Z E S Z Y T Y N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: A U T O M A T Y K A z. 119
_______ 1996 N r kol. 1339
W itold S1LE1KIS, A ndrzej FO RTU N A P olitechnika Śląska
A N IM A C J A P R A C Y R O B O T A
Streszczenie. W referacie przedstawiono bieżący stan prac nad wykorzystaniem program u 3D Studio do tworzenia animacji wspomagających nauczanie przedmiotów:
„Zapis i podstawy konstrukcji” oraz .Podstawy robotyki” . Scharakteryzowano krótko najważniejsze moduły pakietu programowego oraz zaprezentowano przykład animacji symulujących pracę robota w gnieździe montażowym.
A N IM A T IO N O F R O B O T ’S A C T IO N
S u m m a ry . In the paper the current state o f w orks how to use 3D Studio program fo r creating anim ations which supports teaching o f construction and robotics is presented. T h e description o f the m ost im portant 3D Studio m odules are given and an exam ple o f anim ation, which simulates robot is presented.
1. W p ro w a d z e n ie
N iniejszy referat prezentuje wyniki prac nad wykorzystaniem program u 3D Studio [2]
do w spom agania zajęć dydaktycznych z „Zapisu i podstaw konstrukcji” o raz „P odstaw robotyki” . Jest to w chwili obecnej jeden z najlepszych program ów dla kom puterów klasy IB M PC , służących do tw orzenia realistycznej, trójwymiarowej grafiki ( najczęściej stosow any w studiach filmowych i telewizyjnych ). Pakiet ten jest narzędziem pozw alającym na łatw e m odelow anie konstrukcji przestrzennych, ich modyfikację oraz analizę zaprojektow anej konstrukcji z a p o m o c ą w łasnych narzędzi, lub aplikacji bezpośrednio w spółpracujących z pakietem . O trzym ane m odele przestrzenne konstrukcji urządzeń (roboty, gniazda technologiczne itp.) m ogą być podstaw ą do symulacji pracy, testow ania w łasności funkcjonalnych i technologicznych prototypu, usprawnienia tw orzenia dokum entacji technicznej oraz prezentacji dla inwestora. Scenę i m odele przestrzenne ro b o tó w projektow ano w program ie 3D Studio, a trajektorie ruchu tw orzono za pom ocą program ów 3D Studio i A uto CAD . Prezentow any przykład aplikacji jest jedynie ilustracją potencjalnych m ożliw ości, jak ie daje program .
2. O p is o g ó ln y p ro g r a m u 3D S tu d io
3D Studio firm y A utodesk [1,2] je s t zbiorem ściśle ze s o b ą pow iązanych m odułów program ow ych służących, do tw orzenia trójw ym iarowej grafiki i anim acji. S ą to:
2D S h a p e r, program do tw orzenia dw uw ym iarow ych krzyw ych będących przekrojam i póź
niej tw orzonych elem entów oraz ścieżek, po jakich poruszają się obiekty sceny, kam ery i św iatła. D ostępne s ą różnego rodzaju krzywe; dodatkow o m ożna definiow ać sw oje w łasne oraz im portow ać gotow e, z program ów generujących pliki D XF (np.A uto CAD).
3D L o ftc r, służący do przetw orzenia dw uw ym iarow ych obiektów, tw orzonych w program ie 2D Shaper, w obiekty trójw ym iarow e, oraz ich deform acji. W program ie tym tw orzone są skom plikow ane obiekty niem ożliw e do utw orzenia w program ie 3D Editor.
3D E d ito r , je s t to program do tw orzenia trójw ym iarow ych obiektów , edycji rzutów i ich o b róbki. Po uruchom ieniu pakietu 3D Studio zgłasza się on jak o pierw szy. P ozw ala zbudow ać scenę zaw ierającą trójw ym iarow e obiekty, św iatła i kam ery. Scenę m ożna tw orzyć z zaw ar
tych w program ie obiektów pierw otnych (kula, torus, w alec, stożek, płaszczyzna itp.) oraz zbudow anych w program ie 3D Lofer. N a w szystkich obiektach sceny dostępne s ą operacje m odyfikacji param etrów . T w orzenie i m odyfikacja obiektów m oże być w ykonyw ana p o p rzez zew nętrzne m oduły (IPAS): proceduralne (PX P) w idoczne na nieruchom ym obrazie o raz a- nim acyjne (A X P) w idoczne przy ruchom ym obrazie. W tym program ie ustala się, z ja k ic h m ateriałów zbudow ane b ęd ą tw orzone obiekty oraz generuje stacjonarny o braz sceny (rendering) w idziany z dow olnych punktów .
