基于Java3D和VRML技術(shù)的采摘機(jī)械手運(yùn)動仿真研究

李瓏

摘要：在現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會用到虛擬運(yùn)動仿真技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文以采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)開發(fā)為例，對基于Jave3D和VRML的虛擬運(yùn)動仿真技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探究，希望對相關(guān)工作能夠有所借鑒。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)械手；虛擬運(yùn)動仿真；Java3D；VRML

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.088

1引言

在現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會用到虛擬運(yùn)動仿真技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)開發(fā)來說，傳統(tǒng)方法是先形成設(shè)計(jì)方案，然后再依據(jù)方案將機(jī)械手的所有組成零部件都試制出來，最后進(jìn)行裝配。這種方式具有一個明顯的缺點(diǎn)，即設(shè)計(jì)中的不合理之處只有在試制出成品后才能被發(fā)現(xiàn)，一旦需要進(jìn)行修改，那么就需要不斷重復(fù)試制過程，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品的開發(fā)成本和耗時都大幅度提升。在這種情況下，越來越多的人開始重視對虛擬運(yùn)動仿真技術(shù)的運(yùn)用。在方案形成環(huán)節(jié)就可以應(yīng)用該技術(shù)對設(shè)計(jì)中的潛在不合理之處進(jìn)行驗(yàn)證，然后就可以在沒有制出實(shí)物的情況下就完成產(chǎn)品的修改和優(yōu)化，進(jìn)而就能有效保障最終制造出來的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)目標(biāo)相一致。本文以采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)開發(fā)為例，對基于Jave3D和VRML的運(yùn)動仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，希望對相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)工作能夠有所借鑒。

2虛擬場景生成

要進(jìn)行虛擬運(yùn)動仿真，首先要做的就是生成虛擬場景，而當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的虛擬場景生成工具主要包括四種：OpenGL、Dkect3D、Jave3D和VRML。以上這四種工具都可以實(shí)現(xiàn)三維可視化建模，而且每個工具都有各自的特點(diǎn)，下面將對這四種工具進(jìn)行分別介紹：（1）OpenGL。OpenGL是一種底層的三維圖形建模工具，具有兼容性好、開放性好、接口通用、性能穩(wěn)定以及運(yùn)行效率較高等優(yōu)勢。采用OpenGL進(jìn)行三維建模時可以借助編程實(shí)現(xiàn)，但編程語言較為復(fù)雜，所以會拖慢開發(fā)耗時。（2）Direct3D。Direct3D是一種基于應(yīng)用對象的三維圖形編程工具，采用該工具可以繞開圖形的顯示接口，進(jìn)而就極大的提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，但該工具的開發(fā)難度較大，一般主要用在游戲的建模和開發(fā)上。（3）VRML。VRML是一種虛擬化的建模語言，可以直接使用瀏覽器對建模文件進(jìn)行解釋并生成三維圖形，還可以借助網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建一個覆蓋全球的虛擬世界。這種語言的優(yōu)勢是便于和其他工具聯(lián)合使用，進(jìn)而使得其虛擬建模的效果得到更大提升。（4）Java3D。Java3D是一種跨平臺的圖形開發(fā)工具，它是在Java的基礎(chǔ)形成的，可以提供比較完善的三維編程語言，這種語言的優(yōu)勢是形式簡單，利于很快上手，因此被廣泛用作虛擬環(huán)境的開發(fā)工具。

比較以上虛擬開發(fā)工具后發(fā)現(xiàn)：OpenGL圖形的顯示速度較快，而且其建模效果也非常逼真，但因?yàn)榫幊陶Z言較為復(fù)雜和不易掌握的緣故，所以開發(fā)耗時比較大；Direct3D主要被用在游戲開發(fā)中；VRML文件格式較小，可以借助傳感器來進(jìn)行虛擬環(huán)境的交互，但場景在改變時需要執(zhí)行解釋操作，交互性較差。根據(jù)對這些虛擬場景生成技術(shù)的優(yōu)劣點(diǎn)進(jìn)行綜合比較后決定，本研究采用Java3D為主、VRML為輔的方法，對采摘機(jī)械手（如圖1所示）作業(yè)的虛擬環(huán)境進(jìn)行建模。

采摘機(jī)械手的虛擬交互系統(tǒng)是根據(jù)農(nóng)業(yè)操作人員的需求開發(fā)的，借助瀏覽器來將用戶的需求進(jìn)行顯示并進(jìn)行實(shí)時交互。

3軌跡規(guī)劃和碰撞仿真模型

當(dāng)對機(jī)械手的作業(yè)場景完成虛擬建模后，就需要對機(jī)械手的運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真計(jì)算，以驗(yàn)證機(jī)械手是否可以按照設(shè)計(jì)軌跡動作。如果機(jī)械手是通過連續(xù)的位置點(diǎn)，那么就可以用逆運(yùn)動學(xué)原理將中間點(diǎn)轉(zhuǎn)為期望的關(guān)節(jié)角度，然后計(jì)算每個關(guān)節(jié)的三次多項(xiàng)式，最后再依據(jù)新的路徑約束條件來求解多項(xiàng)式。

對于采摘機(jī)械手的運(yùn)動仿真來說，碰撞檢測是其中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，是保障采摘機(jī)械手在作業(yè)時可以成功規(guī)避障礙物的基礎(chǔ)。Java3D提供了碰撞仿真的兩個類，即Wake on CollisionEntry和Wake on CollisionExit。當(dāng)發(fā)現(xiàn)虛擬場景中的兩個檢測對象出現(xiàn)碰撞問題時，Wake on CollisionEntry被喚醒，而當(dāng)碰撞結(jié)束后，Wake on CollisionExit被喚醒。

用戶在使用過程中，可以根據(jù)采摘機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用情景創(chuàng)設(shè)虛擬場景，然后將其傳送到服務(wù)器端。VRML場景中的虛擬模型位置和方向可以被轉(zhuǎn)換成便于碰撞檢測的文件。同時，還可以利用Sweep and Prune算法對相隔很遠(yuǎn)的物體進(jìn)行剔除，然后在應(yīng)用相交原理進(jìn)行精確的碰撞檢測。當(dāng)仿真檢測到碰撞后，系統(tǒng)會將相關(guān)信息反饋給用戶端，然后由用戶端進(jìn)行相應(yīng)的操作，最后再對模型的位置和方向信息進(jìn)行更新。

4運(yùn)動仿真

上文對基于Jave3D和VRML技術(shù)的采摘機(jī)械手運(yùn)動仿真的可行性進(jìn)行了探究，并討論了用三次多項(xiàng)式來表示運(yùn)動軌跡模型的方法。根據(jù)這一理論，采用Java軟件并結(jié)合VRML技術(shù)，可以采用面向?qū)ο蟮姆绞綄C(jī)械手進(jìn)行建模。在此基礎(chǔ)上，通過對機(jī)械手的運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真來達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。在仿真過程，可以利用Java3D提供的API來對虛擬場景進(jìn)行交互式仿真，并根據(jù)軌跡規(guī)劃來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動軌跡的追蹤。最后，使用該理論進(jìn)行運(yùn)動仿真還可以對機(jī)械手的運(yùn)動性能參數(shù)進(jìn)行捕捉，從而實(shí)現(xiàn)對仿真結(jié)果可靠性的驗(yàn)證。