机器人虚拟仿真及控制技术研究
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摘 要 ：为 了 实 现 对 实体 机 器人 逼 真 的 模 拟 和 准 确 的反 馈 ，设 计 了一 套 具 有 一 定 通 用 性 的 机 器 人 虚 拟 仿 真 系统 ，并 在 系统 中对虚 拟物体 采用 分类 策略成 功地 将 ＡＡＢＢ与 ｓｗＩＦＴ＋＋算法相 结合 ，兼顾 了仿 真 系统对碰 撞检 测算 法的 实时性 与准确性 的 要 求 ，有 效地 解 决 了效 率与正 确性之 间的矛盾 在 算法预 处理 阶段对 非 凸物体 采用表 面 凸分解 的方 法，使碰撞 检 测算法具 有 处 理 非 凸物 体 的 能 力 。 实验 结 果 表 明 ，该 系 统 同样 适 用 于 服 务 型 机 器 人 ，具 有 一 定 的 通 用 性 ，碰 撞 检 测 算 法 比单 独 使 用 ｓｗＩＦＴ＋＋算 法 具 有 更 快 速 的 优 点 。 关 键 词 ：机 器人 仿 真 ；ＡＡＢＢ； ＳＷＩＦＴ＋＋； 表 面 凸分 解 ； 碰 撞 检 测 中 图法分类 号 ：ＴＰ３９１．４１ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号：１０００—７０２４（２ｏｌｏ）２０．４４５５—０４
ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｉｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｔｏｗａｒｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｐａｒａｄｏｘ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｇｅ ｏｆａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｖｅｘ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｉｖｉｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａபைடு நூலகம்ｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｔｙ ｒｏｂｏｔ， ａ ｓｅｔ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ． Ｉｔ ｕｓｅｓ ｃｌａｓｓｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｂｊｅｃｔｓ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎｅ ｔｈｅ ＡＡＢＢ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｗ ＩＦＴ＋＋
·仿 真 技 术 ·
计 算 机 工 程 与 设 计 ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＤｅｓｉｇｎ
２０１０，３１（２０） ４４５５
机器人虚拟仿真及控制技术研 究
陈 伟 ， 陈 一 民 ， 汪 地 ， 陈 明 （１．上 海 大 学 计 算机 工程 与 科 学学 院 ，上 海 ２０００７２；２．上海 大学 机 械 与 自动化 学 院 ，上海 ２０００７２）
使 用 ＶＣ＋＋与 ＯｐｅｎＧＬ 相 结 合 的 技 术 研 究 了 虚 拟 仿 真 技 术 在 机 器 人 仿 真 中 的 应 用 。唐 安 慧 等 主 要 探 索 构 建 三 维 仿 真 平 台 的总 体 框 架 ，并 对平 台所 涉及 的各 项 关 键 技 术 进 行 了 研 究“ 。 赵 小 川 等 通 过 使 用 Ｗｅｂｏｔｓ完 成 了仿 真 六 足 机 器 人 的 仿 真 造 型 ，并 通 过 仿 真 实 验 验 证 了仿 生 六 足 机 器 人 机 构 的合 理 性 和 运 动 的 灵 活 性 。 文 献 ［６】提 出 了 一种 使 用 模 糊 逻 辑 的足 球 机 器 人 传 球 策 略 的 实 现 ，通 过 使 用 虚 拟 仿 真 技 术 实 现 了对 所 设 计 的 系 统 的 评 估 。其 中文 献 ｎ一２】都 是 基 于 Ｍａｔｌａｂ开 发 平 台 的 ， 其 可 扩 展 性 和 通 用 性 不 是 很 好 ，且 其 显 示 效 果 不 佳 。文 献 【３—６］ 未 对 适 合 机 器 人 仿 真 的 碰 撞 检 测 问题 作 深 入 研 究 ，而 碰 撞 检 测 是 虚 拟 现 实 系 统 中 的 研 究难 点 。其 主 要 的任 务 是 判 断 物 体 模 型 之 间 、模 型 与 场 景 之 间 是 否 发 生 了 碰 撞 ，以及 给 出碰 撞 位 置 、穿 刺 深 度 等 信 息 。 效 果 逼 真 、快 速 检 测 是 这 类 算 法 的 目
ｉｓ ｔａｋｅｎ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｃｏｎｖｅｘ ｏｂｊｅｃｔｓ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ． Ｔｈｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｍｏｒｅ ｅｆｉ ｃｉｅｎｔ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｗｈｉｃｈ ｏｎｌｙ ｕｓｅ ＳＷ ＩＦＴ＋＋
ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｏｂｏｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ＡＡＢＢ； ＳＷ ＩＦＴ＋＋； ｓｕｒ ｆａｃｅ ｃｏｎｖｅｘ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ； ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
０ 引 言
传 统 的机 器 人 研 发 面 临 着 不 能 有 效 验 证 设 计 的 合 理 性 、 无 法 避 免 设 计 失 误 给 机 器 人 研 发 工 作 带 来 的影 响 ，将 虚 拟 技 术 与 仿 真 技 术 相 结合 的 虚 拟 仿 真 技 术 能 够 给 机 器 人 的 研 发 工 作 提 供 可 视 化 效 果 。虚 拟 仿 真 技 术 具 有 成 本 低 、效 率 高 和 灵 活 性 好 等 特 点 ，应 用 范 围 很 广 ，相 关 研 究 较 多 ，如 上 海 大 学 对 Ｎ 自 由度 机 器 人 进 行 了 数 学 建 模 和 仿 真 研 究 ，借 助 Ｍａｔｌａｂ和 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的 计 算 和 绘 图 能 力 实 现 了 Ｎ 自 由度 机 器 人 的 运 动 仿 真 “ 。哈 尔 滨 工 程 大 学 提 出 了通 过 虚 拟 样 机 进 行 远 程 控 制 的 康 复机 器 人 系 统 方 案 ，通 过 在 Ｍａｔｌａｂ环 境 下 实 现 虚 拟 仿 真 ，达 到 可 视 化 效 果 。文 献 ［１—２］都 是 基 于 Ｍａｔｌａｂ开 发 平 台 的 ，其 可 扩 展 性 和 通 用 性 不 是 很 好 ，且 其 显 示 效 果 不 佳 。 张 晨 旭 通 过
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｏｂｏｔ
ＣＨＥＮ Ｗ ｅｉ ， ＣＨＥＮ Ｙｉ—ｍ ｉｎ ， Ｗ ＡＮ Ｇ Ｄｉ ， ＣＨＥＮ Ｍ ｉｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｉｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｔｏｗａｒｄ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｐａｒａｄｏｘ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｇｅ ｏｆａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｖｅｘ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｉｖｉｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａபைடு நூலகம்ｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｔｉｔｙ ｒｏｂｏｔ， ａ ｓｅｔ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ． Ｉｔ ｕｓｅｓ ｃｌａｓｓｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｖｉｒｔｕａｌ ｏｂｊｅｃｔｓ ｔｏ ｃｏｍｂｉｎｅ ｔｈｅ ＡＡＢＢ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｗ ＩＦＴ＋＋
·仿 真 技 术 ·
计 算 机 工 程 与 设 计 ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＤｅｓｉｇｎ
２０１０，３１（２０） ４４５５
