Пакет: робототехника
Создайте робота с древовидной структурой
RigidBodyTree является представлением возможности соединения твердых тел с соединениями. Используйте этот класс, чтобы создать модели манипулятора робота в MATLAB®. Если у вас есть заданное использование модели робота Объединенного формата описания робота (URDF), используйте importrobot, чтобы импортировать вашу модель робота.
Модель дерева твердого тела составлена из твердых тел, когда RigidBody возражает. Каждому твердому телу сопоставили объект Joint с ним, который задает, как это может переместиться относительно его вышестоящей инстанции. Используйте setFixedTransform, чтобы задать фиксированное преобразование между кадром соединения и кадром одного из смежных тел. Можно добавить, заменить или удалить твердые тела из модели с помощью методов класса RigidBodyTree.
Вычисления динамики робота также возможны. Задайте Mass, CenterOfMass и свойства Inertia для каждого RigidBody в модели робота. Можно вычислить вперед и обратная динамика с или без внешних сил и вычислить количества динамики, данные совместные движения робота, и соединить входные параметры. Чтобы использовать связанные с динамикой функции, установите свойство DataFormat на "row" или "column".
Для данной модели дерева твердого тела можно также использовать модель робота, чтобы вычислить объединенные углы для желаемых положений исполнительного элемента конца с помощью алгоритмов инверсной кинематики робототехники. Задайте свою модель дерева твердого тела при использовании InverseKinematics или GeneralizedInverseKinematics.
Метод show поддерживает визуализацию сеток тела. Сетки заданы как файлы .stl и могут быть добавлены к отдельным твердым телам с помощью addVisual. Кроме того, по умолчанию функция importrobot загружает все доступные файлы .stl, заданные в вашей модели робота URDF.
robot = robotics.RigidBodyTreeaddBody.
robot = robotics.RigidBodyTree("MaxNumBodies",N,"DataFormat",dataFormat)DataFormat как пару "имя-значение".
| addBody | Добавьте тело в робота |
| addSubtree | Добавьте поддерево в робота |
| centerOfMass | Центр массового положения и якобиана |
| копия | Скопируйте модель робота |
| externalForce | Составьте внешнюю матрицу силы относительно основы |
| forwardDynamics | Объединенные ускорения, данные объединенные крутящие моменты и состояния |
| geometricJacobian | Геометрический якобиан для настройки робота |
| getBody | Получите указатель корпуса робота по наименованию |
| getTransform | Доберитесь преобразовывают между каркасами кузова |
| gravityTorque | Объединенные крутящие моменты, которые компенсируют силу тяжести |
| homeConfiguration | Возвратитесь домой настройка робота |
| inverseDynamics | Необходимое соединение закручивает для данного движения |
| massMatrix | Большая матрица объединенного пробела |
| randomConfiguration | Сгенерируйте случайную настройку робота |
| removeBody | Удалите тело из робота |
| replaceBody | Замените тело на роботе |
| replaceJoint | Соединение замены на теле |
| show | Покажите модель робота в фигуре |
| showdetails | Покажите детали модели робота |
| поддерево | Создайте поддерево из модели робота |
| velocityProduct | Объединенные крутящие моменты та отмена вызванные скоростью силы |
Добавьте твердое тело и соответствующее соединение к дереву твердого тела. Каждый объект RigidBody содержит объект Joint и должен быть добавлен к RigidBodyTree с помощью addBody.
