Java3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真分析

任俠

摘要：在機(jī)器人中，機(jī)械臂為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行分析具有重要意義。使用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、調(diào)試等工作能夠提高效率，有效節(jié)約成本。目前，虛擬技術(shù)能夠創(chuàng)建三維環(huán)境，并且和外界實(shí)時(shí)交互，被廣泛應(yīng)用到機(jī)械臂仿真領(lǐng)域中。以此，本文就對(duì)Java 3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)背景下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：Java3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);機(jī)械臂;運(yùn)動(dòng)仿真

虛擬現(xiàn)實(shí)VR在機(jī)器人系統(tǒng)中使用就是通過三維建模軟件創(chuàng)建機(jī)器人和環(huán)境物體三維模型，使用三維圖形仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)三維場(chǎng)景的創(chuàng)建，對(duì)機(jī)器人環(huán)境和本體進(jìn)行幾何建模，以此為機(jī)器人控制系統(tǒng)提供觀察、研究的平臺(tái)。利用虛擬仿真能夠?qū)C(jī)器人所達(dá)到空間范圍、周圍環(huán)境、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系進(jìn)行預(yù)知，降低實(shí)際運(yùn)行意外事故，并且使運(yùn)行效率得到提高。本文通過實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建機(jī)械臂仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)仿真。

1 機(jī)械臂三維形體造型

Java3D為三維領(lǐng)域中Java語言的擴(kuò)展，為純粹面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)。Java3D場(chǎng)景圖為DAC，也就是具備方向性的不對(duì)稱圖形。三維形體為Java3D編程過程中的主要對(duì)象，包括三種方式生成需求三維形體：通過Java3D所提供用于編寫點(diǎn)線面的類生成點(diǎn)線面對(duì)象;利用調(diào)用外部其他格式三維圖形文件，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維形體對(duì)象的生成;利用Utility生成形體geometry classes，Java3D具備基本形體和編寫點(diǎn)線面對(duì)象應(yīng)用，此可用在程序中創(chuàng)建簡(jiǎn)單形體，但是無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形體。利用調(diào)用其他格式三維圖形文件得到復(fù)雜形體，比如直接調(diào)用Lightwave格式與VRML2.0格式的三維圖形文件，或者利用處理對(duì)DXF、DEG、3DS等格式三維圖形文件，此格式三維模型能夠在Ja-va3D程序中使用。

2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)

2.1 遙操作VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)使用瀏覽器/服務(wù)器（BIS）模式，用戶界面利用WWW瀏覽器實(shí)現(xiàn)，在前端實(shí)現(xiàn)部分事務(wù)邏輯，大部分在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)主要事務(wù)邏輯，在服務(wù)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序，通過瀏覽器軟件登錄服務(wù)器實(shí)現(xiàn)客戶端運(yùn)行程序。服務(wù)器和機(jī)器人相互連接，機(jī)器人通過單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)利用串行口RS-232通信對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制。

在瀏覽器客戶端，瀏覽器對(duì)操作者提供文字、圖像等提示信息的操作環(huán)境與良好界面，操作界面使用切換方式實(shí)現(xiàn)不同顯示模式。在預(yù)顯示模式中，虛擬機(jī)器人將機(jī)械臂各關(guān)節(jié)理想運(yùn)行軌跡演示;在遙現(xiàn)模式中，操作員能夠監(jiān)控操作現(xiàn)場(chǎng)，并且實(shí)現(xiàn)意外誤差診斷。

2.2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

機(jī)械臂是通過一系列關(guān)節(jié)連接連桿構(gòu)成，為了對(duì)末端執(zhí)行器位姿描述，能夠在每個(gè)連桿中固連的坐標(biāo)系，對(duì)連桿坐標(biāo)系關(guān)系進(jìn)行描述。要想知道目標(biāo)物體在第i個(gè)連桿坐標(biāo)系中位置ip，物體在基坐標(biāo)系中位置op的表達(dá)式為：

^i-1A_i指的是第i個(gè)連桿相對(duì)于第i-1個(gè)連桿位姿。

以此表示，兩桿之間位姿矩陣能夠得到手部位姿矩陣，并且和兩桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)方式相關(guān)。每個(gè)連桿都通過四個(gè)變量進(jìn)行描述，連桿長(zhǎng)度為a_i，連桿轉(zhuǎn)角為a_i，關(guān)節(jié)角為θ_i，連桿偏距為d_i。

常用確定機(jī)械臂連桿位姿矩陣的方法為D-H法，相鄰兩個(gè)坐標(biāo)系X_n-z_n和xn+1和x_n+1-z_n+1的變換矩陣表示為：

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程就是創(chuàng)建機(jī)械臂末端手爪相當(dāng)于基坐標(biāo)位姿，也就是將上述連桿間距位姿矩陣通過基坐標(biāo)系乘以末端連桿坐標(biāo)系順序，從而得到運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。機(jī)械臂使用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)保證結(jié)構(gòu)的布局合理、輕巧簡(jiǎn)單。

2.3 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真分析

實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析之后，能夠在Java中開展四自由度機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真。使用Java Swing技術(shù)所開發(fā)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真界面和具體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊。在機(jī)械臂末端位置為（800，0，349）的時(shí)候，仿真能夠得到四個(gè)關(guān)節(jié)角度值為0.000，-45.007，-67.229，22.236。圖3為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，以下為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的實(shí)現(xiàn)代碼。

public class Joint_move{

public Point3f Forwardkinematics（float L[]，float Angle[]，float n[]，float o[]，float a[]，float RPY[]）{

Point3f P=new Point3f（）;

P.x=c1*（L[1]*c2+L[2]*c23+L[3]*c234）;

P.y=s1*（L[1]*c2+L[2]*c23+L[3]*c234）;

P.z=L[1]*s2+L[2]*s23+L[3]*s234;

return P;}}

3 結(jié)束語

機(jī)械臂為機(jī)器人主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的過程中，其所承擔(dān)的任務(wù)復(fù)雜性也不斷增加，對(duì)于其要求不斷提高。機(jī)器人仿真研究為機(jī)器人學(xué)界重點(diǎn)領(lǐng)域，機(jī)械臂三維運(yùn)動(dòng)仿真為機(jī)器人仿真中的主要部分。通過本文分析表示，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與Java技術(shù)生成機(jī)械臂實(shí)體和仿真環(huán)境，在此虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)修改和實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)C(jī)器人工作原理、碰撞檢測(cè)與軌跡策劃，有效節(jié)約成本和時(shí)間，對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)具有指導(dǎo)性的建議。

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