机器人虚拟仿真及控制技术研 究
陈 伟 ， 陈 一 民 ， 汪 地 ， 陈 明 （１．上 海 大 学 计 算机 工程 与 科 学学 院 ，上 海 ２０００７２；２．上海 大学 机 械 与 自动化 学 院 ，上海 ２０００７２）
使 用 ＶＣ＋＋与 ＯｐｅｎＧＬ 相 结 合 的 技 术 研 究 了 虚 拟 仿 真 技 术 在 机 器 人 仿 真 中 的 应 用 。唐 安 慧 等 主 要 探 索 构 建 三 维 仿 真 平 台 的总 体 框 架 ，并 对平 台所 涉及 的各 项 关 键 技 术 进 行 了 研 究“ 。 赵 小 川 等 通 过 使 用 Ｗｅｂｏｔｓ完 成 了仿 真 六 足 机 器 人 的 仿 真 造 型 ，并 通 过 仿 真 实 验 验 证 了仿 生 六 足 机 器 人 机 构 的合 理 性 和 运 动 的 灵 活 性 。 文 献 ［６】提 出 了 一种 使 用 模 糊 逻 辑 的足 球 机 器 人 传 球 策 略 的 实 现 ，通 过 使 用 虚 拟 仿 真 技 术 实 现 了对 所 设 计 的 系 统 的 评 估 。其 中文 献 ｎ一２】都 是 基 于 Ｍａｔｌａｂ开 发 平 台 的 ， 其 可 扩 展 性 和 通 用 性 不 是 很 好 ，且 其 显 示 效 果 不 佳 。文 献 【３—６］ 未 对 适 合 机 器 人 仿 真 的 碰 撞 检 测 问题 作 深 入 研 究 ，而 碰 撞 检 测 是 虚 拟 现 实 系 统 中 的 研 究难 点 。其 主 要 的任 务 是 判 断 物 体 模 型 之 间 、模 型 与 场 景 之 间 是 否 发 生 了 碰 撞 ，以及 给 出碰 撞 位 置 、穿 刺 深 度 等 信 息 。 效 果 逼 真 、快 速 检 测 是 这 类 算 法 的 目
ｉｓ ｔａｋｅｎ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｃｏｎｖｅｘ ｏｂｊｅｃｔｓ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｓｅｒｖｉｃｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｌｉｔｙ． Ｔｈｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｓ ｍｏｒｅ ｅｆｉ ｃｉｅｎｔ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｗｈｉｃｈ ｏｎｌｙ ｕｓｅ ＳＷ ＩＦＴ＋＋
ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｏｂｏｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ＡＡＢＢ； ＳＷ ＩＦＴ＋＋； ｓｕｒ ｆａｃｅ ｃｏｎｖｅｘ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ； ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
０ 引 言
传 统 的机 器 人 研 发 面 临 着 不 能 有 效 验 证 设 计 的 合 理 性 、 无 法 避 免 设 计 失 误 给 机 器 人 研 发 工 作 带 来 的影 响 ，将 虚 拟 技 术 与 仿 真 技 术 相 结合 的 虚 拟 仿 真 技 术 能 够 给 机 器 人 的 研 发 工 作 提 供 可 视 化 效 果 。虚 拟 仿 真 技 术 具 有 成 本 低 、效 率 高 和 灵 活 性 好 等 特 点 ，应 用 范 围 很 广 ，相 关 研 究 较 多 ，如 上 海 大 学 对 Ｎ 自 由度 机 器 人 进 行 了 数 学 建 模 和 仿 真 研 究 ，借 助 Ｍａｔｌａｂ和 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的 计 算 和 绘 图 能 力 实 现 了 Ｎ 自 由度 机 器 人 的 运 动 仿 真 “ 。哈 尔 滨 工 程 大 学 提 出 了通 过 虚 拟 样 机 进 行 远 程 控 制 的 康 复机 器 人 系 统 方 案 ，通 过 在 Ｍａｔｌａｂ环 境 下 实 现 虚 拟 仿 真 ，达 到 可 视 化 效 果 。文 献 ［１—２］都 是 基 于 Ｍａｔｌａｂ开 发 平 台 的 ，其 可 扩 展 性 和 通 用 性 不 是 很 好 ，且 其 显 示 效 果 不 佳 。 张 晨 旭 通 过
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｒｏｂｏｔ
ＣＨＥＮ Ｗ ｅｉ ， ＣＨＥＮ Ｙｉ—ｍ ｉｎ ， Ｗ ＡＮ Ｇ Ｄｉ ， ＣＨＥＮ Ｍ ｉｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ）