Создайте дерево твердого тела.
rbtree = robotics.RigidBodyTree;
Создайте твердое тело с уникальным именем.
body1 = robotics.RigidBody('b1');Создайте шарнирное соединение. По умолчанию объект RigidBody идет с фиксированным соединением. Замените соединение путем присвоения нового объекта Joint свойству body1.Joint.
jnt1 = robotics.Joint('jnt1','revolute'); body1.Joint = jnt1;
Добавьте твердое тело в дерево. Задайте имя тела, к которому вы присоединяете твердое тело. Поскольку это - первое тело, используйте базовое имя дерева.
basename = rbtree.BaseName; addBody(rbtree,body1,basename)
Используйте showdetails на дереве, чтобы подтвердить, что твердое тело и соединение были добавлены правильно.
showdetails(rbtree)
-------------------- Robot: (1 bodies) Idx Body Name Joint Name Joint Type Parent Name(Idx) Children Name(s) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 b1 jnt1 revolute base(0) --------------------
Используйте параметры Denavit-Hartenberg (DH) робота Puma560®, чтобы создать робота. Каждое твердое тело добавляется по одному, с дочерним элементом к родительскому элементу преобразовывают заданный объединенным объектом.
Параметры DH задают геометрию робота с отношением к тому, как каждое твердое тело присоединено к своему родительскому элементу. Для удобства установите параметры для робота Puma560 в матрице. Робот Пумы является последовательным цепочечным манипулятором. Параметры DH относительно предыдущей строки в матрице, соответствуя предыдущему объединенному прикреплению.
dhparams = [0 pi/2 0 0;
0.4318 0 0 0
0.0203 -pi/2 0.15005 0;
0 pi/2 0.4318 0;
0 -pi/2 0 0;
0 0 0 0];Создайте объект дерева твердого тела создать робота.
robot = robotics.RigidBodyTree;
Создайте первое твердое тело и добавьте его в робота. Добавить твердое тело:
Создайте объект RigidBody и дайте ему уникальное имя.
Создайте объект Joint и дайте ему уникальное имя.
Используйте setFixedTransform, чтобы задать преобразование от тела к телу с помощью параметров DH. Последний элемент параметров DH, theta, проигнорирован, потому что угол зависит от объединенного положения.
Вызовите addBody, чтобы присоединить первый сустав к опорной раме робота.
body1 = robotics.RigidBody('body1'); jnt1 = robotics.Joint('jnt1','revolute'); setFixedTransform(jnt1,dhparams(1,:),'dh'); body1.Joint = jnt1; addBody(robot,body1,'base')
Создайте и добавьте другие твердые тела в робота. Задайте предыдущее имя тела при вызове addBody, чтобы присоединить его. Каждое фиксированное преобразование относительно предыдущего объединенного координатного кадра.
body2 = robotics.RigidBody('body2'); jnt2 = robotics.Joint('jnt2','revolute'); body3 = robotics.RigidBody('body3'); jnt3 = robotics.Joint('jnt3','revolute'); body4 = robotics.RigidBody('body4'); jnt4 = robotics.Joint('jnt4','revolute'); body5 = robotics.RigidBody('body5'); jnt5 = robotics.Joint('jnt5','revolute'); body6 = robotics.RigidBody('body6'); jnt6 = robotics.Joint('jnt6','revolute'); setFixedTransform(jnt2,dhparams(2,:),'dh'); setFixedTransform(jnt3,dhparams(3,:),'dh'); setFixedTransform(jnt4,dhparams(4,:),'dh'); setFixedTransform(jnt5,dhparams(5,:),'dh'); setFixedTransform(jnt6,dhparams(6,:),'dh'); body2.Joint = jnt2; body3.Joint = jnt3; body4.Joint = jnt4; body5.Joint = jnt5; body6.Joint = jnt6; addBody(robot,body2,'body1') addBody(robot,body3,'body2') addBody(robot,body4,'body3') addBody(robot,body5,'body4') addBody(robot,body6,'body5')
Проверьте, что ваш робот был создан правильно при помощи функции show или showdetails. showdetails перечисляет все тела в командном окне MATLAB®. show отображает робота с данной настройкой (домой по умолчанию). Вызовы axis изменяют пределы по осям и скрывают подписи по осям.
