摘要：研究了OpenGL在工業(yè)機(jī)器人仿真中的應(yīng)用及其實(shí)現(xiàn)方法，利用OpenGL卓越的渲染功能對(duì)場(chǎng)景和機(jī)器人進(jìn)行繪制，形成真實(shí)感比較強(qiáng)的三雄仿真環(huán)境，介紹了自行開發(fā)的機(jī)器人離線壕程程序RobotM，RobotM具有機(jī)器人模型的創(chuàng)建、動(dòng)畫仿真、自動(dòng)路徑產(chǎn)生等功能，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人離線鳊程與仿真系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；三維仿真；OpenGL；離線壕程

1 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的運(yùn)用與發(fā)展，機(jī)器人編程技術(shù)成為一個(gè)很重要的問題。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圖形仿真來避免實(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發(fā)。

OpenGI是與圖形硬件無關(guān)的程序設(shè)計(jì)接口，而且OpenGI的類庫(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+開發(fā)工具以及MFC類庫(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類庫(kù)，構(gòu)建了一系列底層的類對(duì)象，RobotM利用這些封裝好的類對(duì)象來構(gòu)建場(chǎng)景以及完成場(chǎng)景和用戶的交互。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)汽車焊接生產(chǎn)線時(shí)，用一個(gè)空間模型對(duì)象來描述汽車對(duì)象可以很容易地控制這個(gè)汽車對(duì)象。RobotM對(duì)于每種空間實(shí)體類型都利用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，用戶通過打開工作區(qū)文件從而搜索并獲取其他類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)換過程，RobotM把用戶選取的工作區(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)則寫入文件完成了保存過程。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)畫來表示仿真結(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)于沒有改變的對(duì)象則直接調(diào)用glCallList將對(duì)象繪制出來。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比較便捷的操作功能。用戶根據(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)系相類似。RobotM通過保存各個(gè)位置點(diǎn)和各個(gè)點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)方式來描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡來實(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法和語義，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，能夠通過用戶輸入在仿真程序中，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)來說比較重要的同時(shí)也是轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)無法做到的。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，在用戶鼠標(biāo)選取空間中的點(diǎn)時(shí)利用ID來確定用戶所選取的對(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。

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

2.4輔助模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人仿真程序還有其他一些獨(dú)立模塊并沒有歸結(jié)到上述3層結(jié)構(gòu)中。但是這些模塊和上述3層之間有著緊密聯(lián)系。

2.4.1算法模塊

考慮到機(jī)器人仿真程序需要對(duì)路徑進(jìn)行仿真，所以必須提供相應(yīng)的機(jī)器人的正逆解算法以及關(guān)節(jié)插補(bǔ)、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等算法。由于對(duì)于不同的機(jī)器人有不同的正逆解，所以在仿真系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的上述算法比較困難，所以嘗試用文件來描述機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)，取得了比較好的效果。

2.4.2其他模型模塊

仿真程序提供了不同的構(gòu)建模型的方式，分別為Mdl，3DS，Obj文件格式。也就是說提供了不同的文件接口，通過這些文件接口可以在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)不同的構(gòu)建模型方式。

2.4.3通信模塊

把機(jī)器人仿真程序產(chǎn)生的文件下傳到控制柜或者讀取控制柜中的文件，利用RS232／BSC實(shí)現(xiàn)了文件的上下傳。 RobotM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖4所示，首先構(gòu)建了SIASUN機(jī)器人模型。

3 結(jié)語

本文介紹了作者開發(fā)的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)RobotM，描述了系統(tǒng)的主要功能及其原理。而今后的主要工作是添加路徑規(guī)劃和碰撞檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)。

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