constraintPositionTarget

Создайте ограничения на относительное положение тела

Описание

The constraintPositionTarget объект описывает ограничение, которое требует, чтобы положение одного тела (конечного эффектора) совпадало с целевым положением в пределах допуска расстояния в любом направлении. Целевое положение задается относительно каркаса кузова тела ссылки.

Объекты ограничений используются в generalizedInverseKinematics объекты для задания нескольких кинематических ограничений на робота.

Пример, в котором используется несколько объектов ограничений, см. в разделе «Планирование достижения траектории с несколькими кинематическими ограничениями».

Создание

Описание

пример

positionConst = constraintPositionTarget(endeffector) возвращает целевой объект положения, который представляет ограничение на тело модели робота, заданное как endeffector.

positionConst = constraintPositionTarget(endeffector,Name,Value) возвращает целевой объект положения с каждым заданным именем свойства, установленным в заданное значение одним или несколькими Name,Value аргументы в виде пар.

Входные параметры

расширить все

Имя End-effector, заданное как строковый скаляр или вектор символов. При использовании этого ограничения с generalizedInverseKinematics, имя должно совпадать с телом, заданным в модели робота (rigidBodyTree).

Пример: "left_palm"

Типы данных: char | string

Свойства

расширить все

Имя конечного эффектора, заданное как строковый скаляр или вектор символов. При использовании этого ограничения с generalizedInverseKinematics, имя должно совпадать с телом, заданным в модели робота (rigidBodyTree).

Пример: "left_palm"

Типы данных: char | string

Имя ссылки каркаса кузова, заданное как вектор символов. Значение по умолчанию '' указывает, что ограничение относится к основе модели робота. При использовании этого ограничения с generalizedInverseKinematics, имя должно совпадать с телом, заданным в модели робота (rigidBodyTree).

Пример:

Положение цели относительно тела ссылки, заданное как [x y z] вектор. Целевое положение является точкой, заданной в ссылку каркаса кузова.

Пример:

Максимально допустимое расстояние от цели в метрах, задается как числовой скаляр. Это значение является верхней границей расстояния между источником эффектора конца и целевым положением.

Пример:

Вес ограничения, заданный как числовой скаляр. Этот вес используется с Weights свойство всех ограничений, указанных в generalizedInverseKinematics чтобы правильно сбалансировать каждое ограничение.

Пример:

Примеры

свернуть все

Этот пример показывает, как использовать обобщенную обратную кинематику для планирования траектории пространства соединений для роботизированного манипулятора. Он объединяет несколько ограничений, чтобы создать траекторию, которая направляет захват к чашке, опирающейся на таблицу. Эти ограничения гарантируют, что захват приближается к стакану по прямой линии и что захват остается на безопасном расстоянии от таблицы, не требуя, чтобы положения захвата определялись заранее.

Настройте модель робота

Этот пример использует модель KUKA LBR iiwa, робота с 7 степенями свободы. importrobot генерирует rigidBodyTree модель из описания, хранящегося в файле Unified Robot Description Format (URDF).

lbr = importrobot('iiwa14.urdf'); % 14 kg payload version
lbr.DataFormat = 'row';
gripper = 'iiwa_link_ee_kuka';

Задайте размерности для чашки.

cupHeight = 0.2;
cupRadius = 0.05;
cupPosition = [-0.5, 0.5, cupHeight/2];

Добавьте фиксированное тело к модели робота, представляющей центр чашки.

body = rigidBody('cupFrame');
setFixedTransform(body.Joint, trvec2tform(cupPosition))
addBody(lbr, body, lbr.BaseName);

Определите задачу планирования

Цель этого примера состоит в том, чтобы сгенерировать последовательность строений робота, которая удовлетворяет следующим критериям:

  • Начните в домашнем строении

  • Никаких резких изменений в строении робота

  • Держите захват на высоте не менее 5 см над «таблицей» (z = 0)

  • Захват должен быть выровнен с чашкой по мере ее приближения

  • Конец захватом 5 см от центра чашки

Этот пример использует объекты ограничений, чтобы сгенерировать строения робота, которые удовлетворяют этим критериям. Сгенерированная траектория состоит из пяти конфигурационных точек пути. Первая путевая точка, q0, устанавливается как домашнее строение. Предварительно выделите остальную часть строений в qWaypoints использование repmat.

numWaypoints = 5;
q0 = homeConfiguration(lbr);
qWaypoints = repmat(q0, numWaypoints, 1);

Создайте generalizedInverseKinematics решатель, который принимает следующие входы ограничений:

  • Декартовы границы - ограничивает высоту захвата

  • Цель положения - определяет положение чашки относительно захвата.

