基于OpenGL的五自由度機械臂的運動學仿真.pdf

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1、2015年l2月機械設計與制造工程Dec．2015第44卷第12期MachineDesignandManufacturingEngineeringVol_44No．12DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．12．005基于OpenGL的五自由度機械臂的運動學仿真宋西平，李國琴，羅陸鋒(天津職業(yè)技術師范大學機械工程學院，天津300222)摘要：利用OpenGL構建了五自由度機械臂的運動仿真環(huán)境，詳細闡述了從模型構建、坐標系建立到運動學方程推導的過程。利用MATLAB機器人工具箱實驗驗

2、證了所推導的機械臂運動學方程以及在仿真環(huán)境下機械臂模型的運動，對研究機器人在虛擬環(huán)境下的運動具有一定的借鑒意義。關鍵詞：OpenGL平臺；五自由度機械臂；運動學仿真；D—H理論中圖分類號：TP391．41文獻標志碼：A文章編號：2095—509X(2015)12—0018—04隨著機器人技術的不斷發(fā)展，該技術已應用到等)及頂點索引方式繪制模型的函數(shù)等，通過相互醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等諸多領域¨-4J，并出現(xiàn)了組合可以繪制出具有真實質感的虛擬環(huán)境下的模多種類型的機器人，如仿人機器人J、爬行機器型(如圖1所示)。人

3、J、飛行機器人J、水下機器人等。由于機器人結構復雜度高、試制樣機成本昂貴、實驗條件受限等問題會對實驗研究的開展帶來一定難度，因此研究者針對機器人開展了不同平臺下(如Open—GL、MATLAB機器人工具箱、LabVIEW、ADAMS等_9)不同性能的仿真實驗，為機器人的研究帶來了便利。由于OpenGL具有較好的可視化功能，能夠為仿真及場景可視化提供較好的環(huán)境，本文通過對一圖1OpenGL繪制的虛擬環(huán)境機器人模型個五自由度機械臂模型正向運動學方程的建立，詳細闡述了在OpengGL平臺下虛擬機械臂的構建過本文利用C

4、++與OpenGL創(chuàng)建五自由度機程、五自由度機械臂坐標系建立過程以及運動學方械臂(如圖2所示)，從機械臂的運動關系可知，關程推導的過程，并對其每個環(huán)節(jié)中的關鍵點做了介節(jié)1的轉動帶動機械臂剩余桿件位置變化，關節(jié)2紹。利用MATLAB機器人工具箱驗證了所構建模的轉動帶動機械臂桿件2，3，4，5的運動變化，因此型的運動關系，為OpenGL平臺下進行機器人相關從關節(jié)1到關節(jié)5是運動傳遞的過程。然而對于技術的研究提供一定的參考。手部夾持器兩個手指的開閉是區(qū)別于其他5個關節(jié)旋轉運動的?；谏鲜鲞\動關系，需要采用局部1Ope

5、nGL環(huán)境下機械臂模型的創(chuàng)建坐標系移動的方式構建機械臂的關節(jié)轉動部分的OpenGL是美國SGI公司開發(fā)的圖形程序接模型，采用矩陣堆棧方式分別構建兩個手指的?？?，能夠繪制三維圖形，其獨立于硬件設備，是一個型?？缇幊陶Z言、跨平臺的、開放的圖形程序接口l9]。以繪制腕部結構為例具體介紹機械臂繪制方OpenGL圖形程序接口提供了創(chuàng)建光源、材質、紋理法：在OpenGL環(huán)境下繪制模型，可以先將全局坐映射、坐標系變換、基本幾何體的繪制函數(shù)(如標系繞軸順時針旋轉90。變?yōu)閳D3所示的坐標系glutSolidCube，glutSo

6、lidCylinder，glutSolidSphere{0}的方向。定義旋轉軸都是繞z軸旋轉的。在收稿日期：2015～09—21基金項目：國家自然科學基金資助項目(31171457)作者簡介：宋西平(1989一)，男，山東臨沂人，天津職業(yè)技術師范大學碩士研究生，主要研究方向為機器視覺技術?！?8·2015年第12期宋西平：基于OpenGL的五自由度機械臂的運動學仿真4結束語[7]談士力，王建成，蘇建良，等．球形壁麗爬行機器人研制[J]．機器人，2002，24(6)：5l7—520．本文詳細闡述了機械臂仿真模型構

7、建和五自[8]RudnickDL，DavisRE，EfiksenCC，eta1．Underwaterglid—由度機械臂坐標系建立、運動學方程的推導過程，ersforoceanresearch【J]．MarineTechnologySocietyJournal，并通過MATLAB對運動學方程與機械臂位姿進行2004，38(2)：73—84．了驗證。本文對開展機器人在虛擬環(huán)境下的研究[9]陳玉軍，張琦，蘇凡囤，等．基于MFC的OpenGL仿真與3D模具有一定借鑒意義。后期將研究虛擬環(huán)境下農(nóng)業(yè)型的獲取[J]．中國制

8、造業(yè)信息化，2005，34(4)：103—105．[1O]陸軍，穆海軍，楊明，等．基于3DSMax與OpenGL的機械臂仿采摘機器人的路徑規(guī)劃以及物理仿真問題。真與控制[J]．信息技術，2007(11)：29—32．[11]孫亮，馬江，阮曉鋼．基于OpenGL的六自由度機械臂三維仿參考文獻：真工具的設計[J]．計算機測量與控制，2009，17(5)：982—[1]胡進，侯增廣，陳翼雄，