機(jī)器手三維建模仿真是機(jī)器人各項(xiàng)仿真中的一個(gè)重要組成部分,對(duì)于機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真有重要的指導(dǎo)意義。LabWindows/ CVI(以下簡(jiǎn)稱CVI) 是美國(guó)NI 公司推出的交互式C 語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)。其集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了語(yǔ)言的功能,為熟悉C 語(yǔ)言的開發(fā)人員提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)平臺(tái)。由于在CVI 中已經(jīng)集成了OpenGL 圖形標(biāo)準(zhǔn),并且OpenGL編程類似于C 編程,實(shí)際接口就是C,相對(duì)基于Visual C++基礎(chǔ)類庫(kù)MFC 和OpenGL 開發(fā)的三維仿真平臺(tái),在CVI 中利用可視化技術(shù),開發(fā)基于OpenGL 的三維圖形更方便快捷,同時(shí)可在此三維模型平臺(tái)上方便地進(jìn)行軌跡規(guī)劃和控制算法等方面的仿真研究。
1 OpenGL的簡(jiǎn)介和基本操作過程
1.1 OpenGL簡(jiǎn)介
OpenGL圖形系統(tǒng)是圖形硬件的一種軟件接口。OpenGL是SGI公司開發(fā)的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn),它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)三維圖形和模型庫(kù),具有高度的可移植性,可以在多種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行,例如各種版本的Windows、Unix/ Linux 和Mac OS等,具有非??斓匿秩舅俣取K梢詫?duì)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)進(jìn)行控制,產(chǎn)生逼真的圖像或者虛構(gòu)出現(xiàn)實(shí)世界沒有的圖像,是高性能圖形和交互式場(chǎng)景處理的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。OpenGL 是一種高性能的開放式圖形庫(kù),它的圖形API以函數(shù)形式提供了115個(gè)核心庫(kù)函數(shù)、43個(gè)實(shí)用庫(kù)函數(shù)GLU、31個(gè)編程輔助庫(kù)函數(shù)GLAUX以及若干個(gè)X-Windows/MS-Windows專用庫(kù)函數(shù)GLX/WGL。OpenGL提供了多種三維圖形的繪制方法,包括線框繪制方式、深度優(yōu)先方式、反走樣方式、平面明暗處理方式、光滑明暗處理方式、陰影和紋理方式、運(yùn)動(dòng)模糊方式、大氣環(huán)境效果、深度域效果[3]。OpenGL的這些功能可以實(shí)現(xiàn)逼真的三維繪制效果,創(chuàng)建交互性三維場(chǎng)景和視景動(dòng)畫。
1.2 OpenGL的基本操作過程
OpenGL對(duì)三維圖形操作可以歸納為:場(chǎng)景描述、設(shè)置光照、觀察場(chǎng)景、光柵化,這個(gè)過程與人們觀察世界的過程是一致的,其具體操作步驟如下:
(1) 根據(jù)基本圖形建立景物模型,并對(duì)所建立的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)描述;
(2)把景物模型放在三維空間中合適的位置,并設(shè)置視點(diǎn)(Viewpoint),以觀察場(chǎng)景;
(3) 計(jì)算模型中所有物體的色彩,同時(shí)確定光照條件、紋理映射方式等;
(4) 把景物模型的數(shù)學(xué)描述及其色彩信息轉(zhuǎn)化至屏幕上的像素,即光柵化(RasterizATIon)。在這些步驟的執(zhí)行過程中,OpenGL 還可能執(zhí)行其他操作,如圖1所示。
程序從圖1的左側(cè)進(jìn)入,經(jīng)過一系列的運(yùn)算處理,將幾何頂點(diǎn)數(shù)據(jù)和圖像像素?cái)?shù)據(jù)加工后生成待顯示的幀。另外,景物光柵化之后被送入幀緩存前,還可以根據(jù)需要對(duì)像素進(jìn)行操作。
2 在LabWindows/CVI中配置OpenGL
在CVI開發(fā)環(huán)境中使用OpenGL開發(fā)三維仿真圖形的關(guān)鍵是如何配置CVI和OpenGL的圖形接口。
2.1 添加與OpenGL相關(guān)的頭文件和庫(kù)文件
在CVI下創(chuàng)建一個(gè)新的工程文件:OGLHand.prj,在OGLHand.c文件首部添加4個(gè)頭文件:
#include
#include//基本庫(kù)
#include//實(shí)用庫(kù)
#include//輔助庫(kù)
在CVI編輯器的主菜單“edit”中選取“Add Files to Project”下的“Library”,在彈出的對(duì)話框里選取CVIsdklib中的3個(gè)庫(kù)文件:glu32.lib、glaux.lib和opengl32.lib并添加到當(dāng)前工程中。
