Matlab机械臂建模：机器人工具箱的使用&&导入自己的机械臂模型 |
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Matlab机械臂建模：机器人工具箱的使用&&导入自己的机械臂模型
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本文主要介绍如何在matlab中建立机械臂模型（前提要下载了Robotics Toolbox机器人工具箱~），并进行基于正逆运动学计算的轨迹运动。对于已有的Solidworks机械臂三维模型，如何导入Matlab，并对其进行运动控制。 关于机器人工具箱的安装及函数的详细解释可以参考这篇文章（写的很详细，很好！！）：(1条消息) Matlab机器人工具箱（Robotics Toolbox）学习笔记_Mist_Orz的博客-CSDN博客 目录 1 机械臂的建立 核心函数——Link函数释义 机械臂仿真代码 2 基于运动学求解的轨迹规划 正逆运动学求解 3 基于Solidworks和Matlab 的自定义机械臂模型的导入及使用 将Solidworks模型导入Matlab 进行正运动学轨迹规划 1 机械臂的建立 核心函数——Link函数释义Link函数是根据DH参数建立连杆，包含了关节的主要信息，建立连杆时DH参数的输入顺序为：关节转角θ，关节距离d，连杆长度a，连杆转角α，关节类型（0转动，1移动）； 另外，关节变量的参数有： qlim指定关节极限，【注意，工具箱中的移动关节变量不允许有负值】； jointtype指定关节类型，默认为转动关节，L(4).jointtype='P’意味着第四根link是由移动关节连接的； offset为关节初始值的偏置。【这里要注意的是，定义好关节类型后，相应的变量必须为0，初值必须由offset定义，例如，关节2为转动关节，那么L(2)的theta必须为0，但是我们又希望初始状态下关节2能有一个偏置，那么就在初始化后通过“ L(2).offset=pi/2;”的语句来实现】。 最后是建模参数类型的选择：标准型D-H参数 / 改进型D-H参数，区别在于固连坐标系不同以及执行变换的的顺序不同，类比如下： 标准型D-H参数改进型D-H参数固连坐标系 的选用 以连杆的后一个关节坐标系为固连坐标系以连杆的前一个关节坐标系为固连坐标系X轴方向 的确定 以当前Z轴和“前一个”坐标系的Z轴叉乘确定X轴以“后一个”坐标的Z轴与当前Z轴叉乘确定X轴坐标系间 的变换规则 相邻关节坐标系之间的参数变化顺序为: θ、d、a、α相邻关节坐标系之间的参数变化顺序为: α、a、θ、dLink函数调用的格式为 L(1) = Link([theta1, D1, A1, alpha1, offset1], 'standard') %标准型D-H参数 L(1) = Link([theta1, D1, A1, alpha1, offset1], 'modified') %改进型D-H参数 机械臂仿真代码举例1：建立关节型六轴机械臂 %% 基于MATLAB的关节型六轴机械臂仿真 %% 参数定义 clear; close all; clc; %角度转换 angle=pi/180; %转化为角度制 %D-H参数表 theta1 = 0; D1 = 0.4; A1 = 0.025; alpha1 = pi/2; offset1 = 0; theta2 = pi/2;D2 = 0; A2 = 0.56; alpha2 = 0; offset2 = 0; theta3 = 0; D3 = 0; A3 = 0.035; alpha3 = pi/2; offset3 = 0; theta4 = 0; D4 = 0.515; A4 = 0; alpha4 = pi/2; offset4 = 0; theta5 = pi; D5 = 0; A5 = 0; alpha5 = pi/2; offset5 = 0; theta6 = 0; D6 = 0.08; A6 = 0; alpha6 = 0; offset6 = 0; %% DH法建立模型,关节转角，关节距离，连杆长度，连杆转角，关节类型（0转动，1移动），'standard'：建立标准型D-H参数 L(1) = Link([theta1, D1, A1, alpha1, offset1], 'standard') L(2) = Link([theta2, D2, A2, alpha2, offset2], 'standard') L(3) = Link([theta3, D3, A3, alpha3, offset3], 'standard') L(4) = Link([theta4, D4, A4, alpha4, offset4], 'standard') L(5) = Link([theta5, D5, A5, alpha5, offset5], 'standard') L(6) = Link([theta6, D6, A6, alpha6, offset6], 'standard') % 定义关节范围 L(1).qlim =[-180*angle, 180*angle]; L(2).qlim =[-180*angle, 180*angle]; L(3).qlim =[-180*angle, 180*angle]; L(4).qlim =[-180*angle, 180*angle]; L(5).qlim =[-180*angle, 180*angle]; L(6).qlim =[-180*angle, 180*angle]; %% 显示机械臂（把上述连杆“串起来”） robot0 = SerialLink(L,'name','six'); theta = [0 pi/2 0 0 pi 0]; %初始关节角度 figure(1) robot0.plot(theta); title('六轴机械臂模型');可得运行结果（第二张图分别标明六个轴）：
可示教：加入teach指令，使得机械臂关节角度可调节： 接续上一段代码继续执行： %% 加入teach指令，则可调整各个关节角度 robot1 = SerialLink(L,'name','sixsix'); figure(2) robot1.plot(theta); robot1.teach title('六轴机械臂模型可调节');
