基于OpenGL的工業(yè)機(jī)器人三維仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　關(guān)鍵詞：機(jī)器人;三雄仿真;OpenGL;離線壕程

　　1 引言

　　機(jī)器人離線編程(OIP，OffLineProgram)具有不需要停止機(jī)器人工作和可以通過(guò)圖形仿真來(lái)避免實(shí)際機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的碰撞等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)基本沒(méi)有針對(duì)機(jī)器人仿真的成型工具，國(guó)外有一些商品軟件如 RoboCAD，ROTSY，Evision等系統(tǒng)，但是RoboCAD價(jià)格比較昂貴，不能夠普遍推廣;ROTSY是基于Motoman機(jī)器人的一套仿真系統(tǒng)，但是他的普遍性不強(qiáng)而且價(jià)格也比較高。本文以江蘇省“十五”攻關(guān)項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)化焊接機(jī)器人研制課題為背景，設(shè)計(jì)了基于OpenGL的工業(yè)機(jī)器人三維仿真機(jī)離線軟件RobotM，完成了對(duì)于Couma機(jī)器人的離線仿真程序開(kāi)發(fā)。

　　OpenGI是與圖形硬件無(wú)關(guān)的程序設(shè)計(jì)接口，而且OpenGI的類(lèi)庫(kù)完成三維圖形的底層操作，同時(shí)又具有建模方便、實(shí)時(shí)三維仿真、真實(shí)感強(qiáng)、平臺(tái)獨(dú)立性、真實(shí)性強(qiáng)、對(duì)于系統(tǒng)的要求并不是很高等優(yōu)點(diǎn)。所以RobotM利用OpenGL和微軟的VC+開(kāi)發(fā)工具以及MFC類(lèi)庫(kù)作為底層的圖形庫(kù)接口實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)。離線仿真原理如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳述

　　系統(tǒng)模塊圖如圖2所示。

　　圖2說(shuō)明了RobotM采用了分層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，將整體程序設(shè)計(jì)成為3層結(jié)構(gòu)，每一層的設(shè)計(jì)都相對(duì)獨(dú)立，從而提高了程序的可移植性并且減輕了程序的維護(hù)難度。

　　 2.1模型層設(shè)計(jì)

　　模型層利用OpenGI和MFC類(lèi)庫(kù)，構(gòu)建了一系列底層的類(lèi)對(duì)象，RobotM利用這些封裝好的類(lèi)對(duì)象來(lái)構(gòu)建場(chǎng)景以及完成場(chǎng)景和用戶(hù)的交互。在RobotM設(shè)計(jì)中增加了空間實(shí)體、空間模型、機(jī)器人模型的概念。

　　空間實(shí)體就是單個(gè)的最簡(jiǎn)單的部件，而空間模型是若干個(gè)實(shí)體按照一定方式的組合。由于機(jī)器人仿真具有一定的特殊性，把機(jī)器人設(shè)定為一個(gè)實(shí)體或者一個(gè)模型顯然是不合適的，所以可以把機(jī)器人以每一個(gè)轉(zhuǎn)軸為界限分割成若干部分，而把分割好的各個(gè)部分都作為空間模型，從而形成了若干空間實(shí)體一空間模型，若干空間模型一機(jī)器人模型的組合方式。

　　利用這種分層次的組合方式可以很容易控制仿真程序的顯示和交互，例如利用RobotM仿真一個(gè)汽車(chē)焊接生產(chǎn)線時(shí)，用一個(gè)空間模型對(duì)象來(lái)描述汽車(chē)對(duì)象可以很容易地控制這個(gè)汽車(chē)對(duì)象。RobotM對(duì)于每種空間實(shí)體類(lèi)型都利用OpenGI提供的GlgenList/glCallList函數(shù)實(shí)現(xiàn)了一套構(gòu)建/繪制的函數(shù)，利用空間實(shí)體一空間模型一機(jī)器人模型的組織方式和C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的多態(tài)性，最終把機(jī)器人模型和空間模型的繪制工作都?xì)w結(jié)為空間實(shí)體對(duì)象的繪制。

　　RobotM把仿真內(nèi)容保存為流文件。文件是按照分層結(jié)構(gòu)且以相對(duì)路徑存儲(chǔ)并設(shè)計(jì)的，即工作區(qū)、機(jī)器人模型、空間模型、路徑等文件如圖2所示，用戶(hù)通過(guò)打開(kāi)工作區(qū)文件從而搜索并獲取其他類(lèi)型文件的信息以建立場(chǎng)景對(duì)象。機(jī)器人、模型、路徑文件都可以為其他的工程所用，具有比較良好的重用性;相對(duì)路徑使得用戶(hù)即使改變了工程目錄存放的位置也不會(huì)影響文件的獲取，增加了RobotM的健壯性。

　　2.2場(chǎng)景層設(shè)計(jì)

　　場(chǎng)景層主要功能是完成場(chǎng)景中對(duì)象的建立、保存、繪制以及交互。作為模型層和示教層的中間層，場(chǎng)景層是機(jī)器人仿真系統(tǒng)中的連接部分。場(chǎng)景層從文件建立的過(guò)程如圖3所示。