2.2 設(shè)置CVI與OpenGL圖形接口
雖然OpenGL已經(jīng)內(nèi)嵌在CVI中,但是要讓CVI控件顯示OpenGL圖形,必須把CVI的picture控件轉(zhuǎn)換成OpenGL控件。需要在工程中添加函數(shù)cviogl.fp,其路徑為:CVItoolslibcustctrl。并在OGLHand.c文件首部添加:#include'cviogl.h'。
在主函數(shù)main()里調(diào)用函數(shù)將CVI的picture控件轉(zhuǎn)換成OpenGL控件并返回控件句柄OGLCtrl,再調(diào)用InitControl()函數(shù)初始化OpenGL屬性,最后調(diào)用int OGLRefreshGraph(int Panel_Handle,int OGL_Control_Id)函數(shù)及時(shí)更新OpenGL控件圖形的場(chǎng)景和圖形屬性。
3 基于LabWindows/CVI和OpenGL的機(jī)器手三維建模
3.1建立OpenGL光照、視圖及透視模式
視圖決定模型在場(chǎng)景中的位置,同時(shí)要選擇一個(gè)有利的觀察點(diǎn)來觀察場(chǎng)景。通過定義光照、視圖及透視模式就能在二維屏幕上顯示出立體的三維圖形,這些都放在InitControl()函數(shù)中定義,包括初始化系統(tǒng)光照和初始化視圖位置。
// 初始化系統(tǒng)光照
OGLSetCtrlAttribute(hPanel,this->hControl,
OGLATTR_LIGHTING_ENABLE, 1);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_LIGHT_SELECT, 1);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_LIGHT_ENABLE, 1);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_LIGHT_DISTANCE, 2.0);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_LIGHT_LATITUDE, 30.0);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_LIGHT_LONGITUDE, 150.0);
// 初始化系統(tǒng)視圖位置
OGLSetCtrlAttribute(hPanel,this->hControl,
GLATTR_PROJECTION_TYPE,OGLVAL_PERSPE CTIVE);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_VIEW_DIRECTION,OGLVAL_ USER_DEFINED);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_VIEW_CENTERX, 0.0);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_VIEW_CENTERY, 0.0);
OGLSetCtrlAttribute(hPanel, this->hControl,
OGLATTR_VIEW_CENTERZ, 1.0);
3.2 建立渲染描述表
渲染圖像就是計(jì)算機(jī)根據(jù)模型創(chuàng)建圖像的過程,即三維圖形的顯示過程。要把一個(gè)物體的三維坐標(biāo)變換為屏幕上的像素坐標(biāo),最終使圖形在屏幕上顯示。
OpenGL坐標(biāo)變換包括:幾何變換、投影變換、剪取變換和視區(qū)變換,三維圖形的顯示流程如圖2所示。
視區(qū)變換矩陣:GLViewport(x,y,width,height);其中,參數(shù)x,y是視區(qū)在屏幕窗口坐標(biāo)系中的左上角坐標(biāo),width和height分別為視區(qū)的高度和寬度。注意變換只對(duì)其后的一系列操作產(chǎn)生影響,如在此之前屏幕上已有圖形,則變換對(duì)其不產(chǎn)生影響。變換后如交換緩存,則可形成動(dòng)畫,否則只在平面上作圖。
3.3 建立六自由度機(jī)器手模型
OpenGL提供對(duì)二維和三維圖形的基本操作,但是并不提供描述復(fù)雜幾何物體及建立復(fù)雜物體模型的手段,因而必須尋找自身的三維建模方法。對(duì)不太復(fù)雜的模型直接利用OpenGL的基本三維圖元(點(diǎn)、線、面)來構(gòu)造,既方便又快捷,易于對(duì)模型進(jìn)行操作和控制,缺點(diǎn)是建模的靈活度不大,不過對(duì)于建造本系統(tǒng)的三維模型已足夠[4]。