showdetails(robot)
-------------------- Robot: (6 bodies) Idx Body Name Joint Name Joint Type Parent Name(Idx) Children Name(s) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 body1 jnt1 revolute base(0) body2(2) 2 body2 jnt2 revolute body1(1) body3(3) 3 body3 jnt3 revolute body2(2) body4(4) 4 body4 jnt4 revolute body3(3) body5(5) 5 body5 jnt5 revolute body4(4) body6(6) 6 body6 jnt6 revolute body5(5) --------------------
show(robot);
axis([-0.5,0.5,-0.5,0.5,-0.5,0.5])
axis off
Внесите изменения в существующий объект RigidBodyTree. Можно получить соединения замены, тела и поддеревья в дереве твердого тела.
Загрузите роботов в качестве примера, когда RigidBodyTree возражает.
load exampleRobots.matПосмотрите детали робота Пумы с помощью showdetails.
showdetails(puma1)
-------------------- Robot: (6 bodies) Idx Body Name Joint Name Joint Type Parent Name(Idx) Children Name(s) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 L1 jnt1 revolute base(0) L2(2) 2 L2 jnt2 revolute L1(1) L3(3) 3 L3 jnt3 revolute L2(2) L4(4) 4 L4 jnt4 revolute L3(3) L5(5) 5 L5 jnt5 revolute L4(4) L6(6) 6 L6 jnt6 revolute L5(5) --------------------
Заставьте определенное тело осматривать свойства. Единственный дочерний элемент тела L3 является телом L4. Можно скопировать определенное тело также.
body3 = getBody(puma1,'L3');
childBody = body3.Children{1}childBody =
RigidBody with properties:
Name: 'L4'
Joint: [1x1 robotics.Joint]
Mass: 1
CenterOfMass: [0 0 0]
Inertia: [1 1 1 0 0 0]
Parent: [1x1 robotics.RigidBody]
Children: {[1x1 robotics.RigidBody]}
Visuals: {}
body3Copy = copy(body3);
Замените соединение на теле L3. Необходимо создать новый объект Joint и использовать replaceJoint, чтобы гарантировать, что нисходящая геометрия тела незатронута. Вызовите setFixedTransform при необходимости, чтобы задать преобразование между телами вместо с единичными матрицами по умолчанию.
newJoint = robotics.Joint('prismatic'); replaceJoint(puma1,'L3',newJoint); showdetails(puma1)
-------------------- Robot: (6 bodies) Idx Body Name Joint Name Joint Type Parent Name(Idx) Children Name(s) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 L1 jnt1 revolute base(0) L2(2) 2 L2 jnt2 revolute L1(1) L3(3) 3 L3 prismatic fixed L2(2) L4(4) 4 L4 jnt4 revolute L3(3) L5(5) 5 L5 jnt5 revolute L4(4) L6(6) 6 L6 jnt6 revolute L5(5) --------------------
Удалите целое тело и получите получившееся поддерево с помощью removeBody. Удаленное тело включено в поддерево.
subtree = removeBody(puma1,'L4')subtree =
RigidBodyTree with properties:
NumBodies: 3
Bodies: {1x3 cell}
Base: [1x1 robotics.RigidBody]
BodyNames: {'L4' 'L5' 'L6'}
BaseName: 'L3'
Gravity: [0 0 0]
DataFormat: 'struct'
Удалите измененное тело L3. Добавьте исходное скопированное тело L3 в тело L2, сопровождаемое возвращенным поддеревом. Модель робота остается то же самое. Смотрите подробное сравнение через showdetails.
removeBody(puma1,'L3'); addBody(puma1,body3Copy,'L2') addSubtree(puma1,'L3',subtree) showdetails(puma1)
-------------------- Robot: (6 bodies) Idx Body Name Joint Name Joint Type Parent Name(Idx) Children Name(s) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 L1 jnt1 revolute base(0) L2(2) 2 L2 jnt2 revolute L1(1) L3(3) 3 L3 jnt3 revolute L2(2) L4(4) 4 L4 jnt4 revolute L3(3) L5(5) 5 L5 jnt5 revolute L4(4) L6(6) 6 L6 jnt6 revolute L5(5) --------------------
Чтобы использовать функции динамики, чтобы вычислить объединенные крутящие моменты и ускорения, задайте свойства динамики для объекта robotics.RigidBodyTree и robotics.RigidBody.
