基于OpenGL航空工業(yè)機器人手臂運動學(xué)仿真

陳衛(wèi)華，李勇君

(中國民航飛行學(xué)院遂寧分院，四川遂寧 629000)

基于OpenGL航空工業(yè)機器人手臂運動學(xué)仿真

陳衛(wèi)華，李勇君

(中國民航飛行學(xué)院遂寧分院，四川遂寧 629000)

以兩種航空工業(yè)機器人 (SCARA/PUMA)為研究對象，將其三維模型轉(zhuǎn)換為STL文件。通過分析該三維模型的STL文件，研究數(shù)據(jù)存放的規(guī)律。在VS 2003的MFC中加載OpenGL的圖形編程庫，讀取并顯示STL文件中的機器人模型。根據(jù)機器人建模知識，進(jìn)行運動學(xué)仿真，實現(xiàn)驅(qū)動模型實時顯示功能。該方法對機器人手臂運動學(xué)分析有一定的通用性，為航空產(chǎn)品加工、制造及維護提供參考。

三維模型;OpenGL;機器人手臂;運動學(xué)仿真

0 前言

隨著航空產(chǎn)品制造業(yè)自動化水平的不斷提高，機器人作為一種趨勢，逐步進(jìn)入到航空產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、制造及維護的各個領(lǐng)域。作為分析和研究工業(yè)機器人的重要環(huán)節(jié)，仿真技術(shù)提供了一系列重要的運動學(xué)數(shù)據(jù)來源。長期以來，結(jié)構(gòu)設(shè)計者使用CAD和CAE軟件進(jìn)行仿真，這些軟件不但對工作計算機的硬件要求較高，不方便嵌入式移植，而且操作者需要較長的熟悉時間?；谝陨闲枨螅疚淖髡叻治隽艘环N典型的三維CAD模型文件STL的數(shù)據(jù)格式;其后，利用OpenGL圖形編程函數(shù)庫，在VS 2003的MFC讀取并顯示兩種航空工業(yè)機器人 (SCARA/PUMA)模型;最后，根據(jù)機器人建模的知識，利用旋量法驅(qū)動模型隨著關(guān)節(jié)角實時顯示，利用D－H法進(jìn)行運動學(xué)的正反解，在軟件中計算末端姿態(tài)，顯示末端軌跡。

1 STL文件數(shù)據(jù)格式分析

STL是業(yè)界公認(rèn)的一種CAD模型與RP軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的文件格式。目前，幾乎所有的三維CAD軟件都提供向STL文件轉(zhuǎn)換的功能，如soildworks、proe、ug等［1］。該格式使用一系列三角形小面片來擬合原CAD實體，即，將CAD表面離散成眾多三角面片［2］。式。

1.1 ASCII格式的STL文件結(jié)構(gòu)

1.2 二進(jìn)制格式的STL文件結(jié)構(gòu)

二進(jìn)制格式的STL文件結(jié)構(gòu)如下:二進(jìn)制STL文件用固定的字節(jié)數(shù)來給出三角面片的幾何信息。文件起始的80個字節(jié)是文件頭，用于存貯零件名;緊接著用4個字節(jié)的整數(shù)來描述模型的三角面片個數(shù)，后面逐個給出每個三角面片的幾何信息。每個三角面片占用固定的50個字節(jié)，依次是3個4字節(jié)浮點數(shù)(角面片的法矢量)3個4字節(jié)浮點數(shù) (1個頂點的坐標(biāo))3個4字節(jié)浮點數(shù) (2個頂點的坐標(biāo))3個4字節(jié)浮點數(shù) (3個頂點的坐標(biāo))個三角面片的最后2個字節(jié)用來描述三角面片的屬性信息。一個完整二進(jìn)制STL文件的大小為三角形面片數(shù)乘以50再加上84個字節(jié)，總共134個字節(jié)。

2 模型的載入與顯示

由以上對STL文件的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析，可知STL數(shù)據(jù)排列規(guī)則，便于格式化讀取。由于從三維CAD實體轉(zhuǎn)換STL文件之時就存在著巨大的數(shù)據(jù)冗余，因此在讀入模型數(shù)據(jù)后，需要去除冗余頂點，減少畫面顯示載入和重繪時間，并建立三角面片之間的拓補關(guān)系［1，4］。

在opengl庫中提供了三角面片的顯示方法。優(yōu)化后的模型數(shù)據(jù)顯示，可利用如下程序:

文中選取4、6軸各一種典型結(jié)構(gòu) (SCARA/PUM A)，如圖1、2所示，分別按照KUKA的KR5 scara R350和ABB的IRB 120工業(yè)機器人模型進(jìn)行分析。

圖1 4軸 (KR5 scara R350)幾何尺寸

圖2 6軸 (IRB 120)幾何尺寸

模型顯示步驟如下:

(1)繪制或下載工業(yè)機器人的CAD模型，保證各自由度由至少一個零件構(gòu)成;裝配之，構(gòu)建約束，使機器人處于復(fù)位狀態(tài)，即各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角置零。

