基于OpenGL的机器人仿真系统研究

2009-9-23 作者: 莫才颂 来源: 万方数据

关键字: 图形仿真 OpenGL 机器人仿真 

以遥操作机器人从手仿真系统为背景,介绍了OpenGL的应用特点,分析了遥操作从手机器人仿真系统的系统原理及系统软件模块图,研究了。penGL在图形仿真系统中的具体应用,探讨了系统的实现方法,并指出了OpenGL在该系统中应用的不足及提出了进一步的改进措施,取得了良好的效果。该方法对其它场合的应用也具有一定的参考价值。

  机器人从出现到现在的短短儿十年中,已经广泛应用于国民经济的各个领域,在现代工业生产中,机器人已成为人类不可缺的好帮手;在航空航天、海底探险中,机器人更是能完成人类所难以完成的工作。

  目前,机器人的研究、设计、制造和应用,正受到许多国家的广泛重视,是一个国家科技水平和经济实力的象征。机器人图形仿真系统作为机器人研究与设计的灵活方便、安全可靠的工具,发挥着重要的作用。它在机器人的诸多方面得到广泛的应用一’〕。例如:能为机器人本体结构方案设计提供参考依据;能为研究人员了解机器人工作空间的极限及形态提供有效的帮助;能用于分析检验作业规划和轨迹规划的合理性与正确性;能为离线编程技术的研究提供一种极为有效的验证手段;能用于检测机器人与作业环境之间的干涉与碰撞时保证多个生产单元的安全。除此之外,图形仿真技术还能够帮助用户选择合适特定作业的机器人产品类型。总之,它在机器人的研究、设计、开发应用中正起着越来越重要的作用。

  开发一个成功的机器人图形仿真系统需要强而有力的开发工具。在目前众多的开发工具中,OpenGL是非常实用而又方便的一种。

  1、OpenGL的应用特点

  OpenGL(Open Graphics Library)是由SGI公司为其图形工作站开发的标准的三维计算机图形软件接口。它的接口是开放的,适用于多种硬件平台及操作系统,用户可以方便地利用这个图形库,创建出接近光线跟踪的高质量静止或动画的三维彩色图像[或。它的主要特点如下。

  (1)由于OpenGL的作用机制是客户(client )/服务器(sever)机制,因此它是网络透明的,可以十分方便的在网络环境下使用。此外,可以在VC下,利用MFC类库作为OpenGL与Windows98的接口,编译出动态链接库.以供用户的其它应用程序调用。

  (2)OpenGL是与硬件无关的软件接口,可以在多种硬件平台上运行,源程序可以不加修改地运行在不同操作系统的个人计算机和工作站上,这个特性使得OpenGL的应用程序有很好的可移植性。

  微机的硬件性能在近几年得到了显著的提高,配合32位操作系统的出现,整体性能已经超过了早期的工作站水平,同时,Microsoft把OpenGL集成到Windows NT和Windows98中,用户既可以在熟悉的Windows。环境下开发OpenGL应用程序,又可以方便地把已有的工作站上的程序移植过来。使用Visual C+十和OpenGL图形库在微机上实现高品质、交互式三维图像也更加方便。这将促进快速开发高效率、低成本的机器人仿真系统。

  本文以遥操作从手仿真系统为背景,研究了微机平台上OpenGL在机器人仿真系统中的应用,取得了良好的效果。系统图形仿真效果如图1所示。

  2、遥操作从手仿真系统应用原理

  据图2,将遥操作从手仿真系统原理概括如下:

  主手传感器测出主手各个关节角,由A/D接口将其传人计算机;再经计算机运动学正解算,得到主手位姿;然后将主手位姿按一定比例转换为从手位姿;再由运动学逆解算得到从手各关节角,从而驱动从乎图形仿真模块进行图形仿真;再根据场景动力学模型解算出主手驱动力,井通过DlA接口传给主手控制系统,从而驱动主手运动。

  该机器人仿真系统的相关软件模块图如图3所示。

  (1)通信模块:完成主手与计算机的数据交换功能,也对相关数据进行采集与发送。

  (2)主、从手数据转换模块:根据采集到的主手数据,经过运动学正反解,得到从手数据。

  (3)场景动力学模块:由从手数据和预先建好的环境模型,计算出主手的驱动力。

  (4)图形建模模块:建立机器人图形模型。

  (5)图形绘制模块:完成机器人图形绘制工作。

  (6)文档说明:为系统提供必要的帮助与说明。

  (7)数据库:存储必要的数据,以便进一步分析、处理。

  本系统采用Windows98操作系统,Visual C++6.0为开发工具。系统的图形建模模块与图形绘制模块,主要用OpenGL来实现。下面着重介绍这两模块的实现方法,以说明OpenGL的应用。




责任编辑:熊东旭