對基于虛擬現實技術的機器人仿真設計的幾點探討

陸沐暉，王昕

(吉林商務旅游學校，吉林吉林，132013)

1 虛擬現實系統

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是一種沉浸的互動環(huán)境，采用計算機技術對設備的環(huán)境進行控制，形成一種接近真實的視、聽、觸覺一體化的虛擬環(huán)境，用戶可以借助虛擬現實設備與使用對象進行交互，從而在“沉浸”的環(huán)境中體驗設備的使用效果，從而能夠真正提高體驗效果，采用虛擬現實的環(huán)境來替代真實的工作環(huán)境，能夠幫助人們減少工作中的失誤。目前，將虛擬現實技術應用與工業(yè)機器人的仿真設計中，主要集中在提高計算機模擬能力與工業(yè)機器人的仿真接口能力上，以便于利用工業(yè)機器人能夠模擬出設計的結果，在利用人為的編程設計3D的虛擬環(huán)境，模擬機器人的工作效果，操作人員可以在虛擬的環(huán)境下分析機器人的工作情況與仿真行為，可以隨意的改變查詢的位置與角度，分析機器人的每一個工作過程。

2 基于Open GL的機器人建模分析

Open GL具有三維的繪圖功能，在虛擬現實環(huán)境設計中具有十分重要的作用，它能夠繪制三維圖像，對不同的環(huán)境光照進行設計，對不同的環(huán)境進行模擬，達到增強現實的效果。

（1）Open GL的繪制過程

現代機器人虛擬現實技術的設計中，使用的OpenGL技術對機器人進行建模，利用強大的繪圖功能，可以對虛擬現實環(huán)境中的物體繪制、對環(huán)境的光照設計、三維動畫制作、對三維環(huán)境進行管理，同時還具有圖形圖像增強技術等不同的環(huán)節(jié)，可以利用OpenGL技術將虛擬的三維物體環(huán)境，投放到二維平面中，然后利用該技術處理計算機指定的像素，從而在二維平面中將三維立體影像展示出來。在利用OpenGL繪制相關物體圖像時，將物體轉化為一個可以描述幾何性質的頂點，在執(zhí)行一系列的操作之后，就可以將像素轉化為一個實際的三維像素空間，最終形成相應的3D空間圖案，具體的形成三維立體圖形過程如圖1所示。

圖1 OpenGL三維圖形生成過程

（2）Open GL技術對三維物體的顯示

在機器人仿真設計的過程中，需要在虛擬現實的環(huán)境下，對機器人的3D動作進行分解，這就需要利用OpenGL 的三維物體展示技術，將機器人運行的三維數據與二維數據結合在一起，才能有效的將機器人的三維運動軌跡展示出來，在OpenGL 的三維物體展示技術中主要采用坐標轉換的方式，來設計立體模型，在計算機技術處理的過程中，為了將三維模型物體進行數字化處理，準確定義三維物體虛擬空間坐標，使得運動的軌跡能夠按照虛擬空間與現實空間的相關比例進行設計，從而獲得與現實相似的模擬結果，在整個軌跡設計過程中，要始終將物體的中心置于坐標軸的原點，通過旋轉與平移的方式將物體圍繞坐標軸進行運動，而且在對物體進行放大與縮小等相關的操作時，可以將局部的坐標進行縮小與放大，使得整個物體圖像能夠保持空間的同一個范圍與方向。

3 機器人運動仿真分析

（1）運動學仿真的構建

對機器人的仿真進行模擬，首先需要分析機器人的運行軌跡，利用計算機技術來獲取運動的數據，并采用機器人運動的一組運動學正解方程及逆解方程對整個數據進行處理，然后通過編程計算，實現機器人在虛擬空間運行的正解或者逆解方程，并通過不斷的計算來修正虛擬環(huán)境中的運算軌跡，以滿足機器人在虛擬空間中的運動軌跡，在建立運動學坐標的變換方程時，OpenGL就可以通過一系列的坐標系建立在機器人的各個連桿與機器人的各個環(huán)節(jié)上，然后通過各個運動量對應的位置坐標與方向，這樣就能夠建立相應的機器人運動方程，在具體的構建中，可以采用D-H參數法來完成機器人的仿真運動環(huán)境。

