机器人可视化动态仿真中的三维建模

机器人可视化动态仿真中的三维建模

摘 要 机器人三维空间模型的建立是研究其动力学和运动学性的重要基础。要准确、逼真地进行三维建模必须恰当地选择开发工具，并简化由机器人连杆坐标变换和运动学方程所产生的复杂、大量的矩阵运算。在AutoCAD2005环境下，以VBA为二次开发工具，实行VBA和MATLAB的混合编程，把MATLAB作为后台矩阵计算引擎，可以较好地解决上述问题，成功地实现机器人计算机动态图形仿真系统的三维建模，从而为机器人动态仿真系统的开发奠定良好基础。

关键词?? 机器人；三维建模；可视化动态仿真 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

Abstract: 3D modeling of robot is the key of studying its characteristics of dynamics and kinematics. The choice of the implement to develop decide if we can make a 3D model exactly and reality, and the complicated and plentiful operation of matrix made by the transfer of the linking bars and the kinematics equation must be simplified. The authors successfully made 3D model of the robot’s visual dynamic simulation system by taking the AutoCAD2005 as the developing platform, taking the VBA as secondary developing implement, mixed the VBA with the MATLAB to program, put the MATLAB as the background calculating engine of the matrix, and

this will make developing the robot’s simulation system more easily.

Key words: Robot; 3D modeling; Visual dynamic simulation

1 引 言

工业机器人在开发、研制和设计过程中，必须对其连杆、关节及手爪的运动进行运动学、动力学分析和轨迹规划，而工业机器人是多自由度、多连杆的空间机构，其运动学和动力学问题十分复杂，如用人工计算难度很大[1]。若将机器人作为仿真对象，运用CG技术、CAD技术和机器人学理论在计算机中生成几何图形，并用动画显示，然后对机器人的机构设计、运动学正反解、操作臂运动控制以及实际工作环境应用中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，

这样就可以很好地解决机器人研发过程中出现的问题[2]。

机器人实时三维空间模型的建立是机器人可视化动态图形仿真系统的重要环节，而当前用于微机仿真系统的开发工具存在诸如模型定位不准确、编程复杂或不易控制等不足。若以AutoCAD作为系统软件的开发平台，把AutoCAD.VBA作为二次开发工具，实行VBA和数学软件MATLAB的混合编程，并把MATLAB作为后台矩阵计算引擎，可较好地解决上述

问题，成功地进行6关节机器人的三维建模和可视化动态仿真[3]。

2? 系统开发平台的选择及数据接口的构建

近年来，计算机图形技术的发展提供了多种软件开发环境，使有关工程技术人员可以在微机上进行机器人操作臂三维图形仿真的研究。作为系统开发平台的软件工具通常有：C语言、VB语言、3DS MAX、MASTERCAM、PRO/E等，但使用这些开发工具来开发机器人动态图形仿真系统存在三维模型不够逼真、定位不准确、不易控制，无法实时进行大量复杂

矩阵运算等缺陷和不足。

选择图形软件平台，既可以加快开发速度，还具有良好的信息集成性能。AutoCAD是得到广泛使用的微机CAD系统，具有良好的三维建模功能，造型精确，显示效果逼真，仿真的实时性和交互性强。通过ActiveX，AutoCAD可将其内部应用模块化，并以对象的形式提供给用户。用户利用开发工具可以方便、直接地对AutoCAD内部进行操作，从而设计出功能强大的应用程序，并能够便捷地与其它Windows应用程序共享数据。另外，还可以利用其内嵌的二次开发工具来

建造功能较为完善的动态图形仿真系统，本文选取AutoCAD2005作为仿真系统的开发平台。

MATLAB作为的数学分析与计算软件，可以用作动态系统的建模与仿真，其特点是非常适合于矩阵分析与运算。因此，选择MATLAB作为后台计算引擎，利用它进行机器人操作臂运动学方程和动力学方程的实时矩阵运算，可以大大简化由上述复杂、大量的矩阵运算而进行的编程工作，这样就解决了系统动态仿真过程中的实时计算问题。但是，由于MATLAB

和AutoCAD是二种不同的语言环境，必须构建一个数据通道，以便前后台之间进行数据交换。

3? 二次开发工具的选择

AutoCAD二次开发的工具主要有以下三种：Visual Lisp、Object ARX、VBA。其中，执行VBA有以下几点好处：⑴VBA的编程环境和编程技术易学易用；⑵VBA运行在AutoCAD相同的处理空间，使程序运行十分快捷；⑶对话框构建快速、高效，允许开发者快速地定制程序原型和收到预期设计信息的及时反馈；⑷工程可以单独存在，亦可以嵌入在图形中，这给开发者在发行它们的应用程序时以极大的灵活性；⑸大大强化了AutoCAD与数据库的通讯能力；⑹提供了与其它应用程序的应用集成，可以利用其它应用程序的对象库实现对其它应用程序的控制，如Word、Access和Excel等[4]。

4? 机器人数学模型和几何造型

4.1机器人的数学模型

分析有6个转动关节的机械手，建立其数学模型时，首先须按照D-H规则正确构建连杆坐标变换矩阵。

其次，要准确推导机器人连杆运动学方程。连杆运动学方程如下[5]：

????????????????????????????

