前言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是指基于自然方式的人機(jī)交互系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)創(chuàng)建一種虛擬環(huán)境，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺，并可實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境直接進(jìn)行交互。

機(jī)器人技術(shù)是具有戰(zhàn)略高度的前沿技術(shù)，它和生物技術(shù)、大型計(jì)算機(jī)技術(shù)、納米技術(shù)一同被認(rèn)為是未來科技發(fā)展的方向。國外機(jī)器人領(lǐng)域近幾年發(fā)展的趨勢之一就是:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。對于虛擬環(huán)境中模型的建立，包括以下方面的研究內(nèi)容:①基于微機(jī)的虛擬環(huán)境體系結(jié)構(gòu);②基干幾何建模和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的建模方法;③基于圖像生成方法的建模。

本研究以此為應(yīng)用背景，利用SolidWorks三維CAD軟件，通過虛擬現(xiàn)實(shí)標(biāo)準(zhǔn)語言(VRML)建立虛擬環(huán)境中的實(shí)休模型，描述它們之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，快速、真實(shí)地顯示三維虛擬工業(yè)機(jī)器人。

1虛擬環(huán)境下的建模方法

在虛擬環(huán)境中建立三維模型是實(shí)現(xiàn)仿真控制的基礎(chǔ)。

1.1虛擬現(xiàn)實(shí)建模方法

(1)采用VB,C++或VC++, OpenGL圖形庫等工具開發(fā)，則程序復(fù)雜，工作量很大，造型不方便，且圖形效果不夠逼真，效果不是很理想。

(2)采用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件(如:WTK,VRML)等工具開發(fā)，對于復(fù)雜三維圖形的編程實(shí)現(xiàn)是很困難和費(fèi)時(shí)的，而且達(dá)不到理想的效果。

(3)采用"一些商用建模軟件十VRML"的建模方法。① 3DMAX + VRML;3DMAX能夠?qū)С霰３植考g的各種關(guān)系的VRML文件。但3DMAX適合對虛擬環(huán)境進(jìn)行三維建模(如校園、室內(nèi)環(huán)境等)，它在構(gòu)造與修改機(jī)械產(chǎn)品的幾何特征時(shí)操作上顯得不夠方便與快捷;② Pro/E +VRML;采用Pro/E+VRML方法來實(shí)現(xiàn)對虛擬設(shè)備的快速建模。Pro/E只支持VRML 1. 0的版本方式.而且所導(dǎo)出的文件丟失了原模型各部件間的各種關(guān)系等重要信息;③ SolidWorks+VRML; SolidWorks 2006版軟件對VRML 2.0(ISO/IEC147722I；1997，通常稱為VRML97)具有良好的支持作用，可以將建立好的零件模型直接導(dǎo)出為保持部件間的各種關(guān)系的VRML文件。本研究采用這種方法實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在虛擬環(huán)境中的精確建模。

1.2 SolidWorks-VRML的建模方法

通過運(yùn)用SolidWorks軟件，采用符合國際標(biāo)準(zhǔn)的虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML為中間橋梁，經(jīng)過一系列的變換、修改、輸人、輸出，形成.wrl格式的文件，大大減少了虛擬建模的工作量，提高了工作效率。下面簡單介紹所用到的軟件和語言。

1.2.1 SolidWorks軟件簡介

SolidWorks是世界上第1套基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)CAD軟件，它具有在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中別具一格的特點(diǎn)和優(yōu)勢，即可采用參數(shù)化的二維模型快速生成同一類型、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，在建立機(jī)械產(chǎn)品的模型時(shí)顯得格外的方便、快捷，尤其是SolidWorks2006版對VRML2.0提供良好的支持。

1.2.2虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言

虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言(VRML)是一種與操作平臺無關(guān)的、基于3D Web的、描述可交互三維世界和對象的語言，它通過創(chuàng)建一個(gè)虛擬場景以達(dá)到現(xiàn)實(shí)中的效果。

