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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于OpenGL的六自由度平台实时动画仿真 姓名：张红建 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：曹树平 20070601 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 六自由平台属于并联机构，具有承载能力大、刚度高、精度高等优点。三维动画技 术融合了计算机图形学、仿真学等多种科学技术。将三维动画技术应用于六自由度平台 的研究，是计算机技术在六自由度平台研究中的一个具体应用。 本文首先介绍了六自由度平台的结构特点和发展研究概况，对六自由度平台进行运 动学分析，得出六自由度平台的正解方程组，然后比较梯度法、最小二乘解的广义逆法、 牛顿迭代法等几
2、种常用的解非线性方程组的数值方法，在此基础上选用牛顿迭代法求平 台的正解。用 Pro/Engineer 三维建模软件建立三维平台的简化模型，并将其转化为 3ds 格式文件。通过分析 3ds 文件的存储格式，编写出相应的程序进行文件读取。为满足实 时动画和监控的要求，用网络通信方式进行数据传递，并通过在其它计算机上用软件发 送数据的方式，证实该通信方式满足软件实时性的要求。为了能在实时动画仿真时或者 演示时反应平台的真实运动情况，采用常用的轴向包围盒(AABB)碰撞检测算法对模型 进行碰撞检测，使用软件具有干涉检测的功能。 软件系统运行结果表明，采用牛顿迭代法通过多次迭代即可求出满足精度要求的数
3、 值解。以 Visual C+和 OpenGL为开发工具，以 Windows操作系统为开发平台，结合三 维动画与网络通信等技术开发的六自由度平台三维动画仿真与实时监控软件，可用于六 自由度平台三维动画教学演示与实时监控，具有较强的直观性和实时性。 关键词: 六自由度，OpenGL，3ds 文件，碰撞检测，三维动画，运动平台 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The six DOF platform is Parallel Mechanism, which has the advantage of big load capability, high rigi
4、dity and precision. The 3D animated cartoon is a kind of technology which combines computer graphics and simulation. It is a material application of computer science to use the 3D animated technology in the research of six DOF platform. It introduced the characteristic and the general situation of d
5、evelopment and research of the six DOF platform at the beginning of the paper, then analyzed the kinematics of it, and gained the equations of the forward solution of the six DOF platform. The Newton- Raphson Method is chosen after compared with the Gradient method and the Generalized Inverse of the
6、 Minimal Norm Method . The models of the six DOF platform which has been predigested were drawn by the 3D modeling software Pro/E, then it was changed to 3ds files and programmed to read the 3ds files by analyzing the memory format. In order to satisfy the requirement of real time animated cartoon a
7、nd supervision, the data was transmitted by network. It is approved satisfying the requirement of real time by sending data from another computer by software. The collision of the model which could be detected by the Axis- Aligned Bounding Boxes (AABB) collision detection arithmetic for the sake of
8、the real instance can be described when demonstrating cartoon or real time simulating, which made the software had the ability to detect collision. The result of the software system running indicate that the Newton- Raphson Method can get the satisfying solution. The 3D animated simulation and super
9、vision software which is intuitionistic and real time can be used in the teaching of 3D animated of six DOF platform and real time supervision, is developed by the tools of Visual C+ ,OpenGL and the Windows operating system. Keywords: six DOF, OpenGL, 3ds file, collision detection, 3D animated carto
10、on, motion platform 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编
11、入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“ ” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的来源、研究目的和意义课题的来源、研究目的和意义 本课题为自选项目。主要目的是设计基于六自由度平台的三维动画软件，使其不仅 能够实时地模拟真实平台的运动，而且还可以根据给定的运动数据进行动画仿真。 通常情况下要监控六自由度平台或者其它运动机构的运动状况， 技术人员必须在机
12、器设备的运动现场进行。而本软件可以进行实时的动画仿真，对六自由度平台进行远程 的监控。另外，由于六自由度平台体积大，价格较高，不容易安装调试，因此可以利用 软件根据给定的数据，在计算机上模拟其运动过程。这样不仅可以避免对平台的频繁操 作， 减少设备的磨损， 而且即使平台超出极限位置或者发生干涉也不会出现严重的后果， 方便技术人员对平台进行运动学及力学的分析和研究。 1.2 六自由度平台的结构和优点六自由度平台的结构和优点 六自由度平台是 1965 年 Stewart 提出的空间并联结构 12， 因为其具有六个自由度， 所以称为六自由度平台(又称 Stewart 平台)。它是一种集成了空间几何学
13、、运动学、动力 学、液压传动、控制理论、计算机软硬件设计与实现等多种技术的运动控制机构 。它 的经典机构由上下两个平台和六个并联的、可独立自由伸缩的液压缸组成，液压缸和平 台之间通过两个球铰链连接，是一种典型的 6-SPS(Spherical joint，Prismatic joint， Spherical joint)机构，通过对六个液压缸的协调控制，就可使上平台实现沿 x、y、z 轴的 平移和绕 x、y、z 轴的转动共六个自由度的运动，从而实现上平台位置和姿态的变化 3。 后来各国学者又提出了 Stewart 平台的各种变形机构如 6-RSS、6-PSS、6-TPS 等多种结 构 1，其中
14、 6-SPS 和 6-TPS 已被广泛应用。6-SPS 结构简图如图 1.1 所示。 六自由度平台为并联机构，与串联机构相比较，六自由度平台具有如下优点 3： (1) 六自由度平台由六个液压缸同时支撑，与串联机构的悬臂梁相比，刚度大，结 构稳定，在相同的自重或体积下有比串联机构高的承载能力； (2) 串联机构末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而其精度低，误差 大，而采用并联机构的六自由度平台没有误差积累和放大，因此误差小、精度高； (3) 六自由度平台采用对称式结构，各向同性好； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 (4) 在位置求解方面，串联机构求正解容易，但求反解
15、十分困难，而采用并联机构 的六自由度平台求正解困难，求反解却非常容易。在线实时计算时是要求反解，相比之 下，并联机构容易实现。 图 1.1 六自由度平台结构简图 1.3 六自由度平台的发展和应用六自由度平台的发展和应用 Stewart 于 1965 年在他的论文 A Platform With 6 Degrees of Freedom 中提出六自由 度平台的概念 2，由于其自身的优点，一经提出便在业界引起了轰动。不久，Cappel 便 发明了第一架基于六自由度并联机构的飞行模拟器。 1972 年 Minskey 提出将六自由度平 台用于操作装置的运动结构 4。 图 1.2 所示为荷兰 Delf
16、t 大学研制的用于训练飞行员的飞 行模拟器 5。 1978 年澳大利亚的教授 Hunt 提出可以将六自由度平台应用到并联机器人结构中， 但是并没用得到足够重视 6；1986 年 Marconi 设计了第一台商用六自由度并联操作装置 GADEFLY 7；1987 年 Pierrot 等人提出了一种空间六自由度并联机器人 HEXA，作为三 自由度并联机器人 DELTA 的扩展，并在日本制造出了实验室样机 8。 20 世纪 80 年代中期，六自由度平台在空间交会对接(RVD)仿真技术方面得到了应 用，应用该机构进行 RVD 仿真的国家有美国、俄罗斯、日本等国家和机构 9，我国目前 也正在进行该方面的研究工作。1994 年在美国芝加哥国际机床展览会上，Giddings glRotatef(,0,0,1); glRotatef(,0,1,0); glRotatef(,1,0,0); DrawObjects(); (2) 液压缸缸筒的虚拟驱动。 假设第 i(i=
