使用three.js实现机器人手臂的运动效果

　　Three.js 是一款运行在浏览器中的 3D 引擎，你可以用它创建各种三维场景，包括了摄影机、光影、材质等各种对象。你可以在它的主页上看到许多精彩的演示。不过，这款引擎目前还处在比较不成熟的开发阶段，其不够丰富的 API 以及匮乏的文档增加了初学者的学习难度（尤其是文档的匮乏）three.js的代码托管在github上面。——百度百科

　　Three.js封装了OpenGl ES 2.0 的API，使得我们更容易在浏览器上开发各种图形效果。比起使用winform，MFC等形式，这个代码库可以让我们避开一些winform和MFC的细节问题，而专注于图形的绘制。不过由于这个库也并没有封装到非常完美，所以有些部分还需要我们自己来实现。

　　在此贴上Three.js中文文档的连接地址Three.js 中文文档 | 参考手册 | 使用指南 | 动画特效实例 | 踏得网

　　虽然这个链接上的文档有一些错误，还有许多坑，很多东西都没有说明清楚，不过，也是可以参考的。

　　如果要直接看效果，可以直接下载文章末尾的源代码，附带了操作方式。还需要使用电脑浏览器打开代码，因为没有对移动端做适配，所以移动端效果不好。

　　接下来，让我们实现一个机器人的手臂运动效果。效果如下图

　　

　　很丑对不对，但这只是一个教程，所以美化可以自己来做，过多的美化工作反而会增加学习的复杂程度。

　　我们制作这个机器人，需要解决的一些问题是：

　　　　1.如何让我们的图形沿着任意轴转动；

　　　　2.如何使用键盘控制其转动；

　　这两个问题解决了，那么我们的机器人也就非常容易绘制了。接下来，就开始详解代码以及思路了。

　　首先，我们需要生成一个canvas，因为在html5中，所有的绘图工作都是在canvas中进行。我们可以写一个canvas标签，也可以让Three.js帮我们生成一个。这里我们让Three.js帮我们生成：

　　

var scene = new THREE.Scene();
var camera = new THREE.PerspectiveCamera(75, window.innerWidth / window.innerHeight, 1, 1000);
camera.position.z = 5;
camera.position.y = 1;
camera.position.x = 1.5;
camera.lookAt(new THREE.Vector3(0, 0, 0));
scene.add(camera);
var renderer = new THREE.WebGLRenderer();
renderer.setSize(window.innerWidth, window.innerHeight);
document.body.appendChild(renderer.domElement);

　　为什么相机要进行位置的调整呢？这是因为，如果我们不调整位置，那么我们的视角是正对着物体的，物体的3D效果会因为视角问题而显得不那么明显。

　　接下来，我们要绘制机器人的头，腿，身体。需要注意的是，如果我们为我们生成的图形选择了不合适的材质，会导致3D效果观察不明显。关于材质的选择，已经超出了要讲述的范围，所以为了演示简单，我们只使用基本材质。代码如下：

　　

//机器人身体
var geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1, 8, 8, 8);
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0x00ff00,
                    wireframe: true //这里是为了让其变成网格状态，从而使其更容易观察，默认为false
                });
var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
cube.position.y = -1;
//机器人头部
var head = new THREE.SphereGeometry(0.5, 32, 32);
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0x0909FD,
                    wireframe: true
                });
var sp = new THREE.Mesh(head, material);
//机器人双腿
var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 1, 0.1);
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0xFF2E67,
                    wireframe: true
                });
var left_leg = new THREE.Mesh(geometry, material);
var right_leg = new THREE.Mesh(geometry, material);
left_leg.position.x = -0.3;
left_leg.position.y = -2;
right_leg.position.x = 0.3;
right_leg.position.y = -2;

　　我们的机器人就画成了这样：

　　

　　接下来，就到了最关键的地方：机器人手臂的转动。很多刚学习的同学都发现，我们的图形的旋转轴是在图形的正中心。什么意思呢？看这个图：

　　

　　我在图中已经标识了我们生成物体的坐标轴，可以看出，坐标轴实际上是在位置的重心。我们通过函数或者设置属性的方法，只能绕着这三个轴转。有同学问，可不可以通过先移位，再旋转，再移回原位置的方式来解决这个问题呢？我们的计算机图形学课本上是这么教的，在winfoem和MFC上也是可以做到的，但由于three.js生成的物体的坐标轴的特殊性，我们无法通过这种形式来解决（亲测）。有兴趣的同学可以自己试一试。

　　那么，我们该怎么办呢？我们查找手册，发现three.js中有一个类，Object3D()。这个类生成一个3D的模型，也可以说是容器。那么，我们可不可以通过生成一个容器，然后再将我们需要的图形放入这个容器，再调整容器和图形的位置来实现图形绕任意轴旋转呢？很显然，是可以的，如果你能想到，说明你的智商还是值得称道的。不过想不到也没有任何问题，因为我们需要承认自己的平庸，才能激励自己努力学习。接下来，我们来探讨，如何进行旋转操作。

　　首先，我们先生成一个容器对象，并且加入坐标轴显示，看看我们生成的容器是什么样的

var upbox = new THREE.Object3D();
scene.add(upbox);
upbox.add(new THREE.AxisHelper(3));

　　效果如下：

　　

　　可以看出，虽然我们无法看到这个容器，但这个容器还是有其对应的坐标位置。我们可以通过设置其position属性来移动它的位置，或者旋转它。接下来，我们把我们生成的立方体放入这个容器，同时也显示我们立方体的坐标轴。代码如下：

