基于OpenGL的工業(yè)機器人三維仿真設計與實(shí)現

　　關(guān)鍵詞：機器人;三雄仿真;OpenGL;離線(xiàn)壕程

　　1 引言

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

　　OpenGI是與圖形硬件無(wú)關(guān)的程序設計接口，而且OpenGI的類(lèi)庫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、平臺獨立性、真實(shí)性強、對于系統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)庫作為底層的圖形庫接口實(shí)現仿真設計。離線(xiàn)仿真原理如圖1所示。

　　2 系統結構詳述

　　系統模塊圖如圖2所示。

　　圖2說(shuō)明了RobotM采用了分層次結構設計的方法，將整體程序設計成為3層結構，每一層的設計都相對獨立，從而提高了程序的可移植性并且減輕了程序的維護難度。

　　 2.1模型層設計

　　模型層利用OpenGI和MFC類(lèi)庫，構建了一系列底層的類(lèi)對象，RobotM利用這些封裝好的類(lèi)對象來(lái)構建場(chǎng)景以及完成場(chǎng)景和用戶(hù)的交互。在RobotM設計中增加了空間實(shí)體、空間模型、機器人模型的概念。

　　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。由于機器人仿真具有一定的特殊性，把機器人設定為一個(gè)實(shí)體或者一個(gè)模型顯然是不合適的，所以可以把機器人以每一個(gè)轉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(xiàn)時(shí)，用一個(gè)空間模型對象來(lái)描述汽車(chē)對象可以很容易地控制這個(gè)汽車(chē)對象。RobotM對于每種空間實(shí)體類(lèi)型都利用OpenGI提供的GlgenList/glCallList函數實(shí)現了一套構建/繪制的函數，利用空間實(shí)體一空間模型一機器人模型的組織方式和C++面向對象技術(shù)中的多態(tài)性，最終把機器人模型和空間模型的繪制工作都歸結為空間實(shí)體對象的繪制。

　　RobotM把仿真內容保存為流文件。文件是按照分層結構且以相對路徑存儲并設計的，即工作區、機器人模型、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)景對象。機器人、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)景層設計

　　場(chǎng)景層主要功能是完成場(chǎng)景中對象的建立、保存、繪制以及交互。作為模型層和示教層的中間層，場(chǎng)景層是機器人仿真系統中的連接部分。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)體對象的轉換過(guò)程，RobotM把用戶(hù)選取的工作區和其他一系列的文件轉化為RobotM 可以識別的數據結構對象;同樣的，把RobotM中的數據結構對象根據一定規則寫(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(機器人)一空間模型一空間實(shí)體的方式調用各自的繪制函數，RobotM需要在屏幕上顯示動(dòng)畫(huà)來(lái)表示仿真結果，所以程序的繪制效率十分重要。

　　除了運用普通的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”的方法。即利用幾個(gè)BOOI量做為場(chǎng)景的各個(gè)部分(包括機器人模型、空間模型等部分)的重構標志(重構是指利用OpenGL提供的glGenIist函數將需要繪制的內容保存在內存區域中，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改變過(guò)位置或者旋轉角度的對象(機器人模型和空間模型對象包括在內)，而對于沒(méi)有改變的對象則直接調用glCallList將對象繪制出來(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 )出現顯示打頓的現象。

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

　　2.3示教層設計

　　示教層主要是完成離線(xiàn)編程設計。上2層已經(jīng)為示教層的設計打下了良好的基礎。機器人離線(xiàn)編程的關(guān)鍵內容是能夠根據用戶(hù)的輸入確定仿真程序中機器人的運動(dòng)方式和機器人運動(dòng)位置，這種關(guān)系與實(shí)際機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)之間的運動(dòng)方式來(lái)描述機器人運動(dòng)的軌跡來(lái)實(shí)現仿真。

　　RobotM有一個(gè)小型解釋器，他能夠實(shí)現機器人編程語(yǔ)言和RobotM能夠識別的運動(dòng)文件格式的相互轉換。由于機器人編程實(shí)現的運動(dòng)程序編譯器有自己的語(yǔ)法和語(yǔ)義，所以RobotM必須能夠實(shí)現控制柜運行的機器人控制文件和RobotM設計的程序相互轉換。

　　RobotM提供了2種確定機器人仿真運動(dòng)末端點(diǎn)的方式：即轉角運動(dòng)和定點(diǎn)運動(dòng)。轉角運動(dòng)如同實(shí)際機器人運動(dòng)中的示教盒示教，能夠通過(guò)用戶(hù)輸入在仿真程序中，使得指定的機器人各個(gè)關(guān)節部分運動(dòng)，從而實(shí)現機器人的轉角運動(dòng);而定點(diǎn)運動(dòng)是RobotM中相對來(lái)說(shuō)比較重要的同時(shí)也是轉角運動(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/機器人模型創(chuàng )建惟一標示的ID，在用戶(hù)鼠標選取空間中的點(diǎn)時(shí)利用ID來(lái)確定用戶(hù)所選取的對象，在獲取對象之后利用OpenGI的glUnProjeet函數獲取鼠標點(diǎn)擊位置在空間中的“世界”坐標系下的位置，完成鼠標平面坐標一空間坐標的轉換，利用仿真機器人的運動(dòng)方法使仿真機器人末端點(diǎn)運動(dòng)到該空間坐標，從而確定機器人需要運動(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，完成這一系列點(diǎn)的設置，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器人控制柜。