：1建模，使用SolidWork軟件建立各個(gè)零件的實(shí)體模型，并將生成的零件裝配成總體，生成stl文件格式，導(dǎo)入到3DsMax中，在對(duì)各個(gè)零件添加材質(zhì)和貼圖。

1.2 人物模型的建立

為使上肢康復(fù)機(jī)器人的模擬動(dòng)畫能真實(shí)的體現(xiàn)上肢康復(fù)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)狀況，人物模型的尺寸應(yīng)充分考慮到康復(fù)機(jī)器人模型的尺寸，應(yīng)使人物模型的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)與康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)相對(duì)應(yīng)，盡量保證人物模型與康復(fù)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)同軸，這樣能使展示效果更加逼真。

人物模型分為對(duì)頭部和身體的建模，在3DsMax中采用多邊形建模方法，建立人物的初步模型，然后對(duì)人物模型添加平滑組，這樣可以增加模型的光滑度，然后為人物模型添加材質(zhì)和貼圖形成最終的效果圖。

1.3 骨骼和綁定的添加與調(diào)整

人物模型必須綁定骨骼才能實(shí)現(xiàn)模型的運(yùn)動(dòng)，首先用biped建立一個(gè)骨骼系統(tǒng)，在運(yùn)動(dòng)命令面板，點(diǎn)擊biped卷展覽的figure mode。在各視圖中，使用旋轉(zhuǎn)縮放位移的方式，調(diào)整骨骼的位置與模型的位置，讓二者對(duì)齊，調(diào)整好其中的一部分之后，復(fù)制到另一半上。

骨骼建立完成之后必須與模型進(jìn)行綁定，常用的綁定方式有skin和physique兩種綁定方式，一般來(lái)說(shuō)兩者沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，在進(jìn)行動(dòng)畫制作時(shí)都可以使用。但是如果使用physique將骨骼與模型進(jìn)行綁定，將生成的新模型導(dǎo)入到Unity3D時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些列問(wèn)題。而使用skin不會(huì)存在這樣的問(wèn)題，所以此次綁定使用skin進(jìn)行綁定。

1.4 模型的導(dǎo)出及注意的問(wèn)題

在3DsMax中的運(yùn)動(dòng)控制命令中，將人物模型和康復(fù)機(jī)器人模型進(jìn)行調(diào)整，最終效果圖如圖1所示，并將生成的模型生成Fbx格式導(dǎo)入到Unity3D當(dāng)中，導(dǎo)出的模型應(yīng)主要考慮3方面：坐標(biāo)軸、比例和貼圖。

2 康復(fù)機(jī)器人控制面板與Unity 3D之間的Socket通信

2.1 Socket簡(jiǎn)介

Socket通常也叫作“套接字”，是一種建立在傳輸層協(xié)議上的通信機(jī)制。最初是由美國(guó)加州Berklry大學(xué)提出，為UNIX操作系統(tǒng)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信接口，它定義了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)間的通信規(guī)范（也就是一種編程規(guī)范）[2]。Socket通信屏蔽了網(wǎng)絡(luò)傳輸傳輸中低層通信協(xié)議的復(fù)雜性和差異性，使任意兩臺(tái)安裝TCP軟件的計(jì)算機(jī)之間通信成為了可能，而且因?yàn)镾ocket通信具有易于理解，便于掌握等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)最為通用的API，也是在Internet上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)最為通用的API[3]。

2.2 Socket基本類型

Socket通信主要有三種類型：流式套接字、數(shù)據(jù)報(bào)套接字和原始套接字。流式套接字是一種面向連接的套接字，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)差錯(cuò)無(wú)重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)設(shè)流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限。數(shù)據(jù)被看成字節(jié)流，無(wú)長(zhǎng)度限制。數(shù)據(jù)報(bào)套接字是一種面向無(wú)連接的套接字，數(shù)據(jù)通過(guò)相互獨(dú)立的報(bào)文進(jìn)行傳輸，是無(wú)序的，并且不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?shù)據(jù)的最大傳輸最大長(zhǎng)度為64KB。原始套接字允許對(duì)底層協(xié)議IP活I(lǐng)CMP直接訪問(wèn)，主要用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的測(cè)試，一般不會(huì)提供給普通用戶[4]。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，此次通信用到的是面向連接的流式套接字。

