对基于虚拟现实技术的机器人仿真设计的几点探讨

陆沐晖，王昕

(吉林商务旅游学校，吉林吉林，132013)

1 虚拟现实系统

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是一种沉浸的互动环境，采用计算机技术对设备的环境进行控制，形成一种接近真实的视、听、触觉一体化的虚拟环境，用户可以借助虚拟现实设备与使用对象进行交互，从而在“沉浸”的环境中体验设备的使用效果，从而能够真正提高体验效果，采用虚拟现实的环境来替代真实的工作环境，能够帮助人们减少工作中的失误。目前，将虚拟现实技术应用与工业机器人的仿真设计中，主要集中在提高计算机模拟能力与工业机器人的仿真接口能力上，以便于利用工业机器人能够模拟出设计的结果，在利用人为的编程设计3D的虚拟环境，模拟机器人的工作效果，操作人员可以在虚拟的环境下分析机器人的工作情况与仿真行为，可以随意的改变查询的位置与角度，分析机器人的每一个工作过程。

2 基于Open GL的机器人建模分析

Open GL具有三维的绘图功能，在虚拟现实环境设计中具有十分重要的作用，它能够绘制三维图像，对不同的环境光照进行设计，对不同的环境进行模拟，达到增强现实的效果。

（1）Open GL的绘制过程

现代机器人虚拟现实技术的设计中，使用的OpenGL技术对机器人进行建模，利用强大的绘图功能，可以对虚拟现实环境中的物体绘制、对环境的光照设计、三维动画制作、对三维环境进行管理，同时还具有图形图像增强技术等不同的环节，可以利用OpenGL技术将虚拟的三维物体环境，投放到二维平面中，然后利用该技术处理计算机指定的像素，从而在二维平面中将三维立体影像展示出来。在利用OpenGL绘制相关物体图像时，将物体转化为一个可以描述几何性质的顶点，在执行一系列的操作之后，就可以将像素转化为一个实际的三维像素空间，最终形成相应的3D空间图案，具体的形成三维立体图形过程如图1所示。

图1 OpenGL三维图形生成过程

（2）Open GL技术对三维物体的显示

在机器人仿真设计的过程中，需要在虚拟现实的环境下，对机器人的3D动作进行分解，这就需要利用OpenGL 的三维物体展示技术，将机器人运行的三维数据与二维数据结合在一起，才能有效的将机器人的三维运动轨迹展示出来，在OpenGL 的三维物体展示技术中主要采用坐标转换的方式，来设计立体模型，在计算机技术处理的过程中，为了将三维模型物体进行数字化处理，准确定义三维物体虚拟空间坐标，使得运动的轨迹能够按照虚拟空间与现实空间的相关比例进行设计，从而获得与现实相似的模拟结果，在整个轨迹设计过程中，要始终将物体的中心置于坐标轴的原点，通过旋转与平移的方式将物体围绕坐标轴进行运动，而且在对物体进行放大与缩小等相关的操作时，可以将局部的坐标进行缩小与放大，使得整个物体图像能够保持空间的同一个范围与方向。

3 机器人运动仿真分析

（1）运动学仿真的构建

对机器人的仿真进行模拟，首先需要分析机器人的运行轨迹，利用计算机技术来获取运动的数据，并采用机器人运动的一组运动学正解方程及逆解方程对整个数据进行处理，然后通过编程计算，实现机器人在虚拟空间运行的正解或者逆解方程，并通过不断的计算来修正虚拟环境中的运算轨迹，以满足机器人在虚拟空间中的运动轨迹，在建立运动学坐标的变换方程时，OpenGL就可以通过一系列的坐标系建立在机器人的各个连杆与机器人的各个环节上，然后通过各个运动量对应的位置坐标与方向，这样就能够建立相应的机器人运动方程，在具体的构建中，可以采用D-H参数法来完成机器人的仿真运动环境。

（2）捕捉抛物的仿真

在虚拟环境中，对机器人的仿真设计，捕捉抛物的仿真是一个重要的内容，这种仿真是基于机器人运用仿真的基础上，也涉及到新技术的使用，机器人抛物过程的设计是一个复杂的过程，不仅要考虑机器人运动的过程，还需要分析物体运动下落的轨迹，在运动过程的设计中，需要进行一些合理的假设，而且还尽可能的简化数据获取的过程，在图2的机器人多点设计中，就是将机器人运动与模拟捕捉抛物过程结合在一起，利用虚拟操作，在机器人的末端P点停留在运动空间的任意位置，然后在空间任意一个位置G点抛出物体，在具体对抛物轨迹进行设计时，还需要进行碰撞试验，以保证抛物运动轨迹与机器人运动的轨迹、机器人的操作范围是否相吻合，如果操作机器人的捕捉范围，机器人就会静止不动，而只有抛物运动进入到机器人运动的范围内，机器人就会运动捕捉虚拟物体，从而能够形成一个完整的运动轨迹。因此，在对机器人运动仿真进行模拟时，主要是利用机器人各个节点之间的动作进行模拟，只要能求出各个相应节点的切斜角度，就能有效的对各种数据进行模拟，然后利用计算机输入相应的具体数字，就能够更好的实现机器人虚拟仿真运动。

图2 机器人抛物运动轨迹的捕捉

（3）碰撞检测

碰撞检测主要功能是对物体运动的干涉检测与物体运动的接触检测，这种碰撞检测又被称作干涉检测与接触检测，主要是虚拟现实中机器人仿真过程中的交互行为，它主要包括：机器人在仿真交互的过程中，是否出现碰撞与交互行为，在发生交互行为后，机器人的状态与位置是否发生变化，从而能够准确控制机器人的运动轨迹。目前，常用的轨迹算法有GJK、Vclip、ICollide、SWIFT++等等，在Open GL中采用碰撞检测算法，能够高效的模拟机器人的运动轨迹，在具体轨迹检测过程中，主要采用包围体层次法与距离跟踪法等其轨迹进行描述，形成的3D轨迹，从而能准确模拟机器人的运行轨迹，包围体层次法主要是采用束缚虚拟物体的各个部分进行包围跟踪计算，或者形成不同类型的层次结构，从而能够形成机器人的运行轨迹，采用距离跟踪法对机器人碰撞的轨迹进行检测，主要是对机器人的运动时间与几何空间的联系性来判断机器人的运行轨迹。对机器人运动轨迹的设计，主要功能是利用连杆连接在一起，对其运动轨迹的模拟，关键位置取决于机器人各个关节角的位置、末端点的具体位置等，然后利用GJK、Vclip等算法计算关键点的位置与机器人运动的关节点角度，计算出点到面的距离，并对机器人的相应关节点的运转角度进行碰撞检测，详细的距离机器人运动的轨迹，从而能够模拟机器人的运行轨迹。

（4）机器人力觉仿真设计

力觉仿真是机器人仿真设计的重要环节，主要是保证机器人仿真听觉与视觉同步，保证机器人的动作更加协调、自然，使得机器人逐渐拥有与人类听觉和视觉相同的功能，从而能保证机器人的动作与人类动作相似，这样不仅能增加机器人在虚拟仿真环境中的真实感与沉浸感，使得仿真模拟的结果能够无限的接近于真实的场景，更具有真实的效果。基于虚拟现实环境下的计算机仿真，使得操作者能够与机器人互动，将操作的的操作数据直接反应到虚拟现实的环境中，然后直接作用于机器人，利用这种虚拟的交互环境，能够将操作者的三维操作数据反馈给机器人，使得机器人能根据操作的指令运动，这样就让人感觉到机器人的运动能够实现力觉、视觉、听觉的全面效果，使得操作者能够在虚拟环境中体验到身临其境的感觉。

4 结束语

利用虚拟现实技术对机器人仿真设计进行处理，对提高机器人的设计效果具有十分重要的作用，作为未来科技发展的重要发展趋势，利用虚拟现实技术对机器人进行仿真设计，可以快速准确的对机器人的视觉、听觉、力觉模型进行构建，对机器人的运动轨迹进行记录，有利于完成机器人生产、组装、测试等提供多元化的服务，通过利用Open GL技术进行三维物体建模以及三种仿真手段，能为机器人仿真模拟提供一个接近真实的环境，对机器人的设计制造具有十分重要的作用。