  • Ограничение прицеливания - выравнивает захват с осью чаши

  • Цель ориентации - поддерживает фиксированную ориентацию для захвата при приближении к чаше

  • Ограничения положения соединений - ограничивает изменение положения соединений между путевыми точками.

gik = generalizedInverseKinematics('RigidBodyTree', lbr, ...
    'ConstraintInputs', {'cartesian','position','aiming','orientation','joint'})
gik = 
  generalizedInverseKinematics with properties:

      NumConstraints: 5
    ConstraintInputs: {1x5 cell}
       RigidBodyTree: [1x1 rigidBodyTree]
     SolverAlgorithm: 'BFGSGradientProjection'
    SolverParameters: [1x1 struct]

Создание объектов ограничений

Создайте объекты ограничения, которые передаются в качестве входов решателю. Этот объект содержит параметры, необходимые для каждого ограничения. Измените эти параметры между вызовами решателя по мере необходимости.

Создайте ограничение Декартовых границ, которое требует, чтобы захват был по крайней мере на 5 см выше таблицы (отрицательное направление z). Все другие значения заданы как inf или -inf.

heightAboveTable = constraintCartesianBounds(gripper);
heightAboveTable.Bounds = [-inf, inf; ...
                           -inf, inf; ...
                           0.05, inf]
heightAboveTable = 
  constraintCartesianBounds with properties:

        EndEffector: 'iiwa_link_ee_kuka'
      ReferenceBody: ''
    TargetTransform: [4x4 double]
             Bounds: [3x2 double]
            Weights: [1 1 1]

Создайте ограничение на положение стакана относительно захвата с допуском 5 мм.

distanceFromCup = constraintPositionTarget('cupFrame');
distanceFromCup.ReferenceBody = gripper;
distanceFromCup.PositionTolerance = 0.005
distanceFromCup = 
  constraintPositionTarget with properties:

          EndEffector: 'cupFrame'
        ReferenceBody: 'iiwa_link_ee_kuka'
       TargetPosition: [0 0 0]
    PositionTolerance: 0.0050
              Weights: 1

Создайте ограничение прицеливания, которое требует оси Z iiwa_link_ee система координат должен быть приблизительно вертикальным, путем размещения цели далеко над роботом. The iiwa_link_ee система координат ориентирована так, что это ограничение выравнивает захват по оси чашки.

alignWithCup = constraintAiming('iiwa_link_ee');
alignWithCup.TargetPoint = [0, 0, 100]
alignWithCup = 
  constraintAiming with properties:

         EndEffector: 'iiwa_link_ee'
       ReferenceBody: ''
         TargetPoint: [0 0 100]
    AngularTolerance: 0
             Weights: 1

Создайте ограничение положения соединений. Установите Bounds свойство этого ограничения, основанное на предыдущем строении, чтобы ограничить изменение положений соединений.

limitJointChange = constraintJointBounds(lbr)
limitJointChange = 
  constraintJointBounds with properties:

     Bounds: [7x2 double]
    Weights: [1 1 1 1 1 1 1]

Создайте ограничение ориентации для захвата с допуском в одну степень. Это ограничение требует, чтобы ориентация захвата совпадала со значением, заданным TargetOrientation свойство. Используйте это ограничение, чтобы зафиксировать ориентацию захвата во время окончательного подхода к чаше.

fixOrientation = constraintOrientationTarget(gripper);
fixOrientation.OrientationTolerance = deg2rad(1)
fixOrientation = 
  constraintOrientationTarget with properties:

             EndEffector: 'iiwa_link_ee_kuka'
           ReferenceBody: ''
       TargetOrientation: [1 0 0 0]
    OrientationTolerance: 0.0175
                 Weights: 1

Найдите строение, которая указывает на Кубок

Это строение должна располагать захват на расстоянии от стакана, так что конечный подход может быть выполнен с захватом, правильно совмещенным.

intermediateDistance = 0.3;

Объекты ограничения имеют Weights свойство, которое определяет, как решатель обрабатывает конфликтующие ограничения. Установка нулевого веса ограничения отключает ограничение. Для этого строения отключите ограничения положения соединений и ограничения ориентации.

limitJointChange.Weights = zeros(size(limitJointChange.Weights));
fixOrientation.Weights = 0;

Установите целевое положение чашки в системе координат захвата. Чашка должна лежать на оси Z захвата на заданном расстоянии.

distanceFromCup.TargetPosition = [0,0,intermediateDistance];

Решите для строения робота, который удовлетворяет вход ограничениям с помощью gik решатель. Необходимо задать все входные ограничения. Установите это строение как вторую путевую точку.

