基于OpenGL的工业机器人操作可视化研究

论文摘要

机器人是人类20世纪最伟大的发明之一。让机器人更为人性化地为人类服务是人类社会发展的内在动力,而集多项学科与交叉技术的机器人技术是实现这一伟大理想的桥梁。机器人仿真,尤其是可视化仿真在机器人研究与应用中发挥着重要的作用。因此,寻求简单而有效的方法来实现机器人的可视化仿真,具有重要的意义。本文系统的论述了基于OpenGL的工业机器人三维可视化仿真实现的相关理论、技术和算法。首先,对机器人的运动学进行了深入的研究,利用符号软件Mathematica建立了6R工业机器人的运动学模型,并且给出了具有代表性的Puma560机器人运动学反解的符号表达式,为系统仿真提供了算法基础。其次,系统的论述了OpenGL以及三维可视化的相关理论,技术和应用。详细说明了可视化仿真所涉及到的主要技术,包括可视化映射技术,数据管理与操纵技术,人机界面技术,系统实现技术。说明了如何在MFC中使用OpenGL以及使用过程中的应该注意的问题。最后,根据上述理论及结果,设计并开发了基于OpenGL和Visual C++的6R工业机器人可视化仿真系统,创新性的将Java程序中的MVC设计模式应用到了C++程序中,使软件在健壮性,代码重用和结构方面上一个新的台阶。该系统实现了机器人操作和仿真的三维图形可视化,对于理解三维空间以及变形,机器人建模,正向和反向运动学计算,验证机器人工作原理、工作空间,进行轨迹规划都具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和课题来源
• 1.1.1 国外工业机器人的现状及发展趋势
• 1.1.2 国内工业机器人的现状与发展趋势
• 1.1.3 机器人可视化仿真的现状及发展趋势
• 1.2 本课题研究的目的和意义
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 机器人的运动学分析
• 2.1 数学基础
• 2.1.1 刚体位姿描述
• 2.1.1.1 位置的描述（位置矢量）
• 2.1.1.2 方位的描述（旋转矩阵）
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.2.1 坐标平移
• 2.1.2.2 坐标旋转
• 2.1.2.3 一般变换（复合变换）
• 2.1.3 齐次坐标和齐次变换
• 2.1.4 齐次变换矩阵的运算
• 2.1.4.1 变换矩阵的相乘
• 2.1.4.2 变换矩阵求逆
• 2.2 机器人运动学
• 2.2.1 机器人的位姿描述
• 2.2.2 连杆变换和运动学方程
• 2.3 6R 机器人运动学
• 2.3.1 6R 机器人运动学方程建立
• 2.3.2 6R 机器人运动学反解
• 2.4 小结
• 第三章 OpenGL 及其可视化仿真
• 3.1 计算机仿真
• 3.1.1 仿真的概念
• 3.1.2 仿真的步骤
• 3.2 科学计算可视化及可视化仿真
• 3.3 OpenGL 技术与应用
• 3.3.1 OpenGL 概述
• 3.3.2 OpenGL 的工作流程
• 3.3.3 MFC 中如何使用OpenGL
• 3.3.4 使用MFC 创建OpenGL 程序需注意的问题
• 3.4 小结
• 第四章 可视化仿真系统总体方案设计
• 4.1 可视化仿真系统方案的实现
• 4.2 可视化仿真系统构架
• 4.2.1 MVC 概述
• 4.2.2 机器人可视化仿真系统的MVC 设计
• 4.3 本章小结
• 第五章 可视化仿真系统关键技术研究
• 5.1 面向对象技术在仿真系统中的应用
• 5.2 3D 几何模型的建立、读取和导入
• 5.2.1 机器人几何模型的建立
• 5.2.2 3DS 文件简介
• 5.2.3 3DS 几何模型的读取和导入
• 5.3 仿真系统中的机器人动画设计模块实现
• 5.3.1 关节动画简介
• 5.3.2 仿真系统的动画设计模块介绍
• 5.3.2.1 关键数据结构介绍
• 5.3.2.2 帧管理函数介绍
• 5.4 仿真系统中机器人的运动仿真
• 5.4.1 机器人运动仿真原理
• 5.4.2 机器人轨迹规划方法简介
• 5.4.3 机器人运动仿真实现
• 5.5 提高仿真系统图形渲染速度的技术实现
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文