基于OpenGL的五自由度机械臂的运动学仿真.pdf

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1、2015年l2月机械设计与制造工程Dec．2015第44卷第12期MachineDesignandManufacturingEngineeringVol_44No．12DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．12．005基于OpenGL的五自由度机械臂的运动学仿真宋西平，李国琴，罗陆锋(天津职业技术师范大学机械工程学院，天津300222)摘要：利用OpenGL构建了五自由度机械臂的运动仿真环境，详细阐述了从模型构建、坐标系建立到运动学方程推导的过程。利用MATLAB机器人工具箱实验验

2、证了所推导的机械臂运动学方程以及在仿真环境下机械臂模型的运动，对研究机器人在虚拟环境下的运动具有一定的借鉴意义。关键词：OpenGL平台；五自由度机械臂；运动学仿真；D—H理论中图分类号：TP391．41文献标志码：A文章编号：2095—509X(2015)12—0018—04随着机器人技术的不断发展，该技术已应用到等)及顶点索引方式绘制模型的函数等，通过相互医疗、工业、农业、军事等诸多领域¨-4J，并出现了组合可以绘制出具有真实质感的虚拟环境下的模多种类型的机器人，如仿人机器人J、爬行机器型(如图1所示)。人

3、J、飞行机器人J、水下机器人等。由于机器人结构复杂度高、试制样机成本昂贵、实验条件受限等问题会对实验研究的开展带来一定难度，因此研究者针对机器人开展了不同平台下(如Open—GL、MATLAB机器人工具箱、LabVIEW、ADAMS等_9)不同性能的仿真实验，为机器人的研究带来了便利。由于OpenGL具有较好的可视化功能，能够为仿真及场景可视化提供较好的环境，本文通过对一图1OpenGL绘制的虚拟环境机器人模型个五自由度机械臂模型正向运动学方程的建立，详细阐述了在OpengGL平台下虚拟机械臂的构建过本文利用C

4、++与OpenGL创建五自由度机程、五自由度机械臂坐标系建立过程以及运动学方械臂(如图2所示)，从机械臂的运动关系可知，关程推导的过程，并对其每个环节中的关键点做了介节1的转动带动机械臂剩余杆件位置变化，关节2绍。利用MATLAB机器人工具箱验证了所构建模的转动带动机械臂杆件2，3，4，5的运动变化，因此型的运动关系，为OpenGL平台下进行机器人相关从关节1到关节5是运动传递的过程。然而对于技术的研究提供一定的参考。手部夹持器两个手指的开闭是区别于其他5个关节旋转运动的。基于上述运动关系，需要采用局部1Ope

5、nGL环境下机械臂模型的创建坐标系移动的方式构建机械臂的关节转动部分的OpenGL是美国SGI公司开发的图形程序接模型，采用矩阵堆栈方式分别构建两个手指的模口，能够绘制三维图形，其独立于硬件设备，是一个型。跨编程语言、跨平台的、开放的图形程序接口l9]。以绘制腕部结构为例具体介绍机械臂绘制方OpenGL图形程序接口提供了创建光源、材质、纹理法：在OpenGL环境下绘制模型，可以先将全局坐映射、坐标系变换、基本几何体的绘制函数(如标系绕轴顺时针旋转90。变为图3所示的坐标系glutSolidCube，glutSo

6、lidCylinder，glutSolidSphere{0}的方向。定义旋转轴都是绕z轴旋转的。在收稿日期：2015～09—21基金项目：国家自然科学基金资助项目(31171457)作者简介：宋西平(1989一)，男，山东临沂人，天津职业技术师范大学硕士研究生，主要研究方向为机器视觉技术。·18·2015年第12期宋西平：基于OpenGL的五自由度机械臂的运动学仿真4结束语[7]谈士力，王建成，苏建良，等．球形壁丽爬行机器人研制[J]．机器人，2002，24(6)：5l7—520．本文详细阐述了机械臂仿真模型构

7、建和五自[8]RudnickDL，DavisRE，EfiksenCC，eta1．Underwaterglid—由度机械臂坐标系建立、运动学方程的推导过程，ersforoceanresearch【J]．MarineTechnologySocietyJournal，并通过MATLAB对运动学方程与机械臂位姿进行2004，38(2)：73—84．了验证。本文对开展机器人在虚拟环境下的研究[9]陈玉军，张琦，苏凡囤，等．基于MFC的OpenGL仿真与3D模具有一定借鉴意义。后期将研究虚拟环境下农业型的获取[J]．中国制

8、造业信息化，2005，34(4)：103—105．[1O]陆军，穆海军，杨明，等．基于3DSMax与OpenGL的机械臂仿采摘机器人的路径规划以及物理仿真问题。真与控制[J]．信息技术，2007(11)：29—32．[11]孙亮，马江，阮晓钢．基于OpenGL的六自由度机械臂三维仿参考文献：真工具的设计[J]．计算机测量与控制，2009，17(5)：982—[1]胡进，侯增广，陈翼雄，