李泰國，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，空間機械臂應用技術(shù)已經(jīng)成為空間技術(shù)的重要研究方向。由于機器臂結(jié)構(gòu)復雜、真實設(shè)備成本昂貴、實驗條件受限等問題，會對機械臂的實驗研究開展帶來一定難度。因此，在機械臂的設(shè)計研究中，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，并廣泛應用于機械臂研究和開發(fā)的各個方面。機械臂圖形仿真涉及機械臂機構(gòu)學、運動學、零件建模、機械臂三維實現(xiàn)、運動控制和機械臂路徑規(guī)劃，是一項綜合性的有創(chuàng)新意義和實用價值的研究課題。因此針對機械臂在不同平臺下(如OpenGL、MATLAB機器人工具箱、LabView、ADAMS等)不同性能的仿真試驗，給機械臂的研究帶來了便利。能夠為機器臂結(jié)構(gòu)方案與相關(guān)設(shè)計提供強有力的支撐；能夠有效地幫助設(shè)計師掌握機械臂工作空間的形態(tài)和極限；也能夠為離線編程人員提供一種有效的驗證手段；還能幫助檢測機械臂的工作環(huán)境與機械臂之間是否存在干涉，以保證機械臂運行的絕對安全等[1-4]。

目前，存在多種設(shè)計軟件方便進行機械臂的仿真研究，包括三維設(shè)計軟件UG、Pro/E、Solidworks，仿真軟件ADAMS、機器人專用軟件WorkSpace、專用計算軟件Matlab等。但是從三維建模，嵌入控制算法，實現(xiàn)3D仿真難易程度等多方面進行分析，發(fā)現(xiàn)UG、Pro/E、Solidworks等在機構(gòu)仿真方面有一定的優(yōu)勢，但是難以滿足機械臂控制仿真的要求；ADAMS和WorkSpace等仿真軟件在嵌入用戶開發(fā)算法方面存在明顯的不足；Matlab在算法開發(fā)和正確性驗證方面有優(yōu)勢，但是難于直接對控制器進行驅(qū)動。而OpenGL是一個跨平臺、開源的圖形程序接口，具有較好的可視化功能，能夠為仿真及場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)實世界物體對光的反射、散射原理，增強了曲面的材質(zhì)感和臨場感，達到了良好的現(xiàn)實逼真效果。采用OpenGL技術(shù)，在Windows環(huán)境下以Visual C++為基礎(chǔ)進行機械臂三維重構(gòu)可視化研究，便于嵌入用戶控制算法，滿足機械臂控制仿真的要求。

1 模型建立及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在計算機圖形學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程中，如果直接利用OpenGL庫提供的基本幾何體構(gòu)造復雜的圖形是相當困難的。原因在于OpenGL只能通過基本的幾何圖元點、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命令。此外，如果直接利用OpenGL繪制復雜三維模型，則需要在程序設(shè)計時使用大量的繪圖語句。這樣OpenGL程序在運行時將占有大量內(nèi)存，導致程序執(zhí)行效率降低，相應地會增加程序設(shè)計的復雜度和工作量；并且程序的通用性和簡便性很難滿足，給系統(tǒng)的開發(fā)帶來了極大困難。

由于OpenGL對模型的數(shù)據(jù)格式相對比較通用，沒有特殊的要求。在仿真研究過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)導入OpenGL。然后在開發(fā)環(huán)境(Visual C++、LabView等)中直接獲取模型數(shù)據(jù)，結(jié)合OpenGL進行繪制及交互控制。該方法的優(yōu)勢在于可以利用專業(yè)建模軟件3D Studio MAX的優(yōu)點，快速建立復雜三維模型，還可以借助OpenGL的編程接口對模型進行實時繪制和交互控制，提高程序的執(zhí)行效率，降低建模時間，加快系統(tǒng)開發(fā)進程[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Chunk描述了諸如場景數(shù)據(jù)，每個編輯窗口的狀態(tài)、材質(zhì)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等[9]。Chunk由兩部分組成：ID和Length(下一個數(shù)據(jù)的位置)。二進制的3DS文件采用小尾端格式存儲，即低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。3DS中每個塊的數(shù)據(jù)組織格式包括“塊ID”、“塊長度”和“塊數(shù)據(jù)”。