對(duì)實(shí)物進(jìn)行一定簡(jiǎn)化后建立的模型是由一些圓柱體、長(zhǎng)方體和球體組合而成。采用順序描述各個(gè)子體的方法來建立六自由度機(jī)器手模型。gluCylinder()用來繪制一個(gè)中空的二次柱面作為底座。gluDisk()用來繪制一個(gè)垂直于Z軸的圓盤。gluSphere()用來繪制一個(gè)球體作為關(guān)節(jié)。glRotatef()表示把當(dāng)前矩陣與一個(gè)表示旋轉(zhuǎn)的物體的矩陣相乘,以逆時(shí)針的方向繞著從原點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的直線旋轉(zhuǎn)。參數(shù)Rotation指定了旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。glTranslatef()把當(dāng)前矩陣與一個(gè)表示移動(dòng)物體的矩陣相乘,這個(gè)移動(dòng)矩陣由函數(shù)的參數(shù)指定,經(jīng)過平移的矩陣成為當(dāng)前的變換矩陣。由于在OpenGL里描述下一個(gè)物體都是在前一個(gè)物體的基礎(chǔ)上,因此每次都需要對(duì)新坐標(biāo)中心進(jìn)行定位。例如當(dāng)創(chuàng)建好機(jī)器人手臂的第一段后,為了創(chuàng)建手臂的第二段,需要使用函數(shù)glTranslate()把局部坐標(biāo)系統(tǒng)移動(dòng)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
模型的構(gòu)建過程采用分層結(jié)構(gòu),即在相應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中構(gòu)建各個(gè)模塊,這樣可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制,使其能夠繞著各自的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。兩只機(jī)器手的三維圖形如圖3所示。
3.4 機(jī)器手可視化仿真
機(jī)器人仿真的研究已經(jīng)成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人矚目的領(lǐng)域,對(duì)于驗(yàn)證機(jī)器人工作原理、工作空間及進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究等都具有非常重要的指導(dǎo)意義。而機(jī)器手作為機(jī)器人不可缺少的部分,對(duì)其進(jìn)行三維可視化仿真可以使研究者對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí),可以幫助研究人員對(duì)機(jī)器人身體各個(gè)部分的位置關(guān)系建立正確的方程,可用于檢驗(yàn)軌跡規(guī)劃和作業(yè)規(guī)則的正確性和合理性,可為離線編程技術(shù)的研究提供一種有效的驗(yàn)證手段。顯然,采用可視化仿真技術(shù)的好處在于:
(1)從上位機(jī)的圖形上就可以看到機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)情況,增加了視覺效果;
(2)對(duì)于機(jī)器手在危險(xiǎn)環(huán)境或者遠(yuǎn)距離工作,而人又無法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí),采用此項(xiàng)技術(shù)的意義是明顯的,它可以保證人在上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器手的工作狀況,以便發(fā)出新的控制指令。
3.4.1實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器手仿真界面
在仿真界面上設(shè)置了機(jī)器手的觀察者位置、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)位置變換旋鈕,以及機(jī)器手爪子的分合選項(xiàng),左右手控制選項(xiàng),鏡頭距離拉近,退出選項(xiàng)。如圖4所示。
3.4.2 實(shí)現(xiàn)機(jī)器手的動(dòng)畫
為了實(shí)現(xiàn)平滑的動(dòng)畫效果,OpenGL采用雙緩存技術(shù),雙緩存是指位平面被分為前臺(tái)緩存(顯示緩存)和后臺(tái)緩存(內(nèi)存緩存)。后臺(tái)緩存計(jì)算場(chǎng)景、生成動(dòng)畫,前臺(tái)緩存顯示后臺(tái)緩存已經(jīng)畫好的畫面。所以只有前臺(tái)緩存才被顯示。
因此當(dāng)完整的畫面在后臺(tái)緩存中畫出以后,就調(diào)用SwapBuffers()函數(shù),使其成為為前臺(tái)可見。這樣循環(huán)往復(fù),隱藏了畫圖的過程,視頻圖像可以在人眼覺察不到的時(shí)間間隔交替出現(xiàn),于是看起來所有的畫面都是連續(xù)的。所以通過仿真界面可以控制機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)軌跡。
利用CVI 和OpenGL的接口以及OpenGL 在三維圖形中的卓越表現(xiàn),建立了機(jī)器手的模型,設(shè)計(jì)了基于LabWindows/CVI 和OpenGL 的六自由度機(jī)器手三維仿真系統(tǒng),能夠直觀、正確、快捷地模擬現(xiàn)實(shí)機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)情況。作為進(jìn)一步的研究,在此基礎(chǔ)上,可以進(jìn)行機(jī)器手視覺的仿真研究。
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