其中，

。???????????????? ????????

4.2几何造型方法的选取

几何造型是可视化图形仿真建模的基础，造型的准确性、直观性直接影响仿真过程的显示效果和结果的可信度。本系统选用实体建模作为几何造型方法，实体模型可以完全描述一个几何体，即能表示几何体的真实形状，这对校验机器

人在运动过程中是否与周围障碍物发生碰撞和干涉是很重要的[6]。

机器人是一个外形较为复杂的空间多连杆机构[7]，要在计算机上以图形方式输出机器人的外形图，就必须对机器人的实际几何形状进行适当简化，并将其转化为计算机所能接收的信息，本系统采用了最简单的两种体素：圆柱体和长方

体[8]。

5?? VBA和MATLAB的混合编程 5.1 实现VBA和MATLAB接口的方法

利用ActiveX对象的创建，可实现VBA和MATLAB接口。MATLAB和VBA的编程关系如图1所示，程序代码如下：

Dim Matlab As Object???? '定义Matlab对象

Set Matlab = CreateObject(\连接ActiveX接口

Dim Result As String: Dim im() As Double

Call Matlab.MinimizeCommandWindow? '最小化Matlab窗口

'将VBA中的矩阵赋予MATLAB中的同名矩阵

图 1? MATLAB和VBA的编程关系

Result = Matlab.PutFullMatrix(\Result = Matlab.PutFullMatrix(\Result = Matlab.Execute(\Call Matlab.Quit? '关闭MATLAB应用程序???????? ??? 5.2 三维建模的程序实现

在建模过程中需要通过大量矩阵运算进行坐标变换，以确定机器人各连杆及手爪的位姿，采用如下程序结构来解决这个问题：

UCS2origin(0) = T20(0, 3): UCS2origin(1) = T20(1, 3): UCS2origin(2) = T20(2, 3) UCS2xAP(0) = T20(0, 0) + T20(0, 3)：UCS2xAP(1) = T20(1, 0) + T20(1, 3) UCS2xAP(2) = T20(2, 0) + T20(2, 3)：UCS2yAP(0) = T20(0, 1) + T20(0, 3) UCS2yAP(1) = T20(1, 1) + T20(1, 3)：UCS2yAP(2) = T20(2, 1) + T20(2, 3)

Set UCS2 = ThisDrawing.UserCoordinateSystems.Add(UCS2origin, UCS2xAP, UCS2yAP, \

ThisDrawing.ActiveUCS = UCS2

三维模型见图2。

图 2 机器人三维建模图 6 结 论

机器人可视化三维动态仿真模型的建立，对其计算机三维图形动态仿真系统的开发研制起到关键作用。测试表明该系统的图形质量和运行情况均取得很好的效果，它对机器人研发、设计和应用过程中所遇到实际问题的求解有重要意义，同时，它也是一个很好的教学示教系统。这说明了以AutoCAD作为系统开发平台，把AutoCAD.VBA作为二次开发工具，实行VBA和MATLAB的混合编程，把MATLAB作为后台矩阵计算引擎的建模方法是有效、可行的。????????????????? 基金项目：本课题得到广东省茂名学院自然科学资金资助（203206）。

本文作者创新点为：在AutoCAD环境下，以VBA为二次开发工具，实行VBA和MATLAB的混合编程，把MATLAB作为后台矩阵计算引擎，较好地简化由机器人连杆坐标变换和运动学方程所产生的复杂、大量的矩阵运算，成功地建立了定位准确、形象逼真的机器人三维模型，从而为机器人可视化动态仿真系统的开发奠定良好基础。 参考文献：

[1]蔡自兴主编. 机器人学[M].北京：清华大学出版社2000：12--136

[2]宋玉银等. 机器人图形仿真系统的研制[J]. 机械工业自动化, 1994,16（3）：18--23

[3]邓宇. ObjectARX及MATALAB环境下焊接机器人的计算机仿真[D]. 太原：太原理工大学，2003. 6 [4]王钰. 用VBA开发AutoCAD应用程序[M]. 北京：人民邮电出版社，1999：112--160 [5]熊有伦主编. 机器人技术基础[M]. 第四版，武汉：华中理工大学出版社2000：35--153 [6]李波. 机器人三维运动仿真[J]. 机器人，1999，21（7）：44--46

[7] Heignbotham W B, Doonet M , Kennedy D M . Computer graphics simulation of industry robot interactions [A]. In: Society of manufacturing engineers. Proceeding of the Third CIRT-Seventh ISIR [C]. 1997.：85—96

[8]梁飞华等. AutoCAD.VBA与MATLAB环境下的机器人运动学仿真[J]. 微计算机机信息, 2006,3中旬：198--200 作者简介：邓宇，男, 1969年生，汉族，硕士研究生，副教授，从事计算机仿真与计算机图形学的教学与研究。E-mail: dengyu6912@163.com；邢镇容，男, 1946年生，汉族，教授，从事控制理论与计算机应用的教学与研究。

Author brief introduction：Deng, Yu，male, born in 1969, Han nationality, master, associate ?professor, mainly engaged in the teaching and study of computer simulation and CG. Xing, Zhenrong, male, born in 1946, Han nationality, professor, mainly engaged in the teaching and study of automation theory and computer application.