基于VB與OpenGL的機器人三維運動仿真系統(tǒng)的設計

1、基于VB 與OpenG L 的機器人三維運動仿真系統(tǒng)的設計馬壯,周建利,柳延領(唐山學院,河北唐山063000摘要:介紹了OpenG L 及三維仿真技術與特點,并在Visual C + 6.0編程環(huán)境下如何利用OpenG L 進行虛擬機器人和虛擬場景的建立提出了具體方法。系統(tǒng)在Visual Basic 6.0語言環(huán)境下建立的用戶界面中,建立了機器人運動三維仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現機器人的漫游、投擲等動作的仿真功能。關鍵詞:OpenG L ;仿真;虛擬機器人;Visual Basic 6.0中圖分類號:TP224;TP391.9文獻標志碼:A 文章編號:100320794(200811200142

2、03Design of 3-D Sporting -simulation System B ased on VB and OpenG LMA Zhu ang ,ZH OU Jian -li ,LIU Yan -ling(T angshan C ollege ,T angshan 063000,China 0引言OpenG L (Open G raphic Library ,即開放式圖形庫,是Silicon G raphics 公司在其推出的IRIS G L 圖形庫基礎上發(fā)展起來的,可以廣泛使用于PC 、工作站和超級計算機上的開放式三維圖形應用和程序接口,主要針對專業(yè)C AD/C AM 設計領域

3、,具有較強的可移植性。OpenG L 圖形具有內核小、運行快等特點,能快速響應實時計算的結果,從而保證了圖形運行時畫面的流暢性,經常被應用于實時計算的動態(tài)環(huán)境中;OpenG L 的圖形功能優(yōu)勢和Visual C +可重用性、可擴展性、交互性好的編程優(yōu)勢,可完美地實現參數化實時動態(tài)仿真及虛擬現實。1OpenG L 的基本處理流程OpenG L 基本工作流程如圖1所示 。圖1OpenG L 基本工作流程對于創(chuàng)建一個三維圖形的基本步驟,大致上包括下面3個環(huán)節(jié):建模、設置視點、設定環(huán)境。有了這些描述,OpenG L 將根據數學描述,通過計算得到該三維物體的空間位置和色彩信息,進而轉化為計算機上的像素,

4、即光柵化過程。同時,還可能有諸如計算消隱、像素處理等操作,最后光柵后的數據被送到幀緩沖區(qū),三維物體即可以顯示在屏幕上。2三維移動機器人運動仿真系統(tǒng)的具體技術實現2.1三維坐標變換坐標變換是OpenG L 最基本的功能之一。若要實現機器人的移動和追逐,就需要坐標不斷變換。坐標變換的關鍵是“眼睛坐標系”(簡稱ECS 和“目標坐標系”(簡稱OCS ,以及各個API 函數使用坐標。在初始條件下,OCS 與ECS 是重合的,但可以對“目標坐標系”作各種變換:平移、伸縮、旋轉。2.2機器人體的建模描述一個人形物體(即簡化的人體可以分為19個部分,在各關節(jié)之間建立相互關系。創(chuàng)建形體,就是把分立的物體組合到一

5、起,這些分立的物體可以獨立地操作。圖2描述了人形物體在定義形體時的基本要素及其相互關系。在定義形體時, 首先圖2人體的二維模型41第29卷第11期2008年11月煤礦機械C oal Mine MachineryV ol 129N o 111N ov.2008是定義一個根物體,然后定義子物體。對于人形物體,其根物體自然就是腹股溝,連在軀干上的其余部分為軀干的子物體。表1和圖3是對人體各個關節(jié)的描述。表1各個番號關節(jié)對應的名稱番號名稱番號名稱1G roin (root 11Leftthumb 2W aist 12Right finger 3Neck 13Left finger 4Right sho

6、ulder 14Right hip 5Left shoulder 15Left hip 6Right elbow 16Right knee 7Leftelbow17Left knee 8Right wrist 18Right ankle 9Left wrist 19Leftankle 10Rightthumb圖3各關節(jié)番號三維物體是在三維坐標中定義的, 但當計算機圖形上的點繪制到屏幕上時,顯示在屏幕上的三維物體是二維的圖像。因此,將幾何物體的三維坐標轉化到屏幕上的像素位置時,需經過3種變換:投影變換、裁剪變換、視圖變換。通過矩陣相乘所表示的變換,包括造型、視圖和投影等操作。這些操作包括旋轉、平

7、移、縮放、反射、正交投影和透視投影。通常需要將幾種變換結合起來繪制場景。2.3三維移動機器人仿真系統(tǒng)的設計與實現機器人運動仿真系統(tǒng)的控制界面主要由floor 框架、camera 框架、anime 框架和圖片顯示框組成,仿真系統(tǒng)的主要功能是通過對floor 、camera 、anime3個框架的設置來完成的。其具體功能分別為:floor 框架主要是對環(huán)境的渲染;Camera 框架主要是對視體進行視點變換、模型變換、投影變換和視口變換,從而多角度、全方位地觀察物體;anime 主要是記錄機器人行走的幀數及總共所用的時間等。本系統(tǒng)主要以機器人投擲物體部分為重點介紹、分析系統(tǒng)的如何實現。對逆轉運動學來

8、說,大多數方案運用傳感器(通常是視覺和力 來估計機器人身體的當前位置。只要有了這些,機器人就能夠計劃下一步行動,如握手、問好等,圖4為二維手的位置圖。圖4手的位置圖和手投擲物體的姿勢假設在二維空間中,自由度為2的手的關節(jié)角為q 1 、q 2,肋關節(jié)點為A ,c 1、c 2分別為臂長,若手的位置為P (x , y ,則存在下面的關系式x =c 1cos q 1+c 2cos (q 1+q 2y =c 1sin q 1+c 2sin (q 1+q 2對于逆運動學,假設手的位置P (x ,y ,來實現(q 1,q 2的求解過程,在三角形OA P 中有=arccos (c 21+c 22-x 2-y2

9、2c 1c 2q 1=arctan (yx-d 0=c 2sin q h =c 0+c 3-c 2cos q x h y hz h=x 0+d 0cos +c 1sin y 0+d 0sin -c 1cos h(1投擲物體動作假設物體位于人體中心的距離為d 0,手臂與軀干的角度為q ,臂長為c 2,肩寬為c 1,上肢體長為c 0,下肢體長為c 3,人體的中心坐標為(x 0,y 0,正方向角為(圖5是手的基本姿勢,則投擲物體對應的坐標為d 0=c 2sin q h =c 0+c 3-c 2cos q x h y h z h=x 0+d 0cos +c 1sin y 0+d 0sin -c 1co

10、s h圖5手的基本姿勢和手的位置(2手的位置及姿勢圖5是手的基本姿勢和位置。手與各坐標軸的旋轉坐標分別為x 1y 1z 1=1000cos q 810-sin q 8100sin q 810cos q 81000-c 5第29卷第11期基于V B 與O penG L 的機器人三維運動仿真系統(tǒng)的設計馬壯,等V ol 129N o 111基于MathCAD 的內齒行星齒輪減速器參數計算呂延杰,張淳(陜西科技大學,西安710021摘要:內齒行星齒輪減速器由于其內、外齒輪齒數差很小,因此在設計加工時需要滿足的限制條件較多;使用MathC AD 軟件內置的函數,求解滿足多個限制條件的內齒行星齒輪減速器的

11、變位系數和嚙合角。關鍵詞:MathC AD ;內齒行星齒輪減速器;變位系數;嚙合角中圖分類號:TH1321425文獻標志碼:A 文章編號:100320794(20081120016203C alculate P arameters of I nner T eeth Planetary G earing T ransmissionB ased on MathCADL V Yan -jie ,ZH ANG Chun(Shanxi University of Science and T echnology ,X i an 710021,China Abstract :Delta of teeth o

12、f annular and external gear in inner teeth planetary gearing transmission is s o littlethat it need to fit many constraints when designing and manufacturing ,using built -in function of MathC AD obtain the m odification coefficient and locking angle which suffice several constraints.K ey w ords :Mat

13、hC AD ;inner teeth planetary gearing transmission ;m odification coefficient ;locking angle0引言內齒行星齒輪機構是一種新型的少齒差內嚙合齒輪傳動機構,俗稱三環(huán)減速器。其基本構造如圖1所示。2根互相平行且各具有3個偏心軸頸的高x 2y 2z 2 =cos q 8110-sin q 810010sin q 8100cos q 811x 1y 1z 1x 3y 3z 3=cos q 812-sin q 8100sin q 812cos q 812001x 2y 2z 2式中q 810手與x 軸的旋轉角;q 8

14、.1手與-y 軸的旋轉角;q 8.2手與z 軸的旋轉角。3軟件程序實現步驟(1明確VB 與VC +、OpenG L 的關系,如圖6所示。圖6VB 、VC +與OpenG L 的關系(2建立VC 與OpenG L 的應用接口首先,必須重新設置畫圖窗口的像素格式,使其符合O penG L 對象格式的需要。完成后為O penG L 建立著色場景。W in32API 提供了幾個操作著色場景的函數,包括建立、復制、使用、刪除、查詢等。(3在Visual C + 6.0中創(chuàng)建D LL 文件,D LL 文件主要提供VB 進行對所需函數的各種調用。(4利用VB 調用D LL 與實現。4結語在本系統(tǒng)中,應用VB

15、 調用Visual C +與開放式圖形庫OpenG L 來編寫三維移動機器人運動仿真系統(tǒng),對二維移動機器人仿真系統(tǒng)進行完善。本系統(tǒng)實現較逼真的仿真效果,并且可以對霧化、紋理等效果進行比較。和二維仿真系統(tǒng)類似,實現機器人的漫游、避障、追逐等功能,可以驗證簡單的控制算法,有一定的應用價值。參考文獻:1郭兆榮,李菁,王彥.Visual C +OpenG L 應用程序開發(fā)M.北京:人民郵電出版社,2006.2曹自洋,郝礦榮.OpenG L 在機器人三維動態(tài)仿真系統(tǒng)中的應用J .計算機應用研究,2004(5:200-204.3徐運武,李艷.淺談OpenG L 在機器人三維仿真的應用J .機械研究與應用,2007,19(6:103-104.