基于Unity3D的虛擬康復(fù)機器人實時動態(tài)演示

劉方全 林澤磊 劉偉堯 李景濤

摘 要：選取已完成的上肢康復(fù)機器人本體為研究對象，使用SolidWork軟件對上肢康復(fù)機器人進行三維建模，使用3DsMax對模型附加材質(zhì)調(diào)整坐標軸等。將調(diào)整好的三維模型導(dǎo)入Unity3D軟件當中，并且用MFC建立康復(fù)機器人的控制面板?？刂泼姘迳细麟妱訖C的轉(zhuǎn)動參數(shù)一方面同過串口下發(fā)給康復(fù)機器人本體，控制其運動。另一方面通過Socket通信傳遞給Unity3D，控制康復(fù)機器人模型的運動。通過康復(fù)機器人模型的運動實時展現(xiàn)機器人本體的運動狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)機器人;Unity3D;Socket通信

1 三維模型的建立

1.1 上肢康復(fù)機器人模型的建立

上肢康復(fù)機器人是比較復(fù)雜的機械系統(tǒng)，為了保證仿真結(jié)果與真實接近，所有的零件都按照電子版圖提供的數(shù)據(jù)進行1：1建模，使用SolidWork軟件建立各個零件的實體模型，并將生成的零件裝配成總體，生成stl文件格式，導(dǎo)入到3DsMax中，在對各個零件添加材質(zhì)和貼圖。

1.2 人物模型的建立

為使上肢康復(fù)機器人的模擬動畫能真實的體現(xiàn)上肢康復(fù)機器人本體的運動狀況，人物模型的尺寸應(yīng)充分考慮到康復(fù)機器人模型的尺寸，應(yīng)使人物模型的腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)與康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)相對應(yīng)，盡量保證人物模型與康復(fù)機器人的各關(guān)節(jié)同軸，這樣能使展示效果更加逼真。

人物模型分為對頭部和身體的建模，在3DsMax中采用多邊形建模方法，建立人物的初步模型，然后對人物模型添加平滑組，這樣可以增加模型的光滑度，然后為人物模型添加材質(zhì)和貼圖形成最終的效果圖。

1.3 骨骼和綁定的添加與調(diào)整

人物模型必須綁定骨骼才能實現(xiàn)模型的運動，首先用biped建立一個骨骼系統(tǒng)，在運動命令面板，點擊biped卷展覽的figure mode。在各視圖中，使用旋轉(zhuǎn)縮放位移的方式，調(diào)整骨骼的位置與模型的位置，讓二者對齊，調(diào)整好其中的一部分之后，復(fù)制到另一半上。

骨骼建立完成之后必須與模型進行綁定，常用的綁定方式有skin和physique兩種綁定方式，一般來說兩者沒有本質(zhì)的區(qū)別，在進行動畫制作時都可以使用。但是如果使用physique將骨骼與模型進行綁定，將生成的新模型導(dǎo)入到Unity3D時，會產(chǎn)生一些列問題。而使用skin不會存在這樣的問題，所以此次綁定使用skin進行綁定。

1.4 模型的導(dǎo)出及注意的問題

在3DsMax中的運動控制命令中，將人物模型和康復(fù)機器人模型進行調(diào)整，最終效果圖如圖1所示，并將生成的模型生成Fbx格式導(dǎo)入到Unity3D當中，導(dǎo)出的模型應(yīng)主要考慮3方面：坐標軸、比例和貼圖。

2 康復(fù)機器人控制面板與Unity 3D之間的Socket通信

2.1 Socket簡介

Socket通常也叫作“套接字”，是一種建立在傳輸層協(xié)議上的通信機制。最初是由美國加州Berklry大學(xué)提出，為UNIX操作系統(tǒng)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)通信接口，它定義了兩臺計算機間的通信規(guī)范（也就是一種編程規(guī)范）[2]。Socket通信屏蔽了網(wǎng)絡(luò)傳輸傳輸中低層通信協(xié)議的復(fù)雜性和差異性，使任意兩臺安裝TCP軟件的計算機之間通信成為了可能，而且因為Socket通信具有易于理解，便于掌握等特點，目前已經(jīng)成為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)最為通用的API，也是在Internet上進行應(yīng)用開發(fā)最為通用的API[3]。

