
VTK與Python實現(xiàn)機械臂三維模型可視化詳解
三維可視化系統(tǒng)的建立依賴于三維圖形平臺, 如 OpenGL、VTK、OGRE、OSG等, 傳統(tǒng)的方法多采用OpenGL進(jìn)行底層編程,即對其特有的函數(shù)進(jìn)行定量操作, 需要開發(fā)人員熟悉相關(guān)函數(shù), 從而造成了開發(fā)難度大、 周期長等問題。VTK、 ORGE、OSG等平臺使用封裝更好的函數(shù)簡化了開發(fā)過程。下面將使用Python與VTK進(jìn)行機器人上位機監(jiān)控界面的快速原型開發(fā)。
完整的上位機程序需要有三維顯示模塊、機器人信息監(jiān)測模塊(位置/角度/速度/電量/溫度/錯誤信息...)、通信模塊(串口/USB/WIFI/藍(lán)牙...)、控制模塊等功能模塊。三維顯示模塊主要用于實時顯示機器人的姿態(tài)(或位置)信息。比如機器人上肢手臂抬起,程序界面中的虛擬機器人也會同時進(jìn)行同樣的動作。三維顯示模塊也可以用于對機器人進(jìn)行控制,實現(xiàn)良好的人機交互。比如在三維圖像界面中可以點擊拾取機器人某一關(guān)節(jié),拖拽部件(肢體)控制真實的機器人完成同樣的運動。Aldebaran Robotics的圖形化編程軟件Choregraphe可以完成上述的一些功能對NAO機器人進(jìn)行控制。
對于簡單的模型可以自己編寫函數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建,但這種方法做出來的模型過于簡單不夠逼真。因此可以先在SolidWorks、Blender、3DMax、Maya、Rhino等三維設(shè)計軟件中建立好模型,然后導(dǎo)出為通用的三維文件格式,再使用VTK將其讀入并進(jìn)行渲染。
在SolidWorks等三維設(shè)計軟件中設(shè)計好機器人的大臂(upperarm)和小臂(forearm),然后創(chuàng)建裝配體如下圖所示。在將裝配體導(dǎo)出為STL文件前需要注意幾點:
1. 當(dāng)從外界讀入STL類型的模型時,其會按照它內(nèi)部的坐標(biāo)位置進(jìn)行顯示,因此它的位置和大小是確定的。為了以后的定位以及移動、旋轉(zhuǎn)等操作的方便,需要先在SolidWorks中創(chuàng)建一個坐標(biāo)系。如下圖所示,坐標(biāo)系建立在大臂關(guān)節(jié)中心點。
2. 如果將裝配體整體輸出為一個STL文件,則導(dǎo)入VTK后無法控制零部件進(jìn)行相對運動。因此,需要將裝配體各可動部件分別導(dǎo)出。
在SolidWorks的另存為STL對話框中,點開輸出選項卡,如下圖所示。注意之前提到的幾點:如果勾選“在單一文件中保存裝配體的所有零部件”則會將整個裝配體導(dǎo)出為一個STL文件,否則就是分別命名的兩個STL文件;輸出坐標(biāo)系下拉列表中選擇之前創(chuàng)建的坐標(biāo)系1,并勾選“不要轉(zhuǎn)換STL輸出數(shù)據(jù)到正的坐標(biāo)空間”。
下面的Python代碼簡單實現(xiàn)了一個2自由度機械臂的三維仿真,可以拖動滑塊或按鍵盤上的方向鍵控制肩關(guān)節(jié)或肘關(guān)節(jié)運動。當(dāng)然程序還存在一些問題有待完善...
#!/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()
下面是使用MFC搭建的機器
下面是使用MFC搭建的機器人上位機監(jiān)控平臺,可以實現(xiàn)上述的一些基本功能。這個GIF動畫使用開源軟件ScreenToGif生成,非常好用!
總結(jié)
以上就是本文關(guān)于VTK與Python實現(xiàn)機械臂三維模型可視化詳解的全部內(nèi)容,希望對大家有所幫助。
數(shù)據(jù)分析咨詢請掃描二維碼
若不方便掃碼,搜微信號:CDAshujufenxi
SQL Server 中 CONVERT 函數(shù)的日期轉(zhuǎn)換:從基礎(chǔ)用法到實戰(zhàn)優(yōu)化 在 SQL Server 的數(shù)據(jù)處理中,日期格式轉(zhuǎn)換是高頻需求 —— 無論 ...
2025-09-18MySQL 大表拆分與關(guān)聯(lián)查詢效率:打破 “拆分必慢” 的認(rèn)知誤區(qū) 在 MySQL 數(shù)據(jù)庫管理中,“大表” 始終是性能優(yōu)化繞不開的話題。 ...