Создайте модель дерева твердого тела. Создайте два твердых тела, чтобы присоединить к нему.
robot = robotics.RigidBodyTree('DataFormat','row'); body1 = robotics.RigidBody('body1'); body2 = robotics.RigidBody('body2');
Задайте соединения, чтобы присоединить к телам. Установите фиксированное преобразование body2 к body1. Это преобразование составляет 1 м в направлении X.
joint1 = robotics.Joint('joint1','revolute'); joint2 = robotics.Joint('joint2'); setFixedTransform(joint2,trvec2tform([1 0 0])) body1.Joint = joint1; body2.Joint = joint2;
Задайте свойства динамики для этих двух тел. Добавьте тела в модель робота. В данном примере основные значения для стержня (body1) с присоединенной сферической массой (body2) даны.
body1.Mass = 2; body1.CenterOfMass = [0.5 0 0]; body1.Inertia = [0.167 0.001 0.167 0 0 0]; body2.Mass = 1; body2.CenterOfMass = [0 0 0]; body2.Inertia = 0.0001*[4 4 4 0 0 0]; addBody(robot,body1,'base'); addBody(robot,body2,'body1');
Вычислите центр массового положения целого робота. Постройте позицию по роботу. Переместите представление в xy плоскость.
comPos = centerOfMass(robot); show(robot); hold on plot(comPos(1),comPos(2),'or') view(2)
Измените массу второго тела. Заметьте изменение в центре массы.
body2.Mass = 20; replaceBody(robot,'body2',body2) comPos2 = centerOfMass(robot); plot(comPos2(1),comPos2(2),'*g') hold off
Вычислите результирующие объединенные ускорения для данной настройки робота с прикладывавшими внешними силами, и обеспечивает из-за силы тяжести. Ключ применяется к определенному телу с силой тяжести, задаваемой для целого робота.
Загрузите предопределенную модель робота LBR KUKA, которая задана как объект RigidBodyTree.
load exampleRobots.mat lbr
Установите формат данных на 'row'. Для всех вычислений динамики форматом данных должен быть или 'row' или 'column'.
lbr.DataFormat = 'row';Установите силу тяжести. По умолчанию сила тяжести принята, чтобы быть нулем.
lbr.Gravity = [0 0 -9.81];
Получите домашнюю настройку для робота lbr.
q = homeConfiguration(lbr);
Задайте вектор ключа, который представляет внешние силы, испытанные роботом. Используйте функцию externalForce, чтобы сгенерировать внешнюю матрицу силы. Задайте модель робота, исполнительный элемент конца, который испытывает ключ, вектор ключа и текущую настройку робота. wrench дан относительно каркаса кузова 'tool0', который требует, чтобы вы задали настройку робота, q.
wrench = [0 0 0.5 0 0 0.3];
fext = externalForce(lbr,'tool0',wrench,q);Вычислите результирующие объединенные ускорения из-за силы тяжести с внешней силой, к которой применяются исполнительный элемент конца 'tool0', когда lbr будет в его домашней настройке. Объединенные скорости и объединенные крутящие моменты приняты, чтобы быть нулем (вход как пустой вектор []).
qddot = forwardDynamics(lbr,q,[],[],fext);
Используйте функцию inverseDynamics, чтобы вычислить необходимые объединенные крутящие моменты, чтобы статически содержать определенную настройку робота. Можно также задать объединенные скорости, объединенные ускорения и внешние силы, использующие другие синтаксисы.