　　由圖3可以看出場(chǎng)景的建立是一個(gè)從若干文件到仿真程序的空間實(shí)體對(duì)象的轉(zhuǎn)換過(guò)程，RobotM把用戶(hù)選取的工作區(qū)和其他一系列的文件轉(zhuǎn)化為RobotM 可以識(shí)別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象;同樣的，把RobotM中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象根據(jù)一定規(guī)則寫(xiě)入文件完成了保存過(guò)程。場(chǎng)景的繪制是仿真程序的重要部分。場(chǎng)景層利用模型層的實(shí)體繪制的接口，通過(guò)場(chǎng)景一(機(jī)器人)一空間模型一空間實(shí)體的方式調(diào)用各自的繪制函數(shù)，RobotM需要在屏幕上顯示動(dòng)畫(huà)來(lái)表示仿真結(jié)果，所以程序的繪制效率十分重要。

　　除了運(yùn)用普通的OpenGI繪制的各種增加效率的方式之外，本文為提高繪圖效率，在RobotM中提出了“必要重構(gòu)”的方法。即利用幾個(gè)BOOI量做為場(chǎng)景的各個(gè)部分(包括機(jī)器人模型、空間模型等部分)的重構(gòu)標(biāo)志(重構(gòu)是指利用OpenGL提供的glGenIist函數(shù)將需要繪制的內(nèi)容保存在內(nèi)存區(qū)域中，每次繪制時(shí)直接從中提取，而不需要再次組織)。RobotM在繪制的每一幀都只重構(gòu)改變過(guò)位置或者旋轉(zhuǎn)角度的對(duì)象(機(jī)器人模型和空間模型對(duì)象包括在內(nèi))，而對(duì)于沒(méi)有改變的對(duì)象則直接調(diào)用glCallList將對(duì)象繪制出來(lái)。這樣每一幀的繪制效率有很大提高，在程序仿真的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)顯示打頓的現(xiàn)象。

　　基于OpenGI的工業(yè)機(jī)器人三雛仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的交互提供給用戶(hù)比較便捷的操作功能。用戶(hù)根據(jù)自己的需要可以修改觀察和控制整個(gè)場(chǎng)景的方式(如旋轉(zhuǎn)、平移、改變光照等)，還可以直接用鼠標(biāo)在場(chǎng)景中選取目標(biāo)點(diǎn)或者空間實(shí)體。

　　2.3示教層設(shè)計(jì)

　　示教層主要是完成離線編程設(shè)計(jì)。上2層已經(jīng)為示教層的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。機(jī)器人離線編程的關(guān)鍵內(nèi)容是能夠根據(jù)用戶(hù)的輸入確定仿真程序中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置，這種關(guān)系與實(shí)際機(jī)器人和示教盒之間的關(guān)系相類(lèi)似。RobotM通過(guò)保存各個(gè)位置點(diǎn)和各個(gè)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真。

　　RobotM有一個(gè)小型解釋器，他能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人編程語(yǔ)言和RobotM能夠識(shí)別的運(yùn)動(dòng)文件格式的相互轉(zhuǎn)換。由于機(jī)器人編程實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)程序編譯器有自己的語(yǔ)法和語(yǔ)義，所以RobotM必須能夠?qū)崿F(xiàn)控制柜運(yùn)行的機(jī)器人控制文件和RobotM設(shè)計(jì)的程序相互轉(zhuǎn)換。

　　RobotM提供了2種確定機(jī)器人仿真運(yùn)動(dòng)末端點(diǎn)的方式：即轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)和定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)如同實(shí)際機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的示教盒示教，能夠通過(guò)用戶(hù)輸入在仿真程序中，使得指定的機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)部分運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng);而定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是RobotM中相對(duì)來(lái)說(shuō)比較重要的同時(shí)也是轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)無(wú)法做到的。利用場(chǎng)景層提供的接口，用glLoadName給場(chǎng)景中的每個(gè)需要確定位置的空間實(shí)體/空間模型/機(jī)器人模型創(chuàng)建惟一標(biāo)示的ID，在用戶(hù)鼠標(biāo)選取空間中的點(diǎn)時(shí)利用ID來(lái)確定用戶(hù)所選取的對(duì)象，在獲取對(duì)象之后利用OpenGI的glUnProjeet函數(shù)獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置在空間中的“世界”坐標(biāo)系下的位置，完成鼠標(biāo)平面坐標(biāo)一空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，利用仿真機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法使仿真機(jī)器人末端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到該空間坐標(biāo)，從而確定機(jī)器人需要運(yùn)動(dòng)到的某個(gè)點(diǎn)的位置。

　　通過(guò)若干步的上述2種過(guò)程的重復(fù)，完成這一系列點(diǎn)的設(shè)置，可以創(chuàng)建出路徑文件。路徑文件可以用來(lái)仿真也可以下傳到機(jī)器人控制柜。