2.3 Socket編程主要流程

Socket通信才用來(lái)目前網(wǎng)絡(luò)編程流行的ClientSocket/SeverSocket模式，客戶/服務(wù)器模式通常是采用監(jiān)聽/連接的方式實(shí)現(xiàn)。首先，服務(wù)器端啟動(dòng)等待客戶端的請(qǐng)求，客戶端啟動(dòng)后請(qǐng)求一個(gè)連接，向服務(wù)器提出請(qǐng)求，服務(wù)器接到請(qǐng)求并驗(yàn)證后開啟連接，啟動(dòng)一個(gè)特殊的服務(wù)器端套接字，并與客戶端套接字相互連接。建立連接的過(guò)程是客戶機(jī)主動(dòng)申請(qǐng)，服務(wù)器被動(dòng)等待。連接建立之后，雙方都可以自由發(fā)出數(shù)據(jù)的傳輸請(qǐng)求，也可以都發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。

服務(wù)器端：（1）服務(wù)器首先啟動(dòng)，用Socket類建立一個(gè)Socket套接字;（2）調(diào)用bind函數(shù)將該套接字與本地IP地址和端口綁定;（3）調(diào)用listen監(jiān)聽連接情況（4）調(diào)用accept接受連接，并產(chǎn)生一個(gè)新的套接字。若無(wú)連接請(qǐng)求，服務(wù)器處于無(wú)限循環(huán)狀態(tài);（5）產(chǎn)生的新套接字與客戶端套接字建立連接，調(diào)用read、write函數(shù)與客戶端進(jìn)行通信，先前的套接字繼續(xù)用于監(jiān)聽客戶端的請(qǐng)求;（6）服務(wù)進(jìn)程調(diào)用close函數(shù)關(guān)閉監(jiān)聽套接字，中斷連接，終止服務(wù)。

客戶端：（1）調(diào)用Socket建立一個(gè)Socket客戶端;（2）調(diào)用connect函數(shù)向服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送連接請(qǐng)求;（3）調(diào)用read、write函數(shù)與服務(wù)器新線程進(jìn)行雙向通信;（4）完成通信后，客戶進(jìn)程調(diào)用close函數(shù)，中斷連接。

2.4 服務(wù)器與客戶端運(yùn)行結(jié)果

將unity3D作為服務(wù)器端進(jìn)行編程，設(shè)置本地的IP地址為219.231.156.82，端口號(hào)設(shè)置為8000，設(shè)置后服務(wù)器的參數(shù)之后點(diǎn)擊運(yùn)行，然后將控制面板客戶端進(jìn)行編程，同樣設(shè)置本地的IP地址，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)填寫完成之后，點(diǎn)擊“連接”按鈕，客戶端會(huì)提示連接成功，并將控制面板上的各參數(shù)發(fā)送給服務(wù)器，如圖2所示，并且服務(wù)器根據(jù)發(fā)送來(lái)的參數(shù)來(lái)控制康復(fù)機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)，來(lái)間接反映康復(fù)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文虛擬上肢康復(fù)機(jī)器人實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示主要是由上肢康復(fù)機(jī)器人的建模和Socket通信兩部分實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)Solidwork軟件在基礎(chǔ)建模方面方便快捷的特性建立上肢康復(fù)機(jī)器人的基礎(chǔ)模型，以及利用3DsMax軟件在模型渲染上的強(qiáng)大功能對(duì)模型進(jìn)行后續(xù)的加工處理，是模型更加真實(shí)。Socket可以提供C++和C#兩種語(yǔ)言的API函數(shù)，剛好滿足了MFC和Unity3D這兩款軟件的編程要求，同時(shí)目前大多數(shù)進(jìn)程間的通信都是Socket編寫的，通過(guò)Socket編程可以方便快捷的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙航. 基于下肢康復(fù)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 河北工業(yè)大學(xué)， 2014.

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