VTK與Python實現機械臂三維模型可視化詳解

2020-02-16 11:04:42

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三維可視化系統的建立依賴于三維圖形平臺，如 OpenGL、VTK、OGRE、OSG等，傳統的方法多采用OpenGL進行底層編程，即對其特有的函數進行定量操作，需要開發人員熟悉相關函數，從而造成了開發難度大、周期長等問題。VTK、 ORGE、OSG等平臺使用封裝更好的函數簡化了開發過程。下面將使用Python與VTK進行機器人上位機監控界面的快速原型開發。

　　完整的上位機程序需要有三維顯示模塊、機器人信息監測模塊（位置/角度/速度/電量/溫度/錯誤信息...）、通信模塊（串口/USB/WIFI/藍牙...）、控制模塊等功能模塊。三維顯示模塊主要用于實時顯示機器人的姿態（或位置）信息。比如機器人上肢手臂抬起，程序界面中的虛擬機器人也會同時進行同樣的動作。三維顯示模塊也可以用于對機器人進行控制，實現良好的人機交互。比如在三維圖像界面中可以點擊拾取機器人某一關節，拖拽部件(肢體)控制真實的機器人完成同樣的運動。Aldebaran Robotics的圖形化編程軟件Choregraphe可以完成上述的一些功能對NAO機器人進行控制。

對于簡單的模型可以自己編寫函數進行創建，但這種方法做出來的模型過于簡單不夠逼真。因此可以先在SolidWorks、Blender、3DMax、Maya、Rhino等三維設計軟件中建立好模型，然后導出為通用的三維文件格式，再使用VTK將其讀入并進行渲染。

　　在SolidWorks等三維設計軟件中設計好機器人的大臂（upperarm）和小臂（forearm），然后創建裝配體如下圖所示。在將裝配體導出為STL文件前需要注意幾點：

　　1. 當從外界讀入STL類型的模型時，其會按照它內部的坐標位置進行顯示，因此它的位置和大小是確定的。為了以后的定位以及移動、旋轉等操作的方便，需要先在SolidWorks中創建一個坐標系。如下圖所示，坐標系建立在大臂關節中心點。

　　2. 如果將裝配體整體輸出為一個STL文件，則導入VTK后無法控制零部件進行相對運動。因此，需要將裝配體各可動部件分別導出。

在SolidWorks的另存為STL對話框中，點開輸出選項卡，如下圖所示。注意之前提到的幾點：如果勾選“在單一文件中保存裝配體的所有零部件”則會將整個裝配體導出為一個STL文件，否則就是分別命名的兩個STL文件；輸出坐標系下拉列表中選擇之前創建的坐標系1，并勾選“不要轉換STL輸出數據到正的坐標空間”。