Загрузите предопределенную модель робота LBR KUKA, которая задана как объект RigidBodyTree.
load exampleRobots.mat lbr
Установите формат данных на 'row'. Для всех вычислений динамики форматом данных должен быть или 'row' или 'column'.
lbr.DataFormat = 'row';Установите свойство Gravity дать определенное гравитационное ускорение.
lbr.Gravity = [0 0 -9.81];
Сгенерируйте случайную настройку для lbr.
q = randomConfiguration(lbr);
Вычислите необходимые объединенные крутящие моменты для lbr, чтобы статически содержать ту настройку.
tau = inverseDynamics(lbr,q);
Используйте функцию externalForce, чтобы сгенерировать матрицы силы, чтобы примениться к модели дерева твердого тела. Матрица силы является m-6 вектором, который ссорится для каждого соединения на роботе, чтобы применить ключ с шестью элементами. Используйте externalForce, функционируют и задают исполнительный элемент конца, чтобы правильно присвоить ключ правильной строке матрицы. Можно добавить, что несколько спрессовывают матрицы, чтобы прикладывать несколько сил к одному роботу.
Чтобы вычислить объединенные крутящие моменты, которые противостоят этим внешним силам, используйте функцию inverseDynamics.
Загрузите предопределенную модель робота LBR KUKA, которая задана как объект RigidBodyTree.
load exampleRobots.mat lbr
Установите формат данных на 'row'. Для всех вычислений динамики форматом данных должен быть или 'row' или 'column'.
lbr.DataFormat = 'row';Установите свойство Gravity дать определенное гравитационное ускорение.
lbr.Gravity = [0 0 -9.81];
Получите домашнюю настройку для lbr.
q = homeConfiguration(lbr);
Установите внешнюю силу на link1. Входной вектор ключа выражается в опорной раме.
fext1 = externalForce(lbr,'link_1',[0 0 0.0 0.1 0 0]);Установите внешнюю силу на исполнительном элементе конца, tool0. Входной вектор ключа выражается в кадре tool0.
fext2 = externalForce(lbr,'tool0',[0 0 0.0 0.1 0 0],q);Вычислите объединенные крутящие моменты, требуемые сбалансировать внешние силы. Чтобы объединить силы, добавьте матрицы силы вместе. Объединенные скорости и ускорения приняты, чтобы быть нулем (вход как []).
tau = inverseDynamics(lbr,q,[],[],fext1+fext2);
Можно импортировать роботов, которым сопоставили файлы .stl с файлом Объединенного формата описания робота (URDF), чтобы описать визуальные конфигурации робота. Каждое твердое тело имеет отдельную визуальную заданную геометрию. Функция importrobot анализирует файл URDF, чтобы получить робота образцовые и визуальные конфигурации. Используйте функцию show, чтобы визуализировать модель робота в фигуре. Можно затем взаимодействовать с моделью путем нажатия на компоненты, чтобы осмотреть их и щелчка правой кнопкой, чтобы переключить видимость.
Импортируйте модель робота как файл URDF. Расположение файлов .stl должно быть правильно задано в этом URDF. Чтобы добавить другие файлы .stl в отдельные твердые тела, смотрите addVisual.
robot = importrobot('iiwa14.urdf');Визуализируйте робота со связанной визуальной моделью. Кликните по телам или кадрам, чтобы осмотреть их. Щелкните правой кнопкой по телам, чтобы переключить видимость для каждой визуальной геометрии.
show(robot);
[1] Крэйг, Джон Дж. Введение в робототехнику: механика и управление. Чтение, MA: Аддисон-Уэсли, 1989.
[2] Siciliano, Бруно, Лоренсо Ссиавикко, Луиджи Виллани и Джузеппе Ориоло. Робототехника: моделирование, планируя и управляет. Лондон: Спрингер, 2009.
importrobot | robotics.GeneralizedInverseKinematics | robotics.InverseKinematics | robotics.Joint | robotics.RigidBody