由VRML創(chuàng)建的虛擬現(xiàn)實(shí)場景是模擬現(xiàn)實(shí)中的三維產(chǎn)品造型，具有面向?qū)ο蟮膶哟涡浴⒍喔兄裕摂M世界的交互性、實(shí)時(shí)性和支持網(wǎng)絡(luò)瀏覽等特點(diǎn)，而且由于VRML文件可以像HTML文檔一樣上傳/下載，并可啟動VRML瀏覽器來觀看文檔所描述的三維模型，很好地解決了信息交流與共享的問題。

2基于SolidWorks-VRML實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的精確建模

2.1工業(yè)機(jī)器人簡介

工業(yè)機(jī)器人是一種由程序預(yù)先確定其運(yùn)動方式的機(jī)電一體化機(jī)械裝置，由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成。工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)可分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

如圖1所示，關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)-機(jī)械臂可由基座、旋轉(zhuǎn)臺、連接件〔大臂)及小臂、手爪等實(shí)體組成，是一個(gè)開鏈?zhǔn)降亩噙B桿結(jié)構(gòu)，始端連桿為機(jī)械臂的基座，末端連桿與機(jī)械臂的手爪相連，相鄰連桿間以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或柱關(guān)節(jié)相連。機(jī)械臂可完成旋轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)和伸縮這3種不同的動作形態(tài)。

2. 2工程實(shí)現(xiàn)

基于SolidWorks-VRML，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人建模的流程，如圖2所示。

2.2.1工業(yè)機(jī)器人三維模型精確設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成，可以將其分解成基座、旋轉(zhuǎn)臺、連接件(大臂)及小臂、手爪等實(shí)體模型。首先可利用SolidWorks強(qiáng)大的實(shí)體造型功能，實(shí)現(xiàn)零件的三維模型化。

在SolidWorks 2006中對基座的三維建模，如圖3所示。基座是支撐和固定整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)。

2.2.2工業(yè)機(jī)器人在虛擬環(huán)境中建模

由于VRML造型具有較強(qiáng)的移植功能，具有便于網(wǎng)上傳輸、運(yùn)動圖像編程簡單等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的建模。

在用SolidWorks 2006建立工業(yè)機(jī)器人三維實(shí)體模型后，利用SolidWorks 的VRML轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵漭敵鰹閂RML文件:"文件-另存為:保存類型----VRML(*wrl)-選項(xiàng)-文件格式:VRML-版本:VRML97，即可輸出為VRML文件。

在Para11e1Graplue。公司的Cortona瀏覽器的基礎(chǔ)上，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建可視的實(shí)體模型，如圖4所示。Cortona瀏覽器功能十分強(qiáng)大，使用方便，能夠直接插人Windows操作系統(tǒng)的IE瀏覽器中使用，而且3D效果、交互性能近乎完美，是目前使用最多的VRML瀏覽器。

2.2.3 虛擬工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)建

在虛擬環(huán)境中對工業(yè)機(jī)器人的各組成實(shí)體進(jìn)行精確建模后，利用VRML作為建構(gòu)的工具，再進(jìn)行虛擬工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)建，這時(shí)就需要在源程序中對各實(shí)體模型加以修改。

在虛擬工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)建中，使用VrmlPad 2.1軟件進(jìn)行編程，ParallelGraphics公司的VrmlPad是一種功能強(qiáng)大且簡單易用的VRML開發(fā)設(shè)計(jì)專業(yè)軟件，支持VRML97標(biāo)準(zhǔn)。

程序設(shè)計(jì)思想如下:采用嵌套式結(jié)構(gòu)，建立Transform節(jié)點(diǎn)，每個(gè)Transform節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)實(shí)體模型;實(shí)體模型的導(dǎo)人通過增加節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，將各實(shí)體模型的VRML文件作為Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)人，同時(shí)這些節(jié)點(diǎn)逐層嵌套包含;虛擬工業(yè)機(jī)器人的虛擬裝配由Transform節(jié)點(diǎn)的translation域、rotation域和scale域控制，進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和縮放變換，以達(dá)到外形尺寸的一致性，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人在虛擬環(huán)境中的構(gòu)建。

這種虛擬建模方法采用Inline內(nèi)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的方式引人各實(shí)體模型的VRML文件，使VRML程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化、模塊化、層次化，從而提高軟件的設(shè)計(jì)質(zhì)量;此外可以大大節(jié)省空間，減小文件的長度，為程序調(diào)試和定義