　　

var geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 1, 1, 8, 8, 8);
var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0x00ff00,
                    wireframe: true //这里是为了让其变成网格状态，从而使其更容易观察，默认为false
                });
var cube = new THREE.Mesh(geometry, material);
cube.add(new THREE.AxisHelper(3));
            
var upbox = new THREE.Object3D();
scene.add(upbox);
upbox.add(new THREE.AxisHelper(3));

var render = function() {
            requestAnimationFrame(render);
            upbox.add(cube); //将立方体放入容器
            renderer.render(scene, camera);
}

　　效果如图：

　　

　　可以看到，新加入的这个立方体的坐标轴和这个容器的坐标轴重叠了。而此时，关键的来了，此时我们的立方体的位移已经不是相对于世界坐标了，而是相对于其父容器的坐标。也就是说，我们的立方体现在已经不是相对于世界坐标系的原点来移动了，而是相对于容器的坐标原点。由于截图来表示世界坐标系不是很直观，所以大家可以试着移动一下容器的位置，移动容器的位置，立方体的位置也会跟着容器的变化而变化。

　　接下来，我们来移动立方体的位置：

cube.position.x = 1;
cube.position.y = -1;

　　效果如下：

　　

　　可以看出，我们的立方体已经移动了，而且是相对于容器的原点来移动的。那么，我们来试一下旋转我们的容器：

　　

upbox.rotation.z = 1;

　　效果如下：

　　

　　我们的立方体就跟着容器转了起来。

　　那么，我么就可以得到一个结论：我们可以将我们的容器的坐标轴当作我们需要移动的坐标轴，然后把我们的图形移动到适当的的位置，我们需要让立方体按x=1旋转，就把容器移动到x=1的位置；我们需要让立方体按y=1转，就把我们的容器移动到y=1的位置来旋转。不过这样也有一个问题，那就是我们的立方体的坐标已经不是相对于世界坐标了，这里需要注意。之前说道，只要把立方体移到适当的位置就可以了，那么这个适当的位置是哪里呢？文字描述非常复杂，我们用代码和效果来说明：

　　

cube.add(new THREE.AxisHelper(1));
cube.position.x = 0.5;
cube.position.y = 0.5;
cube.position.z = -0.5;

　　效果图：

　　

　　这个位置就可以说成是适当的位置，我们直接设置好容器的坐标，再让容器旋转，就达到了我们绕任意轴旋转的功能。当然，按照个人的需求，这个适当位置是可以调整的。

　　如果我们需要实现复杂的控制，那么我们就可以采用容器里套容器的方法。这个和动画中的骨骼非常像，不过也不一样。接下来，我们就可以继续接着之前的那个机器人来绘制我们的机器人手臂了。

　　

                      //机器人上臂
            var upbox = new THREE.Object3D();
            upbox.position.x = 0.5;
            upbox.position.y = -1.0;
            scene.add(upbox);
            upbox.add(new THREE.AxisHelper(2));
            var geometry = new THREE.BoxGeometry(1, 0.1, 0.1);
            var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0xFF2E67,
                    wireframe: true
                }

            );
            var ge = new THREE.Mesh(geometry, material);
            ge.position.x = 0.5;
            ge.position.y = 0;
            //机器人下臂
            var box = new THREE.Object3D();
            box.position.x = 1.0;
            box.position.y = 0.0;
            scene.add(box);
            //box.add(new THREE.AxisHelper(2));
            var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 1, 0.1);
            var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0xFF2E67,
                    wireframe: true
                }

            );
            var ge_next = new THREE.Mesh(geometry, material);
            ge_next.position.y = 0.5;
            box.add(ge_next);
            //机器人手掌
            var handbox = new THREE.Object3D();
            handbox.position.x = 0;
            handbox.position.y = 0.0;
            scene.add(handbox);
            //handbox.add(new THREE.AxisHelper(2));
            var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.5, 0.5, 0.5, 4, 4, 4);
            var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0xFF2E67,
                    wireframe: true
                }

            );
            var hand = new THREE.Mesh(geometry, material);
            hand.position.y = 1.2;
            //机器人中指
            var zhongzhibox = new THREE.Object3D();
            zhongzhibox.position.x = 0;
            zhongzhibox.position.y = 1.5;
            scene.add(zhongzhibox);
            //zhongzhibox.add(new THREE.AxisHelper(2));
            var geometry = new THREE.BoxGeometry(0.1, 0.5, 0.1);
            var material = new THREE.MeshBasicMaterial({
                    color: 0xFF2E67,
                    wireframe: true
                }

            );
            var zhongzhi = new THREE.Mesh(geometry, material);
            zhongzhi.position.y = 0.2;
            scene.add(cube);
            scene.add(sp);
            scene.add(ge);
            scene.add(ge_next);
            scene.add(hand);
            scene.add(zhongzhi);
            scene.add(left_leg);
            scene.add(right_leg);        

　　其中，也有容器中嵌套容器的操作。

　　那么，就该解决第二个问题了。我们如何通过键盘控制我们的机器人手臂呢？

　　很简单，使用事件绑定。我们可以给onkeydown这个事件绑定操作，来实现控制机器人的手臂。类似于：

　　

                     onkeydown = function(event) {
                if(angle > 0 || angle <= -1.5) {
                    angle = 0;
                    return false;
                }
                 else if(event.keyCode == 38) {
                    angle -= 0.2;
                }
            }

　　为什么有一个angle呢？因为我们需要判断我们的机器人的手臂运动的角度，毕竟是手臂，转动的角度需要有一个限制对吧？但是呢，由于比较复杂（其实是懒），所以我只实现了两个部位的限制。

　　实现了上述的代码，我们应该就可以画出一个可以控制的机器人了。

　　下面是源代码：

　　机器人手臂源代码