2025-09-18CDA 數(shù)據(jù)分析師:表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) “獲取 - 加工 - 使用” 全流程的賦能者 表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(如數(shù)據(jù)庫表、Excel 表、CSV 文件)是企業(yè)數(shù)字 ...
2025-09-18DSGE 模型中的 Et:理性預(yù)期算子的內(nèi)涵、作用與應(yīng)用解析 動態(tài)隨機一般均衡(Dynamic Stochastic General Equilibrium, DSGE)模 ...
2025-09-17Python 提取 TIF 中地名的完整指南 一、先明確:TIF 中的地名有哪兩種存在形式? 在開始提取前,需先判斷 TIF 文件的類型 —— ...
2025-09-17CDA 數(shù)據(jù)分析師:解鎖表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)特征價值的專業(yè)核心 表結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(以 “行 - 列” 規(guī)范存儲的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),如數(shù)據(jù)庫表、Excel 表、 ...
2025-09-17Excel 導(dǎo)入數(shù)據(jù)含缺失值?詳解 dropna 函數(shù)的功能與實戰(zhàn)應(yīng)用 在用 Python(如 pandas 庫)處理 Excel 數(shù)據(jù)時,“缺失值” 是高頻 ...
2025-09-16深入解析卡方檢驗與 t 檢驗:差異、適用場景與實踐應(yīng)用 在數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計學(xué)領(lǐng)域,假設(shè)檢驗是驗證研究假設(shè)、判斷數(shù)據(jù)差異是否 “ ...
2025-09-16CDA 數(shù)據(jù)分析師:掌控表格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)全功能周期的專業(yè)操盤手 表格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(以 “行 - 列” 存儲的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),如 Excel 表、數(shù)據(jù) ...
2025-09-16MySQL 執(zhí)行計劃中 rows 數(shù)量的準(zhǔn)確性解析:原理、影響因素與優(yōu)化 在 MySQL SQL 調(diào)優(yōu)中,EXPLAIN執(zhí)行計劃是核心工具,而其中的row ...
2025-09-15解析 Python 中 Response 對象的 text 與 content:區(qū)別、場景與實踐指南 在 Python 進(jìn)行 HTTP 網(wǎng)絡(luò)請求開發(fā)時(如使用requests ...
2025-09-15CDA 數(shù)據(jù)分析師:激活表格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)價值的核心操盤手 表格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)(如 Excel 表格、數(shù)據(jù)庫表)是企業(yè)最基礎(chǔ)、最核心的數(shù)據(jù)形態(tài) ...
2025-09-15Python HTTP 請求工具對比:urllib.request 與 requests 的核心差異與選擇指南 在 Python 處理 HTTP 請求(如接口調(diào)用、數(shù)據(jù)爬取 ...
2025-09-12解決 pd.read_csv 讀取長浮點數(shù)據(jù)的科學(xué)計數(shù)法問題 為幫助 Python 數(shù)據(jù)從業(yè)者解決pd.read_csv讀取長浮點數(shù)據(jù)時的科學(xué)計數(shù)法問題 ...
2025-09-12CDA 數(shù)據(jù)分析師:業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析步驟的落地者與價值優(yōu)化者 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析是企業(yè)解決日常運營問題、提升執(zhí)行效率的核心手段,其價值 ...
2025-09-12用 SQL 驗證業(yè)務(wù)邏輯:從規(guī)則拆解到數(shù)據(jù)把關(guān)的實戰(zhàn)指南 在業(yè)務(wù)系統(tǒng)落地過程中,“業(yè)務(wù)邏輯” 是連接 “需求設(shè)計” 與 “用戶體驗 ...
2025-09-11塔吉特百貨孕婦營銷案例:數(shù)據(jù)驅(qū)動下的精準(zhǔn)零售革命與啟示 在零售行業(yè) “流量紅利見頂” 的當(dāng)下,精準(zhǔn)營銷成為企業(yè)突圍的核心方 ...
2025-09-11CDA 數(shù)據(jù)分析師與戰(zhàn)略 / 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析:概念辨析與協(xié)同價值 在數(shù)據(jù)驅(qū)動決策的體系中,“戰(zhàn)略數(shù)據(jù)分析”“業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析” 是企業(yè) ...
2025-09-11Excel 數(shù)據(jù)聚類分析:從操作實踐到業(yè)務(wù)價值挖掘 在數(shù)據(jù)分析場景中,聚類分析作為 “無監(jiān)督分組” 的核心工具,能從雜亂數(shù)據(jù)中挖 ...
2025-09-10統(tǒng)計模型的核心目的:從數(shù)據(jù)解讀到?jīng)Q策支撐的價值導(dǎo)向 統(tǒng)計模型作為數(shù)據(jù)分析的核心工具,并非簡單的 “公式堆砌”,而是圍繞特定 ...
2025-09-10