VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解


Posted in Python onDecember 13, 2017

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。

VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解

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:

1. 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。

2. 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。

VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解

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”。

VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解

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 python
 import vtk
import math
from vtk.util.colors import *
filenames = ["upperarm.stl","forearm.stl"]
dt = 1.0    # degree step in rotation
angle = [0, 0] # shoulder and elbow joint angle
renWin = 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):
    pass
  def OnKeyPressEvent(self,obj,event):
    global angle
    # Get the compound key strokes for the event
    key = self.GetInteractor().GetKeySym()
    # Output the key that was pressed
    #print "Pressed: " , key
    # Handle an arrow key
    if(key == "Left"):
      actor[1].RotateY(-dt)      
    if(key == "Right"):
      actor[1].RotateY(dt)      
    if(key == "Up"):
      assembly.RotateY(-dt)
      angle[0] += dt
      if angle[0] >= 360.0:
        angle[0] -= 360.0
      slider_shoulder.SetValue(angle[0])  
    if(key == "Down"):
      assembly.RotateY(dt)
      angle[0] -= dt
      if 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 process
    renWin.Render()
    return
def LoadSTL(filename):
  reader = vtk.vtkSTLReader()
  reader.SetFileName(filename)
  mapper = vtk.vtkPolyDataMapper() # maps polygonal data to graphics primitives
  mapper.SetInputConnection(reader.GetOutputPort())
  actor = vtk.vtkLODActor() 
  actor.SetMapper(mapper)
  return actor  # represents an entity in a rendered scene
def CreateCoordinates():
  # create coordinate axes in the render window
  axes = 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 bolding
  return axes
def 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 widget
  sliderRep.SetTitleText(TitleText) # Specify the label text for this widget
  sliderRep.GetSliderProperty().SetColor(1,0,0) # Change the color of the knob that slides
  sliderRep.GetSelectedProperty().SetColor(0,0,1) # Change the color of the knob when the mouse is held on it
  sliderRep.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 slider
  sliderRep.GetPoint1Coordinate().SetCoordinateSystemToDisplay()
  sliderRep.GetPoint1Coordinate().SetValue(50, Yaxes) 
  # Position the second end point of the slider
  sliderRep.GetPoint2Coordinate().SetCoordinateSystemToDisplay()
  sliderRep.GetPoint2Coordinate().SetValue(400, Yaxes) 
  sliderRep.SetSliderLength(0.02) # Specify the length of the slider shape.The slider length by default is 0.05
  sliderRep.SetSliderWidth(0.02) # Set the width of the slider in the directions orthogonal to the slider axis
  sliderRep.SetTubeWidth(0.005)
  sliderRep.SetEndCapWidth(0.03)

  sliderRep.ShowSliderLabelOn() # display the slider text label
  sliderRep.SetLabelFormat("%.1f")

  sliderWidget = vtk.vtkSliderWidget()
  sliderWidget.SetRepresentation(sliderRep)
  sliderWidget.SetAnimationModeToAnimate()

  return sliderWidget
def CreateGround():
  # create plane source
  plane = vtk.vtkPlaneSource()
  plane.SetXResolution(50)
  plane.SetYResolution(50)
  plane.SetCenter(0,0,0)
  plane.SetNormal(0,0,1)  
  # mapper
  mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
  mapper.SetInputConnection(plane.GetOutputPort())
   
  # actor
  actor = vtk.vtkActor()
  actor.SetMapper(mapper)
  actor.GetProperty().SetRepresentationToWireframe()
  #actor.GetProperty().SetOpacity(0.4) # 1.0 is totally opaque and 0.0 is completely transparent
  actor.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 renderer
  ren = vtk.vtkRenderer()
  #renWin = vtk.vtkRenderWindow()
  renWin.AddRenderer(ren)
  # Create a renderwindowinteractor
  iren = 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 position
  ren.AddActor(assembly)
  # Add coordinates
  axes = CreateCoordinates()
  ren.AddActor(axes)

  # Add ground
  ground = CreateGround()
  ren.AddActor(ground)

  # Add slider to control the robot
  sliderWidget_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 color
  ren.SetBackground(.2, .2, .2)

  # Set window size
  renWin.SetSize(600, 600)

  # Set up the camera to get a particular view of the scene
  camera = 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 interactor
  iren.Initialize()
  iren.Start()
if __name__ == "__main__":
  CreateScene()

VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解

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!

VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解

VTK与Python实现机械臂三维模型可视化详解

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:

如有不足之处,欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持!

Python 相关文章推荐
python网络编程学习笔记(三):socket网络服务器
Jun 09 Python
讲解Python中运算符使用时的优先级
May 14 Python
Python实现的文本简单可逆加密算法示例
May 18 Python
python用户管理系统
Mar 13 Python
Flask之flask-session的具体使用
Jul 26 Python
将Python文件打包成.EXE可执行文件的方法
Aug 11 Python
python函数的作用域及关键字详解
Aug 20 Python
Python使用微信itchat接口实现查看自己微信的信息功能详解
Aug 22 Python
树莓派3 搭建 django 服务器的实例
Aug 29 Python
np.dot()函数的用法详解
Jan 17 Python
Python多个装饰器的调用顺序实例解析
May 22 Python
教你使用pyinstaller打包Python教程
May 27 Python
python+pygame简单画板实现代码实例
Dec 13 #Python
Python实现简单的语音识别系统
Dec 13 #Python
关于反爬虫的一些简单总结
Dec 13 #Python
Python自动化运维_文件内容差异对比分析
Dec 13 #Python
Python实现自动发送邮件功能
Mar 02 #Python
django站点管理详解
Dec 12 #Python
Django 生成登陆验证码代码分享
Dec 12 #Python
You might like
如何对PHP程序中的常见漏洞进行攻击(上)
2006/10/09 PHP
ajax上传时参数提交不更新等相关问题
2012/12/11 Javascript
jQuery对象数据缓存Cache原理及jQuery.data方法区别介绍
2013/04/07 Javascript
jQuery+html5实现div弹出层并遮罩背景
2015/04/15 Javascript
详解JavaScript时间格式化
2015/12/23 Javascript
js判断是否为空和typeof的用法(详解)
2016/10/07 Javascript
jquery.form.js异步提交表单详解
2017/04/25 jQuery
JS动态添加的div点击跳转到另一页面实现代码
2017/09/30 Javascript
AngualrJs清除定时器遇到的坑
2017/10/13 Javascript
vue项目常用组件和框架结构介绍
2017/12/24 Javascript
详解VUE2.X过滤器的使用方法
2018/01/11 Javascript
详解Vue.js iview实现树形权限表(可扩展表)
2018/09/30 Javascript
JS数组方法slice()用法实例分析
2020/01/18 Javascript
vue渲染方式render和template的区别
2020/06/05 Javascript
vue router-link 默认a标签去除下划线的实现
2020/11/06 Javascript
Python实现测试磁盘性能的方法
2015/03/12 Python
Python中常用操作字符串的函数与方法总结
2016/02/04 Python
Python基础之getpass模块详细介绍
2017/08/10 Python
使用实现XlsxWriter创建Excel文件并编辑
2018/05/04 Python
python实现遍历文件夹修改文件后缀
2018/08/28 Python
梅尔频率倒谱系数(mfcc)及Python实现
2019/06/18 Python
如何使用Flask-Migrate拓展数据库表结构
2019/07/24 Python
python3 字符串知识点学习笔记
2020/02/08 Python
keras之权重初始化方式
2020/05/21 Python
你所在的项目是如何确定版本号的
2015/12/28 面试题
2014年中班元旦活动方案
2014/02/14 职场文书
优秀党务工作者事迹材料
2014/05/07 职场文书
国庆宣传标语
2014/06/30 职场文书
小学捐书活动总结
2014/07/05 职场文书
大学生党员自我评价
2015/03/04 职场文书
应届毕业生求职信范文
2015/03/19 职场文书
通知的格式范文
2015/04/27 职场文书
年会主持人开场白台词
2015/05/29 职场文书
Nginx服务器添加Systemd自定义服务过程解析
2021/03/31 Servers
python如何获取网络数据
2021/04/11 Python
教你使用VS Code的MySQL扩展管理数据库的方法
2022/01/22 MySQL