前言

虛擬現實技術，是指基于自然方式的人機交互系統，通過計算機創建一種虛擬環境，使用戶產生身臨其境的感覺，并可實現用戶與虛擬環境直接進行交互。

機器人技術是具有戰略高度的前沿技術，它和生物技術、大型計算機技術、納米技術一同被認為是未來科技發展的方向。國外機器人領域近幾年發展的趨勢之一就是:虛擬現實技術在機器人設計與制造中的應用已從仿真、預演發展到用于過程控制。對于虛擬環境中模型的建立，包括以下方面的研究內容:①基于微機的虛擬環境體系結構;②基干幾何建模和計算機圖形學的建模方法;③基于圖像生成方法的建模。

本研究以此為應用背景，利用SolidWorks三維CAD軟件，通過虛擬現實標準語言(VRML)建立虛擬環境中的實休模型，描述它們之間的結構關系，快速、真實地顯示三維虛擬工業機器人。

1虛擬環境下的建模方法

在虛擬環境中建立三維模型是實現仿真控制的基礎。

1.1虛擬現實建模方法

(1)采用VB,C++或VC++, OpenGL圖形庫等工具開發，則程序復雜，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)采用虛擬現實軟件(如:WTK,VRML)等工具開發，對于復雜三維圖形的編程實現是很困難和費時的，而且達不到理想的效果。

(3)采用"一些商用建模軟件十VRML"的建模方法。① 3DMAX + VRML;3DMAX能夠導出保持部件間的各種關系的VRML文件。但3DMAX適合對虛擬環境進行三維建模(如校園、室內環境等)，它在構造與修改機械產品的幾何特征時操作上顯得不夠方便與快捷;② Pro/E +VRML;采用Pro/E+VRML方法來實現對虛擬設備的快速建模。Pro/E只支持VRML 1. 0的版本方式.而且所導出的文件丟失了原模型各部件間的各種關系等重要信息;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出為保持部件間的各種關系的VRML文件。本研究采用這種方法實現工業機器人在虛擬環境中的精確建模。

1.2 SolidWorks-VRML的建模方法

通過運用SolidWorks軟件，采用符合國際標準的虛擬現實建模語言VRML為中間橋梁，經過一系列的變換、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系統開發的三維機械設計CAD軟件，它具有在機械產品設計中別具一格的特點和優勢，即可采用參數化的二維模型快速生成同一類型、不同規格的系列產品，在建立機械產品的模型時顯得格外的方便、快捷，尤其是SolidWorks2006版對VRML2.0提供良好的支持。

1.2.2虛擬現實建模語言

虛擬現實建模語言(VRML)是一種與操作平臺無關的、基于3D Web的、描述可交互三維世界和對象的語言，它通過創建一個虛擬場景以達到現實中的效果。

由VRML創建的虛擬現實場景是模擬現實中的三維產品造型，具有面向對象的層次性、多感知性，虛擬世界的交互性、實時性和支持網絡瀏覽等特點，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實現虛擬現實的精確建模

2.1工業機器人簡介

工業機器人是一種由程序預先確定其運動方式的機電一體化機械裝置，由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成。工業機器人的機械系統可分為執行機構和驅動機構。

如圖1所示，關節型工業機器人的執行機構-機械臂可由基座、旋轉臺、連接件〔大臂)及小臂、手爪等實體組成，是一個開鏈式的多連桿結構，始端連桿為機械臂的基座，末端連桿與機械臂的手爪相連，相鄰連桿間以旋轉關節或柱關節相連。機械臂可完成旋轉、回轉和伸縮這3種不同的動作形態。

2. 2工程實現

基于SolidWorks-VRML，在虛擬環境中實現工業機器人建模的流程，如圖2所示。

2.2.1工業機器人三維模型精確設計

根據工業機器人的結構組成，可以將其分解成基座、旋轉臺、連接件(大臂)及小臂、手爪等實體模型。首先可利用SolidWorks強大的實體造型功能，實現零件的三維模型化。

在SolidWorks 2006中對基座的三維建模，如圖3所示?；侵魏凸潭ㄕ麄€工業機器人的基礎。

2.2.2工業機器人在虛擬環境中建模

由于VRML造型具有較強的移植功能，具有便于網上傳輸、運動圖像編程簡單等特點，將其應用于在虛擬環境中實現工業機器人的建模。

在用SolidWorks 2006建立工業機器人三維實體模型后，利用SolidWorks 的VRML轉換程序將其輸出為VRML文件:"文件-另存為:保存類型----VRML(*wrl)-選項-文件格式:VRML-版本:VRML97，即可輸出為VRML文件。

在Para11e1Graplue。公司的Cortona瀏覽器的基礎上，在虛擬環境中構建可視的實體模型，如圖4所示。Cortona瀏覽器功能十分強大，使用方便，能夠直接插人Windows操作系統的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 虛擬工業機器人的構建

在虛擬環境中對工業機器人的各組成實體進行精確建模后，利用VRML作為建構的工具，再進行虛擬工業機器人的構建，這時就需要在源程序中對各實體模型加以修改。

在虛擬工業機器人的構建中，使用VrmlPad 2.1軟件進行編程，ParallelGraphics公司的VrmlPad是一種功能強大且簡單易用的VRML開發設計專業軟件，支持VRML97標準。

程序設計思想如下:采用嵌套式結構，建立Transform節點，每個Transform節點對應一個實體模型;實體模型的導人通過增加節點實現，將各實體模型的VRML文件作為Inline內聯節點導人，同時這些節點逐層嵌套包含;虛擬工業機器人的虛擬裝配由Transform節點的translation域、rotation域和scale域控制，進行平移、旋轉和縮放變換，以達到外形尺寸的一致性，實現了工業機器人在虛擬環境中的構建。

這種虛擬建模方法采用Inline內聯節點的方式引人各實體模型的VRML文件，使VRML程序設計結構化、模塊化、層次化，從而提高軟件的設計質量;此外可以大大節省空間，減小文件的長度，為程序調試和定義