K e y fra m c r, je s t m odułem , który pozw ala na tw orzenie anim acji obiektów , św iateł i kam er ze sceny ustalonej w program ie 3D Editor. Obiekty sceny m o g ą się poruszać, zm ieniać sw o ją w ielkość i kształt. W K eyfram erze do dyspozycji użytkow nika je s t biblioteka zew nętrznych m odułów (iCXP, 1XP), dzięki którym m ożna stw orzyć różne specjalne efekty. W program ie m ożna rów nież anim ow ać natężenie i kolor św iatła oraz param etry obiektyw u i ru ch kam er.
U żytkow nik definiuje kilka klatek odniesienia (klatki kluczow e), a program sam o b licza płyn
ne przejścia m iędzy nim i.
M a te r ia ls E d ito r , tw orzy i edytuje m ateriały, jak im i pokryw ane s ą pow ierzchnie trójw ym ia
row ych obiektów sceny. W program ie dostarczona je st bogata biblioteka m ateriałów , k tó rą dodatkow o m ożna obrabiać w E dytorze M ateriałów . D zięki tem u m odułow i m ożna zm ieniać tak ie cechy m ateriałów , ja k ; kolor, jasność, przcźroczystość, stosow ać m apow anie (rzutow anie plików graficznych na pow ierzchnie), tw orzyć m ateriały w ypukłe (m oduł SX P) i d efiniow ać ro d zaje cieniow ania.
A nim acja pracy robota 221
3. S cen a-3 D E d ito r
W id o k ekranu d la program ów 3D Editor, 2D Shaper, 3D Lofter i K eyfram er je s t taki sam [1,2]. Program y te różnią się tylko zaw artością poszczególnych partii, ekranu, ja k np.
k olum na kom end czy rodzaj okien. Program 3D E ditor tw orzy przestrzeń, w której m ożna definiow ać, aranżow ać i generow ać trójw ym iarow e sceny. Przestrzeń robocza je s t podzielona na cztery rów ne okna. W celu zm iany konfiguracji okna m ożna użyć kom endy V iew ports.
Podczas m anipulow ania obiektam i w program ie 3D E ditor używ a się dw óch układów w spół
rzędnych: globalnego, um iejscow ionego w środku przestrzeni 3D w punkcie o w spółrzędnych 0,0,0 (jest to środek aktyw nego okna) oraz lokalnego, um iejscow ionego w środku w ybranego obiektu graficznego lub zbioru obiektów.
4. A n im a c ja -K e y fra m e r
P ro g ram K eyfram er je s t najw ażniejszym m odułem pakietu 3D Studio firm y
„A utodesk” , w którym je s t uzyskiw any efekt złudzenia ruchu (anim acji) [6]. Program pozw ala tw orzyć sym ulację ruchu obiektów , św iateł i kam er, ze scen w ykreow anych w m odule 3D Editor. M o żn a w nim rów nież tw orzyć i kasow ać światła. A nim acja w ykorzystuje p e w n ą niedoskonałość ludzkiego o k a Jeżeli zostanie nam przedstaw iona seria nieruchom ych, połą
czonych logicznie obrazów , w tedy m ózg zarejestruje to jako ciągły obraz. K ażdy z takich ob
razów prezentow anych dynam icznie nazyw a się klatką (Frame). M inim alna prędkość, z j a k ą m u s z ą zm ien iać się oglądane rysunki, aby były identyfikow ane jak o ruch, w ynosi w przybli
żeniu 10 klatek n a sekundę. Im je s t ona w iększa, tym ruch staje się bardziej płynny. W fil
m ach k inow ych w yśw ietlane są 24 klatki na sekundę. K eyfram er tw orzy klatki, które m o g ą b y ć w yśw ietlane z d o w o ln ą p ręd k o ścią tak w ięc m ożna zsynchronizow ać j e z urządzeniem , na którym b ę d ą „w yśw ietlane” . N ajw iększą trudnością w klasycznym tw orzeniu anim acji je st pracochłonność teg o procesu. W zależności od spodziewanej jakości film u trzeba stw orzyć 720-1800 klatek/m in. KeyframeT zastępuje tę żm udną pracę. W program ie K eyfram er tw orzy się tylko najistotniejsze klatki kluczow e (keyfram es), a płynne przejście m iędzy nim i je s t ob
liczane autom atycznie podczas generow ania anim acji. K orzystając z lego m odułu je s t się rów nież zw olnionym 7. kontrolow ania zm ian koloru pow ierzchni w zależności od ośw ietlenia;
funkcję tę K eyfram er realizuje autom atycznie.