2.2 Socket基本類型

Socket通信主要有三種類型：流式套接字、數(shù)據(jù)報套接字和原始套接字。流式套接字是一種面向連接的套接字，能夠?qū)崿F(xiàn)無差錯無重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)設(shè)流量控制，避免數(shù)據(jù)流超限。數(shù)據(jù)被看成字節(jié)流，無長度限制。數(shù)據(jù)報套接字是一種面向無連接的套接字，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑪?shù)據(jù)的最大傳輸最大長度為64KB。原始套接字允許對底層協(xié)議IP活I(lǐng)CMP直接訪問，主要用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的測試，一般不會提供給普通用戶[4]。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，此次通信用到的是面向連接的流式套接字。

2.3 Socket編程主要流程

Socket通信才用來目前網(wǎng)絡(luò)編程流行的ClientSocket/SeverSocket模式，客戶/服務(wù)器模式通常是采用監(jiān)聽/連接的方式實現(xiàn)。首先，服務(wù)器端啟動等待客戶端的請求，客戶端啟動后請求一個連接，向服務(wù)器提出請求，服務(wù)器接到請求并驗證后開啟連接，啟動一個特殊的服務(wù)器端套接字，并與客戶端套接字相互連接。建立連接的過程是客戶機主動申請，服務(wù)器被動等待。連接建立之后，雙方都可以自由發(fā)出數(shù)據(jù)的傳輸請求，也可以都發(fā)送數(shù)據(jù)[5]。

服務(wù)器端：（1）服務(wù)器首先啟動，用Socket類建立一個Socket套接字;（2）調(diào)用bind函數(shù)將該套接字與本地IP地址和端口綁定;（3）調(diào)用listen監(jiān)聽連接情況（4）調(diào)用accept接受連接，并產(chǎn)生一個新的套接字。若無連接請求，服務(wù)器處于無限循環(huán)狀態(tài);（5）產(chǎn)生的新套接字與客戶端套接字建立連接，調(diào)用read、write函數(shù)與客戶端進行通信，先前的套接字繼續(xù)用于監(jiān)聽客戶端的請求;（6）服務(wù)進程調(diào)用close函數(shù)關(guān)閉監(jiān)聽套接字，中斷連接，終止服務(wù)。

客戶端：（1）調(diào)用Socket建立一個Socket客戶端;（2）調(diào)用connect函數(shù)向服務(wù)器進程發(fā)送連接請求;（3）調(diào)用read、write函數(shù)與服務(wù)器新線程進行雙向通信;（4）完成通信后，客戶進程調(diào)用close函數(shù)，中斷連接。

2.4 服務(wù)器與客戶端運行結(jié)果

將unity3D作為服務(wù)器端進行編程，設(shè)置本地的IP地址為219.231.156.82，端口號設(shè)置為8000，設(shè)置后服務(wù)器的參數(shù)之后點擊運行，然后將控制面板客戶端進行編程，同樣設(shè)置本地的IP地址，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)填寫完成之后，點擊“連接”按鈕，客戶端會提示連接成功，并將控制面板上的各參數(shù)發(fā)送給服務(wù)器，如圖2所示，并且服務(wù)器根據(jù)發(fā)送來的參數(shù)來控制康復(fù)機器人模型的運動，來間接反映康復(fù)機器人本體的運動情況。

4 結(jié)束語

本文虛擬上肢康復(fù)機器人實時動態(tài)顯示主要是由上肢康復(fù)機器人的建模和Socket通信兩部分實現(xiàn)的。通過Solidwork軟件在基礎(chǔ)建模方面方便快捷的特性建立上肢康復(fù)機器人的基礎(chǔ)模型，以及利用3DsMax軟件在模型渲染上的強大功能對模型進行后續(xù)的加工處理，是模型更加真實。Socket可以提供C++和C#兩種語言的API函數(shù)，剛好滿足了MFC和Unity3D這兩款軟件的編程要求，同時目前大多數(shù)進程間的通信都是Socket編寫的，通過Socket編程可以方便快捷的實現(xiàn)進程間的通信。

參考文獻：

[1] 趙航. 基于下肢康復(fù)機器人虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D]. 河北工業(yè)大學(xué)， 2014.

[2] 劉駿， 顏鋼鋒. 基于Socket的網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)及其實現(xiàn)[J]. 江南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2004， 3（3）：249-251.

[3] 周炎濤， 李立明. TCP/IP協(xié)議下網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)及其實現(xiàn)[J]. 航空計算技術(shù)， 2002， 32（3）：122-124.

[4] 李存斌， 汪兵. Delphi深度編程及其項目應(yīng)用開發(fā)[M]. 中國水利水電出版社， 2002.

[5] 阮戈. 最新Unix程序設(shè)計與編程技巧[M]. 清華大學(xué)出版社， 2001.