（2）捕捉拋物的仿真

在虛擬環(huán)境中，對機器人的仿真設計，捕捉拋物的仿真是一個重要的內容，這種仿真是基于機器人運用仿真的基礎上，也涉及到新技術的使用，機器人拋物過程的設計是一個復雜的過程，不僅要考慮機器人運動的過程，還需要分析物體運動下落的軌跡，在運動過程的設計中，需要進行一些合理的假設，而且還盡可能的簡化數據獲取的過程，在圖2的機器人多點設計中，就是將機器人運動與模擬捕捉拋物過程結合在一起，利用虛擬操作，在機器人的末端P點停留在運動空間的任意位置，然后在空間任意一個位置G點拋出物體，在具體對拋物軌跡進行設計時，還需要進行碰撞試驗，以保證拋物運動軌跡與機器人運動的軌跡、機器人的操作范圍是否相吻合，如果操作機器人的捕捉范圍，機器人就會靜止不動，而只有拋物運動進入到機器人運動的范圍內，機器人就會運動捕捉虛擬物體，從而能夠形成一個完整的運動軌跡。因此，在對機器人運動仿真進行模擬時，主要是利用機器人各個節(jié)點之間的動作進行模擬，只要能求出各個相應節(jié)點的切斜角度，就能有效的對各種數據進行模擬，然后利用計算機輸入相應的具體數字，就能夠更好的實現機器人虛擬仿真運動。

圖2 機器人拋物運動軌跡的捕捉

（3）碰撞檢測

碰撞檢測主要功能是對物體運動的干涉檢測與物體運動的接觸檢測，這種碰撞檢測又被稱作干涉檢測與接觸檢測，主要是虛擬現實中機器人仿真過程中的交互行為，它主要包括：機器人在仿真交互的過程中，是否出現碰撞與交互行為，在發(fā)生交互行為后，機器人的狀態(tài)與位置是否發(fā)生變化，從而能夠準確控制機器人的運動軌跡。目前，常用的軌跡算法有GJK、Vclip、ICollide、SWIFT++等等，在Open GL中采用碰撞檢測算法，能夠高效的模擬機器人的運動軌跡，在具體軌跡檢測過程中，主要采用包圍體層次法與距離跟蹤法等其軌跡進行描述，形成的3D軌跡，從而能準確模擬機器人的運行軌跡，包圍體層次法主要是采用束縛虛擬物體的各個部分進行包圍跟蹤計算，或者形成不同類型的層次結構，從而能夠形成機器人的運行軌跡，采用距離跟蹤法對機器人碰撞的軌跡進行檢測，主要是對機器人的運動時間與幾何空間的聯系性來判斷機器人的運行軌跡。對機器人運動軌跡的設計，主要功能是利用連桿連接在一起，對其運動軌跡的模擬，關鍵位置取決于機器人各個關節(jié)角的位置、末端點的具體位置等，然后利用GJK、Vclip等算法計算關鍵點的位置與機器人運動的關節(jié)點角度，計算出點到面的距離，并對機器人的相應關節(jié)點的運轉角度進行碰撞檢測，詳細的距離機器人運動的軌跡，從而能夠模擬機器人的運行軌跡。

（4）機器人力覺仿真設計

力覺仿真是機器人仿真設計的重要環(huán)節(jié)，主要是保證機器人仿真聽覺與視覺同步，保證機器人的動作更加協調、自然，使得機器人逐漸擁有與人類聽覺和視覺相同的功能，從而能保證機器人的動作與人類動作相似，這樣不僅能增加機器人在虛擬仿真環(huán)境中的真實感與沉浸感，使得仿真模擬的結果能夠無限的接近于真實的場景，更具有真實的效果?；谔摂M現實環(huán)境下的計算機仿真，使得操作者能夠與機器人互動，將操作的的操作數據直接反應到虛擬現實的環(huán)境中，然后直接作用于機器人，利用這種虛擬的交互環(huán)境，能夠將操作者的三維操作數據反饋給機器人，使得機器人能根據操作的指令運動，這樣就讓人感覺到機器人的運動能夠實現力覺、視覺、聽覺的全面效果，使得操作者能夠在虛擬環(huán)境中體驗到身臨其境的感覺。

4 結束語

利用虛擬現實技術對機器人仿真設計進行處理，對提高機器人的設計效果具有十分重要的作用，作為未來科技發(fā)展的重要發(fā)展趨勢，利用虛擬現實技術對機器人進行仿真設計，可以快速準確的對機器人的視覺、聽覺、力覺模型進行構建，對機器人的運動軌跡進行記錄，有利于完成機器人生產、組裝、測試等提供多元化的服務，通過利用Open GL技術進行三維物體建模以及三種仿真手段，能為機器人仿真模擬提供一個接近真實的環(huán)境，對機器人的設計制造具有十分重要的作用。