机器人开发工具简介

2. 仿真系统的实现：

为了降低系统设计复杂度，提高可操纵性，本系统采用模块化结构设计，具体可划分为核心引擎模块，显示模块，用户处理模块和总控模块。这种设计的好处还表现在可以明确清晰的划分系统各部分功能，并有利于使用者学习与掌握本智能机器人的原理，本节将详细介绍各模块的内部结构和功能。

2.1核心引擎模块（Core Engine layer）：

核心引擎模块是整个仿真系统的基础，它不仅仅承担着支撑整个系统的运算处理的任务，还承担着使系统运行在高质量高速度环境下的重要任务，这个模块主要包括物理引擎和渲染引擎两大部分。物理引擎能够对基本物理关系、运动学以及动力学进行参数化仿真，实现物理运动过程仿真的流畅处理。渲染引擎根据3D顶点模型构建渲染实体，并进行实时渲染，使仿真环境呈现完全真实的视觉效果。

2.1.1 物理引擎

在仿真环境中，由于物体之间的设定是完全遵照于刚体的运动、旋转、碰撞的物理模型，所有的运动都是一种理想化的过程。但是在现实世界中，完全的刚性运动是不可能发生的，这其中包括地球的万有引力以及真实环境的影响，所以我们在底层开发中，引入了NVIDIA 公司的PhysX 。它可以模拟真实世界的物理运动规律，从而给用户提供更为真实的仿真环境。

PhysX 是一套物理运算引擎，具有粒子、流体、软体、关节、布料等五大应用。它可以计算三维场景中，物体与场景之间、物体与角色之间、物体与物体之间的运动交互与力学特性，使用户看到更加逼真的物理效果，易于算法的开发和实现。在PhysX的开发中，首先定义各种不同的角色（actor）,然后指定每个角色的形状（shape）属性和刚体（body）属性，这样导入的物体就将具有坐标系，位置，速度，加速度，动量，力、旋转运动、能量、摩擦、冲击力等物理属性。同时它还具有碰撞检测功能，突破了按预定义脚本执行的局限性，保证了物理实体的物理仿真度。

2.1.2 渲染引擎

渲染引擎的作用是对机器人各个部分进行渲染，使之看起来更加接近现实生活中的事物，使得机器人的建模更加的逼真，我们应用基于MFC的OpenGL(Open Graphic Library)三维图形开发技术来建立渲染引擎。OpenGL 是一个先进而强大的三维图形编程接口，它包括了250多个图形函数，线和多边形等3D图形原语命令，及其他众多函数，能处理各种图形基本元素及图形特征效果，利用它提供的基本图元如点，线，多边形等，程序员可以构建复杂的物体模型。OpenGL开发较早，如今性能已经十分完善，它具有创建逼真场景所需要的基本函数，如混合，抗锯齿，雾，纹理贴图，帧缓存，光照等。OpenGL 的渲染过程如下图所示：

图1 OpenGL 的渲染过程

2.2显示模块

显示模块把从数据库中生成的物体和场景立体的显示出来，由于应用了基于MFC的OpenGL编程技术，三维显示的效果则更具有立体感和真实感，当我们的模型建立好之后，用户可以根据自己的需要通过对鼠标和键盘的操作实现定点旋转或是自由变换视角的操作。而且，用户还可以通过通过改变显示的内容来查看机器人模

型的物理结构和矢量图等，从而更加方便的分析机器人的运动状态。

2.3用户控制模块：

用户可以通过开放的系统接口对导入的实物模型进行控制，以有效的方式实现人与计算机的对话。在本教育机器人中可以体现为：用户无需理解系统的内部构造，通过简单的了解窗口页面各个部分的功能就可以使用公开的接口按照自己的需求编写控制程序，而后生成DLL文件，并通过在系统中动态加载DLL文件的方式控制机器人的位置，姿态，运动以及关节等属性。从而达到可以简单控制机器人，并使机器人教学简化的目的。

2.4 总控模块：

总控模块是系统的核心，它通过创建3D模型，维护和管理环境变量，对物理引擎和渲染引擎进行时钟控制，开放用户控制接口与用户达到人机交互；总控模块包括时序控制，用户接口，环境变量的维护和管理，模型创建与更新等几个部分。下面分别对时序控制和创建更新模型部分进行简单介绍：

时序控制的主要功能是对物理引擎，渲染引擎，以及用户控制进行协调调度，使系统有序的运行，达到所期望的效果。在时序控制的过程中为了能够真实的模拟物体的运动效果，仿真采用等时间间隔的方式，要求先在这段时间间隔中准确地先后调用用户控制程序和物理仿真引擎，渲染引擎则没有严格的时间间隔要求，当资源允许的条件下系统才会执行渲染操作，因此渲染的频率一般小于调用以上两个模块的频率。时序控制的原理图如下：

图2 时序控制原理图

模型创建和更新部分的主要功能是通过读取模型、纹理等数据库文件创建仿真环境和机器人的物理模型以及渲染模型。

物理模型的基本形状有长方体，球体，胶囊体，圆柱体，多面体等，物理实体总是通过这些基本实体有机的组合而成。因此为了便于创建物理模型，系统建立了一个模型库，用于存储这些基本形状的物理实体。然而在现实世界中，物体往往复杂多变，具有多顶点或者多纹理，很难直接通过拼接简单实体快速准确的形成用户所需要的渲染模型，因此我们想到在Solid- work中创建零件Mesh，并生成OBJ文件。OBJ文件是一种标准的3D 模型文本格式，几乎所有知名的3D软件都支持OBJ的读写。之所以选用OBJ 文件是因为它的可读性和通用性。最后在仿真环境中导入我们需要的OBJ 文件，将其附着在物理实体上，形成与实体一致的逼真模型。

模型库创建完毕之后，系统需要通过读取模型库中的数据来创建和更新物理模型，为了方便用户快速搭建仿真平台环境和仿真实体，我们通过读取XML文件的方式设计实际物体的物理模型。XML(Extensible Markup Language) 即可扩展标记语言，它与HTML一样，都是SGML(Standard Generalized Markup Language) , 标准通用标记语言。这种简单易读的纯文本文件，是当前处理结构化文档信息和数据的有力工具。

读取XML的算法流程图如下图所

示：

图3 读取XML的算法流程图