使用VTK与Python实现机械臂三维模型可视化

　　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：

　　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。

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”。