5. A n im a c ja p ra c y ro b o ta
P rzy k ład o w ą anim ację sym ulującą kinem atykę robota zrealizow ano [5] na podstaw ie m an ip u latora stanfordzkiego reprezentującego pew ien typ zadań rozw iązyw anych na zajęciach dy
daktycznych z „P odstaw robotyki”. M anipulator stanfordzki [4] zbudow any je s t m odułow o;
R y s .l. Schem at kinem atyczny m anipulatora stanfordzkiego Fig. 1. K inem atic schem e o f Stanford’s m anipulator
tw o rzą go p ołączone ze sobą m echaniczne m oduły realizujące przesunięcia liniow e i obroty oraz operacje chw ytaka. L iczba stopni swobody m anipulatora zależy od liczby m odułów tw o rzących m anipulator. Z asięg chw ytaka m anipulatora ograniczony je s t m aksym alnym i p rzesu nięciam i i kątam i obrotu poszczególnych członów i kiści oraz schem atem kinem atycznym m anipulatora. C zynniki te określają przestrzenie: roboczą i rozszerzoną. W przykładzie (r y s .l) robot posiada pięć par kinem atycznych, co w prow adza pięć stopni sw obody w strukturze O O PO O (obrót, obrót, przesunięcie, obrót, obrót). O znaczm y w spółrzędne naturalne m anipu
latora jak o obroty: 0 1 , ©2, ©4 i ©5 oraz przesunięcie >o. Przyjm ijm y następnie, ż.e zm ien iają się one w czasie,w edług założonych w ykresów czasow ych [3]. Przebiegi czasow e sy m u lu ją operację podniesienia obiektu znajdującego się na lewo poniżej chw ytaka, prostopadle do w ysuw anego ram ienia, i przeniesienia go do początkow ego położenia m a n ip u la to ra O czyw i
ście m ożliw e je s t rozbudow anie tego schem atu o dodatkow e przekształcenia, idea pozostaje
A nim acja pracy robota 223
jed n ak taka sam a, zm ienia się tylko liczba operacji. W ykorzystując m oduły 2D Shaper, 3D L ofer, 3D E ditor program u 3D Studio zbudow ano siatkow y model m anipulatora (rys.2), k tó rego szkielet pokryto w m odule M aterials Editor dw om a typam i m ateriałów (O range Plastic, C hrom e). Scenę ośw ietlono z je d n a k o w ą intensyw nością w każdym punkcie przestrzeni (L ights/A m bient) i ustaw iono kamerę. K olejno przechodząc do m odułu K eyfram cra (kom enda H ierarchy/ Link) ustalono drzewo pow iązań elem entów m anipulatora oraz prze
prow adzono operację ustaw ienia w ym uszeń (okna dialogowe Track Info, K ey Info). P o w y
braniu kom endy R ender i ustaw ieniu trybu i param etrów cieniow ania w ygenerow ano anim a
cje (rys.3).
