第19卷第11期 系

统 仿 真 学 报© Vol. 19 No. 11

2007年6月 Journal of System Simulation Jun., 2007

仿人机器人三维实时仿真系统的研究与实现

甘志刚，肖南峰

(华南理工大学计算机科学与工程学院, 广州 510641)

摘 要：利用仿真来研究、分析和检验仿人形机器人在步行过程中的受力，对于改进和提高它的步行控制方法具有非常重要的意义。本文首先介绍了作者用OpenGL图形库开发仿人形机器人三维实时仿真系统和全方位观测技术，然后通过分析环境作用力对机器人的影响，提出了在点支撑、线支撑和面支撑三种模式下，机器人的平衡条件和失稳时翻转的旋转轴及旋转速度的求解方法；最后将上述方法应用到机器人三维实时仿真系统中，实现了仿人形机器人控制的可视化，为仿人形机器人研究提供了强有力的手段。

关键词：仿人形机器人；仿真；OpenGL；全方位观测；环境作用力

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 11-2444-05

Research and Implementation of 3D Simulation System

for Biped Humanoid Robot

GAN Zhi-gang, XIAO Nan-feng

(School of Computer Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

Abstract: It is very significant for improving the control algorithms of a humanoid robot by simulating motions of the humanoid robot in real-time. A 3D simulation system was implemented based on OpenGL for the biped humanoid robot, and a way of omnibearing observation.was proposed After analysing the environment force effection during the motion of the humanoid robot, a set of balance formula at point-support mode, line-support mode and area-support mode was devloped, and an algorithm for getting rotation axis and rate was developed when the robot loses the balance. The simulational results confirm the effectiveness of the presented forrmulas and algorithms.

Key words: humanoid robot; simulation; OpenGL; omnibearing observation; environment force

引 言仿人形机器人由于拥有和人类相似的外形，使得它更容易与人类相处，对它的研究已经成为机器人研究领域中的一个热点。为了更安全和有效地验证和改进仿人形机器人的各种控制算法，增强其控制过程的可视化，有必要为仿人形机器人研制一套三维实时仿真系统。目前，世界上许多国家的学者正在从事仿人形机器人的仿真研究，也陆续发表了大量的论文和成果[1-4]。例如，日本学者Hirohisa Hirukawa等开发了仿人形机器人仿真平台Open HRP，他利用这个仿真平台成功地研究和开发出了两款仿人形机器人HRP-1和HRP-2[1]。我国的仿人形机器人仿真研究也取得了不少成果

[5-9]

动画效果，对于验证各种控制算法的正确性是相当有帮助的。为了给仿人形机器人研究提供一个强有力的可视化试验平台，本文研制了一个基于OpenGL的仿人形机器人三维实时仿真系统。

1 三维实时仿真系统开发环境

仿人形机器人三维实时仿真系统是在Windows 2000 Professional操作系统下，采用OpenGL三维图形库与VC++ 6.0联合开发的。OpenGL（Open Graphics Library）是由SGI公司的IRIS GL发展出来的图形应用程序设计接口（API），具有可移植性，在三维仿真方面应用广泛，可以实现逼真的三维视觉效果。但是，OpenGL只提供了基本三维图形的绘制，对于复杂三维物体的建模很繁琐。为此，我们选择了Discreet公司的3DS MAX 7.0作为仿人形机器人建模工具。本文构造的三维模型完全按照仿人形机器人实体尺寸和比例，如图1所示。

，中国科学院自动化研究所和清华大学等对仿人形机器

人TH-1的双手臂进行了运动学仿真[5]。但是，目前大多数研究是对仿人形机器人各个关节的运动学和动力学进行仿真，往往只能用曲线的形式给出仿真结果，而无法用三维动画的形式可视化地给出仿人形机器人的运动效果。并且，在这些仿真中也不考虑环境对机器人的影响。实际上在研究仿人形机器人的各种运动过程中，实时地仿真出机器人运动的三维

收稿日期：2006-04-29 修回日期：2006-07-25 基金项目：

广东省自然科学基金(重点)资助项目（

36552） 作者简介：甘志刚(1979-), 男, 江西抚州, 博士生, 研究方向为仿人机器人; 肖南峰(1962-), 男, 江西九江, 教授, 工学博士, 研究方向为机器人控制。

(a) 仿人形机器人实体图

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