(2)將整個裝配體轉(zhuǎn)換成多個STL文件。三角片面的個數(shù)由轉(zhuǎn)換時的精度選擇決定。

(3)在MFC的基于對話框的平臺上，編寫解析STL模型數(shù)據(jù)類，基于OpenGL的顯示類、機器人運動學(xué)類等。

文中在上述兩個機器人的官方網(wǎng)站上下載CAD模型，另存為STL模型，在程序中加載，如圖3、4所示。

圖3 4軸 (KR5 scara R350)三維模型

圖4 6軸 (IRB 120)三維模型

3 正運動學(xué)仿真

機器人手臂的運動學(xué)的模型建立方法一般有兩種:D － H 方法［5］和旋量法［6］。

為充分利用各方法的優(yōu)勢，文中做運動學(xué)的分析時采用D－H法，而驅(qū)動三維模型運動時采用旋量法。

由于每個STL模型都是由n三角面片構(gòu)成的，面片上的法向量也可以看成點，即每個三角面片包含4個點。當(dāng)模型實體需要旋轉(zhuǎn)時，可以看成n×4個點在旋轉(zhuǎn)。同時，后端關(guān)節(jié)軸向量和軸上點也繞著前端的軸線旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)時，每個STL模型繞各自的軸，以各自的轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)。

在拖動滑動條時，改變關(guān)節(jié)角度 θ1，θ2，...，θn的大小，驅(qū)動模型隨之旋轉(zhuǎn)，末端的姿態(tài)也同時計算并顯示出來，如圖5、6所示。

圖5 4軸 (KR5 scara R350)正運動軌跡

圖6 6軸 (IRB 120)正運動軌跡

4 逆運動學(xué)仿真

文中以6軸機器人為例，參照文獻(xiàn) ［7－8］中解法，得到出8組逆解的表達(dá)式。在定時器OnTimer中，規(guī)劃下一步的姿態(tài)，以此姿態(tài)求機器人逆解，在8組解中選取最接近的一組。在此軟件中，拖動滑動條，示教起始點P1并保存。再拖動滑動條，示教第二個位置，作為停止點P2。然后，機器人就沿著P1P2的方向以直線軌跡運動，運動過程如圖7—9所示。

圖7 6軸 (IRB 120)示教起始點

圖8 6軸 (IRB 120)示教停止點

圖9 6軸 (IRB 120)運動過程

5 結(jié)束語

基于VS 2003調(diào)用OpenGL圖形庫中的函數(shù)，通過分析3D模型STL文件，找到其中數(shù)據(jù)存放的規(guī)律。選取兩種航空工業(yè)機器人模型 (SCARA/PUMA)，將其3D模型轉(zhuǎn)換為STL文件。在VS 2003的MFC中加載OpenGL的圖形編程庫，讀取并顯示STL文件中的機器人模型。根據(jù)機器人手臂的幾何參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，對其進(jìn)行參數(shù)化三維造型，進(jìn)行運動學(xué)仿真，實現(xiàn)驅(qū)動模型實時顯示。

［1］陳太喜，方亮，劉艷偉，等.基于OpenGL的STL數(shù)據(jù)模型建模方法［J］.機床與液壓，2009，37(3):155 －158.

［2］陳秀明.基于OpenGL和STL的CAD系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.青?？萍迹?008，15(1):78 －80.

［3］黃常標(biāo).分段沉淀/雕銑快速成型三維實體分段算法與刀具軌跡規(guī)劃研究［D］.泉州:華僑大學(xué).2004.

［4］崔樹標(biāo)，張宜生，梁書云，等.STL面片中冗余頂點的快速濾除算法及其應(yīng)用［J］.中國機械工程，2001，12(2):173－175.

［5］付京遜.機器人學(xué)［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社1989.

［6］MURRAY Richard M，LI Zexiang，SASTRY S Shankar.A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation［M］.1994.

［7］熊友倫，丁漢，劉恩滄.機器人學(xué)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，1993.

［8］http://www.abb.com.cn/product/seitp327/9a97 f1c3face-59624825762a0007df19.aspx?productLanguage=zh＆country=CN.機器人［OL］.

Kinematics Simulation of Aviation Industrial Robot Arm Based on OpenGL

CHENWeihua，LIYongjun
(Suining Sub-College，Civil Aviation Flight University of China，Suining Sichuan 629000，China)

By taking the two kinds of aviation indutrrial robots SCARA/PUMA as a study object，its three dimensional(3D)modelwas converted into the STL file.By analyzing the STL file of 3D model，the law of data storage was studied.In the VS 2003 MFC，through loading the OpenGL graphical programming library，the robotmodel in the STL filewas read and displayed.According to the robotmodeling knowledge，the kinematics simulation was carried out，which realized the drivermodel with real－ time display function.Themethod is certain of universal to kinematics analysis of the robot arm，which provides references formachining，manufacturing and maintenance of aviation products.

Three-dimensionalmodel;OpenGL;Robot arm;Kinematics simulation

TP242.2

A

1001－3881－ (2015)21－109－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.026

2014－08－23

陳衛(wèi)華 (1985—)，男，碩士，工程師，從事活塞式發(fā)動機維護工作。E－mail:984642603@qq.com。