[qWaypoints(2,:),solutionInfo] = gik(q0, heightAboveTable, ...
                       distanceFromCup, alignWithCup, fixOrientation, ...
                       limitJointChange);

Найдите строения, которые перемещают Gripper в чашку вдоль прямой линии

Повторно включите ограничение положения соединения и ограничение ориентации.

limitJointChange.Weights = ones(size(limitJointChange.Weights));
fixOrientation.Weights = 1;

Отключите ограничение выравнивания по чашке, так как ограничение ориентации делает его избыточным.

alignWithCup.Weights = 0;

Установите ограничение ориентации, чтобы удерживать ориентацию на основе предыдущего строения (qWaypoints(2,:)). Получите преобразование от захвата к основе модели робота. Преобразуйте однородное преобразование в кватернион.

fixOrientation.TargetOrientation = ...
    tform2quat(getTransform(lbr,qWaypoints(2,:),gripper));

Задайте расстояние между чашкой и захватом для каждой путевой точки

finalDistanceFromCup = 0.05;
distanceFromCupValues = linspace(intermediateDistance, finalDistanceFromCup, numWaypoints-1);

Задайте максимально допустимое изменение положения соединений между каждой путевой точкой.

maxJointChange = deg2rad(10);

Вызовите решатель для каждой оставшейся путевой точки.

for k = 3:numWaypoints
    % Update the target position.
    distanceFromCup.TargetPosition(3) = distanceFromCupValues(k-1);
    % Restrict the joint positions to lie close to their previous values.
    limitJointChange.Bounds = [qWaypoints(k-1,:)' - maxJointChange, ...
                               qWaypoints(k-1,:)' + maxJointChange];
    % Solve for a configuration and add it to the waypoints array.
    [qWaypoints(k,:),solutionInfo] = gik(qWaypoints(k-1,:), ...
                                         heightAboveTable, ...
                                         distanceFromCup, alignWithCup, ...
                                         fixOrientation, limitJointChange);
end

Визуализация сгенерированной траектории

Интерполируйте между путевыми точками, чтобы сгенерировать плавную траекторию. Использовать pchip чтобы избежать перерегулирований, которые могут нарушить пределы соединений робота.

framerate = 15;
r = rateControl(framerate);
tFinal = 10;
tWaypoints = [0,linspace(tFinal/2,tFinal,size(qWaypoints,1)-1)];
numFrames = tFinal*framerate;
qInterp = pchip(tWaypoints,qWaypoints',linspace(0,tFinal,numFrames))';

Вычислите положение захвата для каждой интерполированного строения.

gripperPosition = zeros(numFrames,3);
for k = 1:numFrames
    gripperPosition(k,:) = tform2trvec(getTransform(lbr,qInterp(k,:), ...
                                                    gripper));
end

Показать робота в его начальном строении вместе с таблицей и чашкой

figure;
show(lbr, qWaypoints(1,:), 'PreservePlot', false);
hold on
exampleHelperPlotCupAndTable(cupHeight, cupRadius, cupPosition);
p = plot3(gripperPosition(1,1), gripperPosition(1,2), gripperPosition(1,3));

Figure contains an axes. The axes contains 34 objects of type patch, line. These objects represent world, iiwa_link_0, iiwa_link_1, iiwa_link_2, iiwa_link_3, iiwa_link_4, iiwa_link_5, iiwa_link_6, iiwa_link_7, iiwa_link_ee, iiwa_link_ee_kuka, cupFrame, iiwa_link_0_mesh, iiwa_link_1_mesh, iiwa_link_2_mesh, iiwa_link_3_mesh, iiwa_link_4_mesh, iiwa_link_5_mesh, iiwa_link_6_mesh, iiwa_link_7_mesh.

Анимируйте манипулятор и постройте график положения захвата.

hold on
for k = 1:size(qInterp,1)
    show(lbr, qInterp(k,:), 'PreservePlot', false);
    p.XData(k) = gripperPosition(k,1);
    p.YData(k) = gripperPosition(k,2);
    p.ZData(k) = gripperPosition(k,3);
    waitfor(r);
end
hold off

Figure contains an axes. The axes contains 34 objects of type patch, line. These objects represent world, iiwa_link_0, iiwa_link_1, iiwa_link_2, iiwa_link_3, iiwa_link_4, iiwa_link_5, iiwa_link_6, iiwa_link_7, iiwa_link_ee, iiwa_link_ee_kuka, cupFrame, iiwa_link_0_mesh, iiwa_link_1_mesh, iiwa_link_2_mesh, iiwa_link_3_mesh, iiwa_link_4_mesh, iiwa_link_5_mesh, iiwa_link_6_mesh, iiwa_link_7_mesh.

Если необходимо сохранить сгенерированные строения в MAT-файле для дальнейшего использования, выполните следующее:

>> save('lbr_trajectory.mat', 'tWaypoints', 'qWaypoints');

Вопросы совместимости

расширить все

Изменение поведения в будущем релизе

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ MATLAB ®

.
Введенный в R2017a
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте