引言

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人的應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。?

Java3D是美國Sun公司為了彌補(bǔ)Java語言在多媒體及圖形編程方面的不足而推出的一系列標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展API，Java3D的推出使Java開發(fā)人員具備了開發(fā)三維視覺的小應(yīng)用程序和應(yīng)用程序，這些程序還具有與客戶交互的能力。這使得Java在視覺上，互動(dòng)性上產(chǎn)生了一次飛躍。

基于Java3D的這種特性，本文在利用Java3D便利的，面向?qū)ο蟮娜S圖形程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的建模與遠(yuǎn)程控制。

一 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)簡(jiǎn)介

現(xiàn)代機(jī)器人的歷史是從1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人開始的。機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段。第一代為簡(jiǎn)單個(gè)體機(jī)器人，第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人。?

機(jī)器人的外形是多種多樣的，往往決定于它的功能，工作環(huán)境等，但有一個(gè)共同點(diǎn)：服從人類指令，代替人力自動(dòng)工作。當(dāng)然，由于機(jī)器人的智能仍然有限，所以某些特殊的場(chǎng)合仍然需要人類對(duì)其進(jìn)行必要的控制，例如探測(cè)機(jī)器人。美國著名科普作家艾薩克.阿西莫夫?yàn)闄C(jī)器人提出了三條原則，即“機(jī)器人三定律”：?

第一定律——機(jī)器人不得傷害人，或任人受到傷害而無所作為；?

第二定律——機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，但命令與第一定律相抵觸時(shí)例外；?

第三定律——機(jī)器人必須保護(hù)自身的安全，但不得與第一、第二定律相抵觸。?

這些“定律”構(gòu)成了支配機(jī)器人行為的道德標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)器人必須按人的指令行事，為人類生產(chǎn)和生活服務(wù)。?

工業(yè)機(jī)器人是機(jī)器人家族中最重要的成員，它廣泛地被應(yīng)用于各種自動(dòng)化的生產(chǎn)線上。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成。操作機(jī)基本上分為兩大類：一類是操作本體機(jī)構(gòu)，它類似人的手臂和手腕，配上各種手爪與末端操作器后可進(jìn)行各種抓取動(dòng)作和操作作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人主要采用這種結(jié)構(gòu)。另一類為移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。壁面爬行、水下推動(dòng)等機(jī)構(gòu)也可歸于這一類?？刂破魍ǔＪ怯蓭准?jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，通過對(duì)各個(gè)傳感器發(fā)回的信息進(jìn)行計(jì)算后再發(fā)出相應(yīng)的指令。侍服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)單元和侍服驅(qū)動(dòng)控制器兩個(gè)部分組成，侍服驅(qū)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)單元帶動(dòng)操作機(jī)朝減少偏差的方向動(dòng)作。檢測(cè)傳感裝置的作用是將各種外界環(huán)境參數(shù)發(fā)回控制器，例如溫度，氣壓，受力等，這使得機(jī)器人能夠與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，對(duì)外界的各種變化做出及時(shí)的應(yīng)變。?

二?JAVA3D技術(shù)

在Java語言推出并大獲成功后，Sun公司開始考慮如何建立一個(gè)真正完整強(qiáng)大的Java平臺(tái)。其中達(dá)成的一個(gè)共識(shí)就是要強(qiáng)化Java1.0內(nèi)核平臺(tái)中功能有限的圖形API。Sun公司在Java1.1將內(nèi)核增強(qiáng)了不少，但始終缺了一點(diǎn)什么。好在Sun公司與其合作伙伴很快開發(fā)出了Java Media和Communication API，彌補(bǔ)了Java在多媒體編程方面的缺憾。其中兩個(gè)最大的弱項(xiàng)，2D和3D圖形部分，分別由Java 2D，3D API填補(bǔ)了空白。不過，Java2D API從Java1.2起是作為內(nèi)核平臺(tái)的API出現(xiàn)的，而Java3D則是在Java1.2推出后的稍晚些時(shí)候作為擴(kuò)展API出現(xiàn)的。

Java3D的推出使Java開發(fā)人員具備了開發(fā)三維視覺的小應(yīng)用程序和應(yīng)用程序，這些程序還具有與客戶交互的能力。這使得Java在視覺上，互動(dòng)性上產(chǎn)生了一次飛躍。

Java3D的API屬于低階的API，這些低階API為在場(chǎng)景圖結(jié)構(gòu)中建立3D幾何體提供了一種規(guī)范的，獨(dú)立于底層硬件的方法，并提供了場(chǎng)景預(yù)編譯等優(yōu)化技術(shù)。這些API按作用可分為幾個(gè)大的模塊：基本場(chǎng)景圖和形體，形體的分組和幾何變換，3D圖形文件的導(dǎo)入，光照和材質(zhì)等等。這幾個(gè)部分之間的關(guān)系如下圖所示：

由上圖可知，Java3D的場(chǎng)景構(gòu)成可以有豐富的組合，而本文中機(jī)器人的操作機(jī)正是利用這種組合構(gòu)造起來的。

三 利用Java3D實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人計(jì)算機(jī)模擬的建模

在建模之前，需要進(jìn)行總體外形的設(shè)計(jì)，繪制出草圖，確定各個(gè)構(gòu)件的外形尺寸以及各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的距離。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@決定了在虛擬空間中各個(gè)構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是否協(xié)調(diào)，合理。這一步完成后就可以進(jìn)行部件3D模型的建立。

在Java3D中要構(gòu)造一個(gè)復(fù)雜形體（Shape）大體上有兩種辦法。一種是利用Java3D中自有的API產(chǎn)生基本形體，然后再將這些基本形體組合?；蛘哂?jì)算出這個(gè)復(fù)雜形體的各個(gè)頂點(diǎn)，然后利用生成面的API來形成這個(gè)形體。這種使用Java3D API來生成形體的方法，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)形體的操作比較方便，可以使形體在運(yùn)行中產(chǎn)生變化。缺點(diǎn)在于這種建立3D模型的方法不直觀，調(diào)試形狀比較麻煩。另一種方法就是利用Sun公司或其他機(jī)構(gòu)為Java3D開發(fā)的Loader來載入其他格式存儲(chǔ)的3D模型，這些模型可以在諸如Maya，3Dmax，AutoCad等3D生成工具中可視化地生成。這種方法的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，那就是建模非常簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)在于在程序運(yùn)行中這些模型的形狀是不能改變的。因?yàn)楸疚氖菍?duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行模擬，所以一些柔性的附件可以省略，余下的均為剛性部件，不會(huì)產(chǎn)生形變，所以采用后一種方法是適宜的。

本文中機(jī)器人所有部件的3D模型均由3Dmax建模，輸出為Vrml97格式，然后利用VRML97-Java工作組提供的Vrml97 Loader導(dǎo)入虛擬空間中。 在建立部件模型的過程中需要注意的主要問題是要把形體的坐標(biāo)系原點(diǎn)調(diào)整到這個(gè)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸心處，這樣在裝配這些部件時(shí)就能比較容易地將其轉(zhuǎn)動(dòng)軸心調(diào)整至關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線處。導(dǎo)入3D模型需要用到com.sun.j3d.loaders.vrml97.VrmlLoader和com.sun.j3d.loaders.Scene兩個(gè)由Sun公司提供的類，其中VrmlLoader提供了用于載入圖形文件的方法，Scene對(duì)象則用來容納載入的圖形。當(dāng)Scene的對(duì)象中賦以圖形對(duì)象后，可使用TransformGroup對(duì)象裝載該圖形對(duì)象中的3D模型，以便于今后對(duì)該3D模型的方位調(diào)整。整個(gè)過程如下：

???????? Scene scene=null;

???????? VrmlLoader loader=new VrmlLoader();

???? TransformGroup module=new TransformGroup();

???????? module.setCapability(TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_READ);

???????? module.setCapability(TransformGroup.ALLOW_TRANSFORM_WRITE);

???????? try

???????? {

?????????????????????? scene=loader.load(fileName);//fileName為外部圖形文件名，本文中

???????????????????????????????????? //使用的為vrml文件*.wrl。

?????????????????????? module.addChild(scene.getSceneGroup());

???????? }

???????? catch(Exception e)

???????? {

??????????????? System.err.println(e);

??????????????? System.exit(0);

???????? }

當(dāng)機(jī)器人各個(gè)部件建模完成并導(dǎo)入場(chǎng)景后，便可以利用Java3D中形體變換類 TransformGroup，Transform3D來組裝這些部件。但是這里存在兩個(gè)問題，那就是如何組裝才能使每一個(gè)部件自身的運(yùn)動(dòng)對(duì)其他部件的影響如何才能正確體現(xiàn)出來，并且這些部件能夠正確動(dòng)作？

對(duì)于第一個(gè)問題，我們先舉人的手臂為例來說明什么是一個(gè)部件對(duì)另一個(gè)部件的正確影響。當(dāng)人的上臂活動(dòng)時(shí)，小臂應(yīng)當(dāng)隨著上臂移動(dòng)，而小臂活動(dòng)時(shí)，上臂未必動(dòng)作。而本文模擬的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)基本與此相似。在Java3D中這個(gè)問題可以利用其構(gòu)成場(chǎng)景圖的特點(diǎn)來解決。具體方法是將動(dòng)作從屬于部件A的部件B的transformGroupB加入到A的transformGroupA中。其關(guān)系類似于圖1-1中所示，transformGroupB及其子節(jié)點(diǎn)都成為transformGroupB的子節(jié)點(diǎn)。這樣，當(dāng)transformGroupA動(dòng)作時(shí)，其所有子節(jié)點(diǎn)將同時(shí)動(dòng)作，這也就實(shí)現(xiàn)了我們最初的目的。

而第二個(gè)問題中所謂正確的動(dòng)作是指各個(gè)部件能繞正確的軸心轉(zhuǎn)動(dòng)。本文中虛擬的機(jī)器人沒有平移運(yùn)動(dòng)，只利用各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目的。因此這些部件正確的運(yùn)動(dòng)，最根本的問題是轉(zhuǎn)動(dòng)的軸心位置要正確。

在Java3D中，物體的方位設(shè)置通常是通過TransformGroup和Transform3D兩個(gè)類實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)TransformGroup對(duì)象都有自己的一個(gè)坐標(biāo)系，所有作為子節(jié)點(diǎn)加入到這個(gè)對(duì)象中的形體的位置都以這個(gè)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，而這個(gè)坐標(biāo)系同時(shí)也代表了這個(gè)TransformGroup對(duì)象在父節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)系中的空間位置和方向。這個(gè)TransformGroup對(duì)象如果要調(diào)整在父節(jié)點(diǎn)中的方位，只需要利用Transform3D對(duì)象來調(diào)整該對(duì)象的坐標(biāo)系位置即可。調(diào)整坐標(biāo)系位置大體上有兩種途徑，一是直接設(shè)置該調(diào)整的變換矩陣，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是步驟簡(jiǎn)單快捷，缺點(diǎn)是矩陣的計(jì)算比較復(fù)雜，不易把握尺度；二是通過Transform3D類提供的各種方法來達(dá)到目的，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較直觀，更易于理解，不需要復(fù)雜的計(jì)算，而缺點(diǎn)在于為了實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)需要配合多個(gè)子TransformGroup對(duì)象。本文中將采取第二種方法，以便讀者能更直觀地理解該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過程。

在組裝這些部件的3D模型時(shí)，每一個(gè)形體必須載入到一個(gè)transformGroup中，由于這一形體上可能有需要運(yùn)動(dòng)的子形體，而該子形體運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)位置通常是在其父形體上的轉(zhuǎn)軸孔處。因此這里產(chǎn)生了一個(gè)問題，一個(gè)transformGroup對(duì)象中需要有兩個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)用于該級(jí)形體在父形體中的定位，另一個(gè)作為子形體運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。為了解決這個(gè)問題，可以為每一級(jí)形體建立一個(gè)container，這個(gè)container將容納由外部文件導(dǎo)入的形體，以及坐標(biāo)系調(diào)整到下級(jí)形體轉(zhuǎn)軸處的一個(gè)Axis對(duì)象，這樣將下一級(jí)形體的container加入到這個(gè)Axis對(duì)象中，即可使下一級(jí)形體轉(zhuǎn)動(dòng)的軸心處于正確位置。一級(jí)形體與其下級(jí)形體之間的關(guān)系如下圖所示：