每個3DS文件都包括一個塊ID是“0x4D4D”的基本塊?；緣K是在3DS文件中必須存在的，也可用于檢測一個文件是不是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)鍵幀塊表明開始定義關(guān)鍵幀信息。3DS主要的幾個塊的ID及信息，包括(0xAFFF，材質(zhì)信息開始)、(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，模型中對象信息)、(0x4110，對象中定點信息)、(0x4120，對象中三角面信息)、(0x4140，紋理坐標)。

2 基于OpenGL和VC++ MFC的空間機械臂三維重構(gòu)

2.1 OpenGL與MFC的接口

為使Windows能正確執(zhí)行OpenGL的API函數(shù)，首先必須對繪圖環(huán)境進行初始化，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)境初始化過程如表1所示。

表1 OpenGL繪制環(huán)境初始化

2.2 空間機械臂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)。基于面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，設(shè)計了5個類用于空間機械臂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(定義模型對象信息)、tMaterialInfo(定義材質(zhì)信息)和tFace(定義頂點信息和紋理坐標信息)。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)的臨時變量。

算法步驟：

Step1：初始化變量，打開3DS文件；

Step2：讀取第一塊數(shù)據(jù)的ID及數(shù)據(jù)長度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)長度ReadBytesLen是否小于塊長度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 空間機械臂三維模型的重繪

將三維模型及場景數(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：計算3DS模型中各個面的法向量；

Step1.4：保存計算后的各個面的法向量。

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??；

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

Step4：遍歷3DModel對象，對存儲的對象逐一進行繪制，如果有紋理映射信息，則打開紋理映射；

Step5：開始以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，獲得面對每個點的索引。給出法向量，最后完成繪制；

Step6：根據(jù)機械臂運動學求解結(jié)果判斷機械臂是否需要重繪；

Step6.1：如果是機械臂正運動學控制，則按從以太網(wǎng)接收到的機械臂各關(guān)節(jié)角的個數(shù)進行機械臂形狀的重繪；

Step6.2：如果是機械臂逆運動學控制，則根據(jù)從以太網(wǎng)接收到的機械臂末端狀態(tài)解算出各關(guān)節(jié)角，再進行機械臂形狀的重繪。

Step7：程序結(jié)束。

3 空間機械臂參數(shù)

空間七自由度機械臂是一個完全結(jié)構(gòu)對稱的冗余型機械臂，與臂桿兩端相連接的3個關(guān)節(jié)完全相同并且對稱。通過對空間機械臂的結(jié)構(gòu)特征進行分析，建立的空間機械臂D-H坐標系如圖2所示，D-H參數(shù)如表2所示。

圖2 空間機械臂D-H坐標系

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)機械臂D-H參數(shù)可以完成機械臂的正運動學和逆運動學的求解，根據(jù)正運動學的解算可以完成機械臂正運動的仿真控制；若已知機械臂末端執(zhí)行器的坐標位置，則可以通過該位置坐標結(jié)合逆運動學求解公式計算出機械臂各個關(guān)節(jié)的角度值，可以完成機械臂的逆運動控制及路徑規(guī)劃控制。將機械臂的正逆運動學的求解算法嵌入基于OpenGL的空間機械臂三維模型中，通過利用圖形程序接口來完成場景及三維模型的更新顯示，以此可以達到動態(tài)顯示三維仿真的效果[12-14]。

4 空間機械臂三維可視化系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

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

4.2 系統(tǒng)運行效果

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

圖3 機械臂三維可視化系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 空間機械臂三維可視化系統(tǒng)運行效果

5 結(jié)束語

利用3D Studio MAX建模具有模型逼真形象、開發(fā)效率高的特點，完成空間機械臂三維模型及場景的創(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)進行三維模型的重繪，大大降低了OpenGL建立復雜模型的難度。在此基礎(chǔ)上，運用OpenGL對三維模型的處理技術(shù)，對三維模型場景進行實時渲染，使得生成的場景逼真，真實感強。建立的空間機械臂三維可視化系統(tǒng)可實現(xiàn)空間機械臂的運動學仿真，為進一步研究空間機械臂的路徑規(guī)劃研究奠定基礎(chǔ)。

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