基于OpenGL的机械臂虚拟仿真

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1、万方数据基孑OpenGL的机械臂虚拟仿真六口张冬梅口喻勇涛口刘志林口朱齐丹哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001摘要：结合VisualC++和OpenGL，对蒸汽发生器检修机械臂进行了可视化仿真，建立了一个开放的、基础功能完整的仿真平台。首先采用调用OpenGL函数和加载3DS文件相结合的方法绘制了三维模型；其次从运动正解和反解两方面对机械臂进行了运动学分析，建立了运动学模型；最后，对机械臂工作过程的各种碰撞情况进行了分析，实现了碰撞检测算法。关键词：OpenGL机械臂碰撞检测虚拟仿真中图分类号：TH873．7文献标识码：A文章编号：1000—4998(2010)09—0046—04O

2、penGL是一个与平台无关的三维图形库，提供了数百个库函数供用户使用，图形程序员利用这些函数可以生成具有良好真实感和沉浸感的三维图形。目前，OpenGL广泛应用于游戏、医学影像、地理信息和气象模拟等领域，是高性能图形和交互性场景处理的工业标准⋯。蒸汽发生器是核电系统的反应堆冷却回路和蒸汽发生回路之间的连接枢纽，由于各种腐蚀常导致其故障，为了保持整个系统的安全稳定运行，需要对蒸汽发生器做定期的检修和维护，但是由于发生器内部存在对人体有害的放射性物质，需要用机械臂代替人来完成检修工作。对检修机械臂进行可视化仿真，不但可以进行理论研究，如验证各种控制算法的有效性，还可以为实践活动节约成本、节省时

3、间，具有较大的理论意义和现实意义。1模型绘制需要绘制的模型包括机械臂模型和蒸汽发生器模型。其中，机械臂的模型可以通过OpenGL直接进行绘制，而蒸汽发生器的模型则由建模软件3DSMAX绘制，导出成3DS格式文件后通过程序加载的方式进行绘制。1．1机械臂模型的绘制机械臂是一个较为复杂的空间多连杆机构，要在计算机上以图形方式输出外形图，需要对其实际几何形状进行适当简化，绘制时应先将其分解为几个臂，再把每个臂拆解成基本的几何体。另外，由于要模拟机械★黑龙江省自然科学基金资助项目(编号：F200916)中国博士后科研基金资助项目(编号：20090450949)收稿13期：2010年3月囵2010／

4、9臂各关节之间的运动，所以不能把机械臂作为一个整体绘制，而只能分关节绘制，最后进行整体组装。绘制完成的机械臂模型如图1所示。1．2蒸汽发生器模型的绘制蒸汽发生器造型比机械臂复杂，并且由于它是作为一个整体出现在三维场景中，各个子部件之间无相对运动，使用OpenGL直接绘制是一件十分烦琐的工作。而3DSMAX是一个很好的建模工具，通过对简单几何形体进行并、交、切等布尔运算和曲面编辑等就能构造出复杂的几何形体。首先在3DSMAX中绘制蒸汽发生器模型，完成绘制后，利用3DSMAX提供的文件导出功能把模型导出成3DS格式的文件，最后利用事先编好的解析3DS文件的C++类把模型数据加载至仿真程序中，调

5、用OpenGL提供的渲染函数绘制出蒸汽发生器模型，模型如图2所示。为了增强场景的真实性和立体感，可以利用OpenGL提供的光照设置函数对模型进行光照设置。2运动学建模机械臂由6个小臂组成，臂长分别为厶、厶、厶、机械制造48卷第553期摊万方数据厶、厶、厶，设6个关节的转角分别为0一、02、03、04、05、巩，如图3所示。机械臂的运动学主要研究两个问题：运动学正解问题——已知各关节转角的值，求解机械臂末端在空间的位置和姿态，这就是建立运动学方程的过程；运动学反解问题——指定末端的空间位置和姿态，求解出相应的各关节的转角值，这就是求解运动学方程的过程12】。机械臂运动正解的平移齐次坐标变换矩

6、阵和旋转齐次坐标变换矩阵：M1=肘3=他=cos0IO—sinolOCOS02O—-sin020肌[肌=COS03sin030sin01010COS0101一sin03COS0301O0COS040sin良0COS如sin050sin020COS02O010Ol0一sin饥0COS0401一sin以COS05O0O0O10Ol尬=M4=眠=肌=101O0￡lO0101010OlO0厶1O0O10O0lO010厶01O0101o厶+厶Ilo01J得到各个齐次坐标变换矩阵后，依次将其连乘，可得到各个关节点的空间坐标。设A点齐次坐标为A=盘机械制造48卷第553期[00l】7，则G点的空间坐标表

7、达式为：肘-·Mz·M3·M4-M5·M6·M7·Ms·胁·肘lo·A=G机械臂运动反解的运动学方程为13】：0。=aFCtan(爱)±粤警(1)02=±arcc。s(一型篆患竽)(2)03：arcsin(互}血)(3)式中：E、E、匠分别为E点的X、Y、Z轴坐标；dAs表示AB两点的距离；也z，为A点到E’点的距离；dBr-为曰点到E’点距离，E’为E点在XZ平面的投影点；dBc为B、C两点的距离；dcr为c、E两点的