下圖是已組裝好的機(jī)器人：

四 ?遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人的建模部分完成了，接下來的工作是完成機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制部分。本文以本地的機(jī)器人對(duì)象模擬遠(yuǎn)程控制的監(jiān)視窗口，通過Java Socket將本地的控制信息同步的傳送到Applet遠(yuǎn)程端，那里也實(shí)現(xiàn)了一個(gè)機(jī)器人對(duì)象，用來模擬實(shí)際的操作機(jī)。這里為了簡(jiǎn)化問題，并沒有設(shè)置遠(yuǎn)程端反饋的回路，而是控制端設(shè)置為服務(wù)器發(fā)送消息，遠(yuǎn)程端設(shè)置為客戶端接收消息。

該控制系統(tǒng)控制端與遠(yuǎn)程端的結(jié)構(gòu)分別如左下圖和右下圖所示：

????其中控制端的鍵盤輸入接口通過繼承Java3D的Behavior類實(shí)現(xiàn)，這個(gè)接口將喚醒條件設(shè)置為按下按鍵，然后通過本地實(shí)現(xiàn)的processStimulus方法分析輸入情況，隨后根據(jù)輸入?yún)?shù)調(diào)用相應(yīng)的機(jī)器人控制接口使機(jī)器人做出響應(yīng)。

控制端與遠(yuǎn)程端的機(jī)器人控制接口是基本相同的。由于機(jī)器鉗部分是由兩個(gè)部件組成，而這兩個(gè)部件的行為總是對(duì)稱的，這與其他的部分有顯著不同，因此控制接口使用了方法重載來分別處理這兩種情況：

public void rotArm(float delta)；//處理機(jī)械鉗的運(yùn)動(dòng)

public void rotArm(int code,float delta)；//其他部件的運(yùn)動(dòng)是相似的，故可用一//個(gè)方法來實(shí)現(xiàn)

在rotArm方法中，部件的運(yùn)動(dòng)是通過對(duì)Container做坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的：

Transform3D t=new Transform3D();

t.rotY(delta);// 部件沿哪一根軸轉(zhuǎn)動(dòng)根據(jù)其初始位置來決定

moduleContainer.setTransform(t);

在控制端中，對(duì)本地對(duì)象變換的同時(shí)，rotArm方法調(diào)用了網(wǎng)絡(luò)控制接口。

netIo.send(code,delta);

??

控制端的網(wǎng)絡(luò)接口基于ServerSocket，在接口中設(shè)置有接口狀態(tài)標(biāo)志，初始值為接口不可用，當(dāng)連接建立后，該標(biāo)志被置為接口可用。消息在發(fā)送之前將按照控制協(xié)議格式化，遠(yuǎn)程端在接收到控制消息后，將其解碼，然后調(diào)用機(jī)器人控制接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)器人的控制。遠(yuǎn)程端的網(wǎng)絡(luò)接口是基于Socket的，在程序啟動(dòng)時(shí)初始化?？刂贫伺c遠(yuǎn)程端的網(wǎng)絡(luò)接口均繼承了Thread多線程類，控制端中子線程用于等待遠(yuǎn)程端連接，而遠(yuǎn)程端中則用于持續(xù)接收控制端消息。

五 參考文獻(xiàn)

1．? Steven Holzner 著，江帆，鄭偉，郭春 等譯，JAVA2技術(shù)內(nèi)幕，中國水利水電出版社。

2．? Bruce Eckel 著，候捷譯，Java編程思想，機(jī)械工業(yè)出版社。?

3．? Cay S.Horstmann，Gary Cornell著，李如豹，剛冬梅 等譯，Java2核心技術(shù) 卷I：原理，機(jī)械工業(yè)出版社。

4．? David R. Nadeau，An Introduction to Programming AR and VR Applications with Java 3D，http://www.sdsc.edu/~nadeau/nadeau_courses.html。

5．? 顧雷，劉鵬，房冰，都志輝 編著，都志輝 主編，劉鵬，陳渝 副主編，Java3D編程實(shí)踐，清華大學(xué)出版社。

6．? Harvey M.Deitel,Paul J. Deitel,Sean E.Santry 著，錢方，梅皓，周璐，吳志英 等譯，高級(jí)Java2大學(xué)教程，電子工業(yè)出版社。

7．? 賴維德?，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，??www.e-works.net.cn/ewkArticles/Category68/Article6938.htm。

8．? 機(jī)器人的誕生，www.cpus.gov.cn/kjsh/jqrsh/jqrdds.htm。

9．? www.siasun.com/jsfw/jsjz.htm。

10. Getting Started with the Java 3D API，java.sun.com/products/java-media/3D/ collateral。