基于opengl的仿蝗虫机器人三维动态仿真系统开发与仿真

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1、http://www.paper.edu.cn基于OpenGL的仿蝗虫机器人∗三维动态仿真系统开发与仿真陈勇，陈东辉，佟金，陈秉聪吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，长春130025E-mail：chenyongjilin@126.com摘要：运动行为的分析是机械系统运动学、动力学和结构强度分析的基本前提。仿生机器人的研究作为当前机器人领域的前沿技术受开发周期和开发成本的限制，迫切需要仿真技术的有力支持。面向仿蝗虫机器人运动形态的三维动态仿真分析，阐述了在PC机上基于OpenGL开发参数化造型和动态仿真系统的设计思想。仿真的实时性、程序的易开发性、平台的可移植性是该仿真系统

2、的主要特点。该方法对于仿蝗虫机器人仿真技术的研究和面向应用的实践探索都有重要的实际意义，还可以用在其它仿生机器人以及机械产品的研究项目和动态仿真中，对于缩短研制周期、降低开发成本、提高产品性能和增强竞争力具有一定的指导意义。关键词：OpenGL；机器人；蝗虫;跳跃形态；开发；仿真中图分类号：TP24;TP391.90引言随着机器人应用领域的不断拓展和机器人技术向高精尖方向发展，机器人仿真系统在机[1-2]器人研究和开发中发挥着重要的作用。特别是虚拟现实技术与机器人仿真技术结合起来，[3-4]将是对传统的机器人仿真方法的重大扩展。仿生机器人的开发是现代机器人技术的前沿领域，具有许多

3、目前技术发展水平难以逾越的技术难点，因此通过仿真技术进行设计方案探讨、系统组织和结构优化、性能指标评价等，将有效地降低仿生机器人开发中的不可预见性。现有的一些计算机仿真平台功能齐全，但是价格昂贵，而且还需要大量的计算机资源配合系统的运行。在各种仿生机器人研究项目中，对动态仿真分析系统的需求都有其自身的特殊性，对不断更新的机器人型号和应用类型，需要有相应的仿真分析功能。而现有仿真分析系统的模式、内容都比较固定，不利于变动性大的研究。因此，开发一种操作简单、可满足基本仿真要求、低成本的动态仿真系统对于仿生机器人的研究和面向应用的实践探索都有重要的实际意义。∗国家杰出青年科学基金资助项

4、目(编号50025516)，高等学校博士学科点专向科研基金资助项目(编号20010183024)和吉林大学研究生创新基金资助项目陈勇男1979年生吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室博士生陈东辉男1961年生吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室副教授硕士生导师佟金男1957年生吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室长江学者特聘教授博士生导师陈秉聪男1921年生吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室中国工程院院士博士生导师-1-http://www.paper.edu.cn1仿蝗虫机器人三维动态仿真系统的设计与实现1.1开发环境的选用随着个人计算机功能的不断强大、CAD

5、/CAM/CAE技术的飞速发展以及性能卓越的开放式三维图形标准OpenGL的出现，使得在PC机(个人计算机)上实现高质量的仿生机器人三维[5-6]动态仿真成为可能。仿蝗虫机器人三维动态仿真系统的开发选择PC机作为硬件平台，以WindowsXP作为操作系统，基于OpenGL采用面向对象(Object-oriented)编程技术，选用VC++6.0编程环境。1.2OpenGL概述OpenGL(OpenGraphicsLibrary，开放式图形库)，是近年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，由SGI公司公布发行，现在许多软件厂商纷纷以OpenGL为基础开发自己的产品。目前，OpenG

6、L已成为IT工业界广泛接受的三维图形软件接口标准，被广泛应用于可视化、[7]实体造型、CAD/CAM/CAE、仿真、虚拟现实等领域。点数据评价器逐点操作基片操作帧缓冲器显示列表光栅化像素数据像素操作纹理储存器图1.OpenGL工作流程图OpenGL工作流程如图1所示：点数据包括模型的顶点集、线集、多边形集，这些数据经过流程图的上部，包括评价器、逐点操作等，对每个顶点进行计算和操作，然后进行光栅化形成图元；对于像素数据，像素操作结果被存储在纹理储存器中。最后，所有像素值送入帧缓存实现图形的显示。在屏幕上显示图像的主要步骤如图2所示：(1)构造几何要素(点、线、多边形、图像和位图等)

7、，创建景物模型和数学模型。(2)在三维空间上放置景物模型，选择有利的场景观察点。(3)设置物体的色彩、光照和纹理影射等。(4)将景物模型的数学描述和色彩、光照、纹理等信息转换成计算机屏幕上的像素，显示在屏幕窗口上。建立模型设置观点设置光照绘制场景屏幕窗口图2.OpenGL在屏幕上显示图像的流程图-2-http://www.paper.edu.cn1.2界面的设计和环境的渲染本仿真系统是为了实时地控制、观察仿蝗虫机器人运动过程，因此必须有图像显示和控制两部分。为此，采用VC++MF