VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解

三维可视化系统的建立依赖于三维图形平台，如 OpenGL、VTK、OGRE、OSG等，
传统的方法多采用OpenGL进行底层编程，即对其特有的函数进行定量操作，需要开发人员熟悉相关函数，从而造成了开发难度大、周期长等问题。VTK、
ORGE、OSG等平台使用封装更好的函数简化了开发过程。下面将使用Python与VTK进行机器人上位机监控界面的快速原型开发。

完整的上位机程序需要有三维显示模块、机器人信息监测模块（位置/角度/速度/电量/温度/错误信息…）、通信模块（串口/USB/WIFI/蓝牙…）、控制模块等功能模块。三维显示模块主要用于实时显示机器人的姿态（或位置）信息。比如机器人上肢手臂抬起，程序界面中的虚拟机器人也会同时进行同样的动作。三维显示模块也可以用于对机器人进行控制，实现良好的人机交互。比如在三维图像界面中可以点击拾取机器人某一关节，拖拽部件(肢体)控制真实的机器人完成同样的运动。Aldebaran
Robotics的图形化编程软件Choregraphe可以完成上述的一些功能对NAO机器人进行控制。

对于简单的模型可以自己编写函数进行创建，但这种方法做出来的模型过于简单不够逼真。因此可以先在SolidWorks、Blender、3DMax、Maya、Rhino等三维设计软件中建立好模型，然后导出为通用的三维文件格式，再使用VTK将其读入并进行渲染。

在SolidWorks等三维设计软件中设计好机器人的大臂（upperarm）和小臂（forearm），然后创建装配体如下图所示。在将装配体导出为STL文件前需要注意几点：

当从外界读入STL类型的模型时，其会按照它内部的坐标位置进行显示，因此它的位置和大小是确定的。为了以后的定位以及移动、旋转等操作的方便，需要先在SolidWorks中创建一个坐标系。如下图所示，坐标系建立在大臂关节中心点。
如果将装配体整体输出为一个STL文件，则导入VTK后无法控制零部件进行相对运动。因此，需要将装配体各可动部件分别导出。

在SolidWorks的另存为STL对话框中，点开输出选项卡，如下图所示。注意之前提到的几点：如果勾选“在单一文件中保存装配体的所有零部件”则会将整个装配体导出为一个STL文件，否则就是分别命名的两个STL文件；输出坐标系下拉列表中选择之前创建的坐标系1，并勾选“不要转换STL输出数据到正的坐标空间”。

下面的Python代码简单实现了一个2自由度机械臂的三维仿真，可以拖动滑块或按键盘上的方向键控制肩关节或肘关节运动。当然程序还存在一些问题有待完善…

    #!/usr/bin/env pythonimport vtkimport mathfrom vtk.util.colors import *filenames = ["upperarm.stl","forearm.stl"]dt = 1.0    # degree step in rotationangle = [0, 0] # shoulder and elbow joint anglerenWin = vtk.vtkRenderWindow()assembly = vtk.vtkAssembly()slider_shoulder = vtk.vtkSliderRepresentation2D()slider_elbow = vtk.vtkSliderRepresentation2D()actor = list() # the list of links# Customize vtkInteractorStyleTrackballCamera class MyInteractor(vtk.vtkInteractorStyleTrackballCamera):def __init__(self,parent=None):self.AddObserver("CharEvent",self.OnCharEvent)self.AddObserver("KeyPressEvent",self.OnKeyPressEvent)# Override the default key operations which currently handle trackball or joystick styles is provided# OnChar is triggered when an ASCII key is pressed. Some basic key presses are handled here def OnCharEvent(self,obj,event):passdef OnKeyPressEvent(self,obj,event):global angle# Get the compound key strokes for the eventkey = self.GetInteractor().GetKeySym()# Output the key that was pressed#print "Pressed: " , key# Handle an arrow keyif(key == "Left"):actor[1].RotateY(-dt)      if(key == "Right"):actor[1].RotateY(dt)      if(key == "Up"):assembly.RotateY(-dt)angle[0] += dtif angle[0] >= 360.0:angle[0] -= 360.0slider_shoulder.SetValue(angle[0])  if(key == "Down"):assembly.RotateY(dt)angle[0] -= dtif angle[0] < 0.0:angle[0] += 360.0 slider_shoulder.SetValue(angle[0])# Ask each renderer owned by this RenderWindow to render its image and synchronize this processrenWin.Render()returndef LoadSTL(filename):reader = vtk.vtkSTLReader()reader.SetFileName(filename)mapper = vtk.vtkPolyDataMapper() # maps polygonal data to graphics primitivesmapper.SetInputConnection(reader.GetOutputPort())actor = vtk.vtkLODActor() actor.SetMapper(mapper)return actor  # represents an entity in a rendered scenedef CreateCoordinates():# create coordinate axes in the render windowaxes = vtk.vtkAxesActor() axes.SetTotalLength(100, 100, 100) # Set the total length of the axes in 3 dimensions # Set the type of the shaft to a cylinder:0, line:1, or user defined geometry. axes.SetShaftType(0) axes.SetCylinderRadius(0.02) axes.GetXAxisCaptionActor2D().SetWidth(0.03) axes.GetYAxisCaptionActor2D().SetWidth(0.03) axes.GetZAxisCaptionActor2D().SetWidth(0.03) #axes.SetAxisLabels(0) # Enable:1/disable:0 drawing the axis labels#transform = vtk.vtkTransform() #transform.Translate(0.0, 0.0, 0.0)#axes.SetUserTransform(transform)#axes.GetXAxisCaptionActor2D().GetCaptionTextProperty().SetColor(1,0,0)#axes.GetXAxisCaptionActor2D().GetCaptionTextProperty().BoldOff() # disable text boldingreturn axesdef ShoulderSliderCallback(obj,event):sliderRepres = obj.GetRepresentation()pos = sliderRepres.GetValue() assembly.SetOrientation(0,-pos,0)renWin.Render()def ElbowSliderCallback(obj,event):sliderRepres = obj.GetRepresentation()pos = sliderRepres.GetValue() actor[1].SetOrientation(0,-pos,0)renWin.Render()def ConfigSlider(sliderRep, TitleText, Yaxes):sliderRep.SetMinimumValue(0.0)sliderRep.SetMaximumValue(360.0)sliderRep.SetValue(0.0) # Specify the current value for the widgetsliderRep.SetTitleText(TitleText) # Specify the label text for this widgetsliderRep.GetSliderProperty().SetColor(1,0,0) # Change the color of the knob that slidessliderRep.GetSelectedProperty().SetColor(0,0,1) # Change the color of the knob when the mouse is held on itsliderRep.GetTubeProperty().SetColor(1,1,0) # Change the color of the bar sliderRep.GetCapProperty().SetColor(0,1,1) # Change the color of the ends of the bar#sliderRep.GetTitleProperty().SetColor(1,0,0) # Change the color of the text displaying the value# Position the first end point of the slidersliderRep.GetPoint1Coordinate().SetCoordinateSystemToDisplay()sliderRep.GetPoint1Coordinate().SetValue(50, Yaxes) # Position the second end point of the