Rys. 2. M odel m anipulatora stanfordzkiego Fig. 2. M odel o f Stanford’s m anipulator
| V AAPlay • R o b3 |S »o p . Fire I I
|V AA Play • nob31S>op. Fim 6 |
| V AAPIwy • n o b 3 (S » o p . Firn 1 5 j
£¿0 Qp6ont < Stop > » Uelp
£io Qpiiorvt ■ < Stop >“ >> H«*>
Rys.3. K latki anim acji (1, 6 ,1 5 ) Fig.3. A nim ation frames (1, 6, 15)
A nim acja pracy ro b o ta______________________________________________________________ 225
Rys.3. Klatki anim acji (21) Fig.3. A nim ation fram es (21)
6. Z a k o ń c z e n ie
C elem dalej prow adzonych prac je s t sym ulacja rzeczyw istego robota w realnym gnieździć m ontażow ym przy zastosow aniu różnych m etod opisu ruchu. Ruch będzie tw orzo
ny interakcyjnie przez anim atora bądź generow any autom atycznie ja k o w ynik sym ulacji m o
d elu m atem atycznego. T akie podejście do projektow ania gniazda m ontażow ego pozw oli sy m ulow ać oraz testow ać pracę prototypu nieporów nyw alnie szybciej niż w przypadku stoso
w ania trad y cy jn y ch m etod. U zyskany w ten sposób m odel będzie łatw y do oceny p rzez spe
cjalistó w z różnych dziedzin, przed w drożeniem do produkcji, przez co m oże się skrócić czas potrzebny na opracow anie dokum entacji technicznej. Program 3D S je s t skom plikow any w obsłudze i w ym aga dobrej znajom ości m etod oraz narzędzi grafiki kom puterow ej. D o osią
gnięcia dobrych w yników potrzebny je s t czas. W zastosow aniach profesjonalnych niezbędny je s t szybki kom p u ter od 486D X w górę z I6M B R AM pam ięci ( lub w ięcej), dobra karta gra
ficzna pozw alająca na pracę w trybie True Color, napęd C D -RO M oraz m agnetow id.
LIT E R A T U R A
1. A utodesk 3D Studio A dvanced U sers G uide.Release 3.0, A utodesk Ltd. G uilford 1993.
2. A utodesk 3D Studio Tutorial Guide. Release 3.0, Autodesk Ltd. G uilford 1993.
3. D ziw ok W .: O pracow ać pakiet program ow y zintegrow any z system am i A u to C A D i 3D Studio w spom agający sym ulację robota przem ysłow ego. Praca dyplom ow a, Instytut A uto
m atyki P olitechniki Śląskiej, G liw ice 1995.
4. M orecki A. , K napczyk J.: Podstaw y robotyki. T eoria i elementy m anipulatorów robotów . WNT, W arszaw a 1993.
5. Sileikis W .: Pakiet program ow y zintegrow any z systemami A utoC A D i 3D Studio w spom agający sym ulację robota przem ysłow ego. Praca B W -I/ R a u l/ 94, tem at 17, Instytut A utom atyki Politechniki Śląskiej, Gliwice 1994.
6. Z abrodzki J.: G rafika kom puterow a. M etody i narzędzia. W NT, W arszaw a 1994,
Recenzent: D r hab. inż. Jerzy Św ider, prof. Pol.Śl.
W płynęło do Redakcji do 30.06.1996 r.
A b s tr a c t
In the p aper th e current state o f w orks how to use 3D Studio program fo r creating anim ation, w hich supports teaching o f construction and robotics, is presented.
O ne o f th e best program s fo r IB M PC computers, which is used for creating realistic, three- dim ensional anim ation, is presented. 3D Studio program allows to m odel scene, w hich contains objects, lights and cameras. It is possible to create a scene from prim itives (sphere, cone, cylinder, tube, torus, piramid etc.) included in the program or using applications, w hich coo p erate w ith this program . E ach object o f the scene can be m odified (m oving, rotation, scaling etc.). C reation and modification o f objects can be done using external IP A S modules.
Program K eyfram er, o n e o f the m ost im portant modules o f 3D Studio program allow s to create sim ulation o f m otion o f objects and simulation o f lights and cam eras from previously generated scenes through preparing the most essential keyframes. T he description o f objects’
m otion w as done in interactive w ay o r using A utoCAD program. An exam ple o f a ro b o t sim ulation is presented. T he show n example is only an illustration o f the possibilities o f this program . F o r getting good results a 486D X com puter o r upper, 16MB R A M (o r m ore), a go o d graphics card (w hich allows to w ork in True C olor mode), a speed C D -R O M driver and a V T R should be used.