slidersliderRep.GetPoint2Coordinate().SetCoordinateSystemToDisplay()sliderRep.GetPoint2Coordinate().SetValue(400, Yaxes) sliderRep.SetSliderLength(0.02) # Specify the length of the slider shape.The slider length by default is 0.05sliderRep.SetSliderWidth(0.02) # Set the width of the slider in the directions orthogonal to the slider axissliderRep.SetTubeWidth(0.005)sliderRep.SetEndCapWidth(0.03)sliderRep.ShowSliderLabelOn() # display the slider text labelsliderRep.SetLabelFormat("%.1f")sliderWidget = vtk.vtkSliderWidget()sliderWidget.SetRepresentation(sliderRep)sliderWidget.SetAnimationModeToAnimate()return sliderWidgetdef CreateGround():# create plane sourceplane = vtk.vtkPlaneSource()plane.SetXResolution(50)plane.SetYResolution(50)plane.SetCenter(0,0,0)plane.SetNormal(0,0,1)  # mappermapper = vtk.vtkPolyDataMapper()mapper.SetInputConnection(plane.GetOutputPort())# actoractor = vtk.vtkActor()actor.SetMapper(mapper)actor.GetProperty().SetRepresentationToWireframe()#actor.GetProperty().SetOpacity(0.4) # 1.0 is totally opaque and 0.0 is completely transparentactor.GetProperty().SetColor(light_grey)'''# Load in the texture map. A texture is any unsigned char image.bmpReader = vtk.vtkBMPReader() bmpReader.SetFileName("ground_texture.bmp") texture = vtk.vtkTexture() texture.SetInputConnection(bmpReader.GetOutputPort()) texture.InterpolateOn() actor.SetTexture(texture)'''transform = vtk.vtkTransform()transform.Scale(2000,2000, 1)actor.SetUserTransform(transform)return actor  def CreateScene():# Create a rendering window and rendererren = vtk.vtkRenderer()#renWin = vtk.vtkRenderWindow()renWin.AddRenderer(ren)# Create a renderwindowinteractoriren = vtk.vtkRenderWindowInteractor()iren.SetRenderWindow(renWin)style = MyInteractor()style.SetDefaultRenderer(ren)iren.SetInteractorStyle(style)for id, file in enumerate(filenames):actor.append(LoadSTL(file))#actor[id].GetProperty().SetColor(blue)r = vtk.vtkMath.Random(.4, 1.0)g = vtk.vtkMath.Random(.4, 1.0)b = vtk.vtkMath.Random(.4, 1.0)actor[id].GetProperty().SetDiffuseColor(r, g, b)actor[id].GetProperty().SetDiffuse(.8)actor[id].GetProperty().SetSpecular(.5)actor[id].GetProperty().SetSpecularColor(1.0,1.0,1.0)actor[id].GetProperty().SetSpecularPower(30.0)assembly.AddPart(actor[id])# Add the actors to the scene#ren.AddActor(actor[id])# Also set the origin, position and orientation of assembly in space.assembly.SetOrigin(0, 0, 0) # This is the point about which all rotations take place #assembly.AddPosition(0, 0, 0)#assembly.RotateX(45)actor[1].SetOrigin(274, 0, 0) # initial elbow joint positionren.AddActor(assembly)# Add coordinatesaxes = CreateCoordinates()ren.AddActor(axes)# Add groundground = CreateGround()ren.AddActor(ground)# Add slider to control the robotsliderWidget_shoulder = ConfigSlider(slider_shoulder,"Shoulder Joint", 80)sliderWidget_shoulder.SetInteractor(iren)sliderWidget_shoulder.EnabledOn()sliderWidget_shoulder.AddObserver("InteractionEvent", ShoulderSliderCallback)sliderWidget_elbow = ConfigSlider(slider_elbow,"Elbow Joint", 160)sliderWidget_elbow.SetInteractor(iren)sliderWidget_elbow.EnabledOn()sliderWidget_elbow.AddObserver("InteractionEvent", ElbowSliderCallback)# Set background colorren.SetBackground(.2, .2, .2)# Set window sizerenWin.SetSize(600, 600)# Set up the camera to get a particular view of the scenecamera = vtk.vtkCamera()camera.SetFocalPoint(300, 0, 0)camera.SetPosition(300, -400, 350)camera.ComputeViewPlaneNormal()camera.SetViewUp(0, 1, 0)camera.Zoom(0.4)ren.SetActiveCamera(camera)# Enable user interface interactoriren.Initialize()iren.Start()if __name__ == "__main__":CreateScene()

下面是使用MFC搭建的机器人上位机监控平台，可以实现上述的一些基本功能。这个GIF动画使用开源软件ScreenToGif生成，非常好用！

总结

以上就是本文关于VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站：

_python+pygame简单画板实现代码实例 _

_Python实现简单的语音识别系统 _

_Python内置模块turtle绘图详解 _

如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！

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