运行结果如上图所示，可以通过拖动各个关节q的进度条，观察不同关节角度下的机械臂位姿。 2 基于运动学求解的轨迹规划 正逆运动学求解对于机械臂 robot0 = SerialLink(L,'name','six'); 正运动学：robot0.fkine()：输入期望的关节角度，输出末端齐次变换矩阵。 逆运动学：robot0.ikine()【仅用在标准型D-H建模方法中】：输入末端执行的齐次变换矩阵，输出得到的关节角度。 举例2：正运动学求解及轨迹实现 %% 已知机械臂初始和目标的关节角度，利用五次多项式进行轨迹规划 robot0 = SerialLink(L,'name','six'); T1=transl(0.5,0,0); %根据给定起始点，得到起始点位姿 T2=transl(0,0.5,0); %根据给定终止点，得到终止点位姿 init_ang=robot0.ikine(T1); %根据起始点位姿，得到起始点关节角 targ_ang=robot0.ikine(T2); %根据终止点位姿，得到终止点关节角 step = 20; %轨迹规划方法 figure(3) %关节空间轨迹规划 [q ,qd, qdd]=jtraj(init_ang,targ_ang,step); %五次多项式轨迹，得到关节角度，角速度，角加速度，20为采样点个数 grid on T=robot0.fkine(q); %根据插值，得到末端执行器位姿 nT=T.T; plot3(squeeze(nT(1,4,:)),squeeze(nT(2,4,:)),squeeze(nT(3,4,:)));%输出末端轨迹 title('根据运动学求正解得到目标轨迹'); robot0.plot(q); %动画演示 %% 求解上述运行过程中的位置、速度、加速度的变化曲线 figure(4) subplot(3,2,[1,3]); %subplot 对画面分区 三行两列 占用1到3的位置 plot3(squeeze(nT(1,4,:)),squeeze(nT(2,4,:)),squeeze(nT(3,4,:)));%输出末端轨迹 robot2.plot(q); %动画演示 figure(f) subplot(3, 2, 2); i = 1:6; plot(q(:,1)); title('位置'); grid on; figure(f) subplot(3, 2, 4); i = 1:6; plot(qd(:,1)); title('速度'); grid on; figure(f) subplot(3, 2, 6); i = 1:6; plot(qdd(:,1)); title('加速度'); grid on;得到的运行结果： 机械臂正解求解并轨迹运行 3 基于Solidworks和Matlab 的自定义机械臂模型的导入及使用参考学习了视频三维模型_哔哩哔哩_bilibili（感谢up!!模型也是下载的up主的，视频讲解的很详细~），以四轴机械臂为例，在Solidworks中将每一个关节依次导出为STL格式的文件，具体步骤如下： 将Solidworks模型导入Matlab1）下载三维模型【文件夹Fdof】(2条消息) 四轴机械臂三维模型（各Link零件及4DOFmanipulator装配体）资源-CSDN文库，并在Solidworks中打开装配体4DOFmanipulator.sldasm。
2）导出基座Base为 link0.STL 文件，另存为的路径选择刚刚下载的文件夹Fdof的路径。
【注意：下面所有零件在导出至STL时都要勾选“不要转换STL输出到整的坐标空间”和“在单一文件中保存装配体的所有零部件”两个选项，否则会遇到导出到Matlab中时，零部件分离的情况】 3）导出第一个关节Link1为 link1.STL 文件
4）导出第二个关节Link2为 link2.STL 文件
5）同理，导出第三个关节Link3为 link3.STL 文件，输出坐标系为Frame3； 导出第四个关节Link4为 link4.STL 文件，输出坐标系为Frame4； 导出工具Tool为 link5.STL 文件，输出坐标系为Frame5； 最终得到的文件夹Fdof中存在的文件有：
6）根据Solidworks建模时的物理参数大小，在Matlab中设置Link函数的参数值（关节转角θ，关节距离d，连杆长度a，连杆转角α），在Matlab中导入上述STL模型的代码如下： 举例3：自定义机械臂三维模型的Matlab运动学求解 clear; clc; L(1) = Link('revolute','d',0.216,'a',0,'alpha',pi/2); L(2) = Link('revolute','d',0,'a',0.5,'alpha',0,'offset',pi/2); L(3) = Link('revolute','d',0,'a',sqrt(0.145^2+0.42726^2),'alpha',0,'offset',-atan(427.46/145)); L(4) = Link('revolute','d',0,'a',0,'alpha',pi/2,'offset',atan(427.46/145)); L(5) = Link('revolute','d',0.258,'a',0,'alpha',0); Five_dof = SerialLink(L,'name','4-dof'); Five_dof.base = transl(0,0,0.28); % 相当于将link1的frame1向上提升0.28（基座的高度），将机械臂放置在基座上 q0 = [0 0 0 0 0]; view = [35 20]; %plot函数的展示视角【方位角，仰角】 w = [-1 1 -1 1 0 2]; %工作空间 % 变量path的值'D:\Matlab2022a\...\Fdof','nowrist'仅为示意，改为自己的文件夹Fdof的路径 Five_dof.plot3d(q0,'tilesize',0.1,'workspace',w,'path','D:\Matlab2022a\...\Fdof','nowrist','view',view) L1 = light('Position',[1 1 1],'color','w'); %加光源得到的运行结果为：
接续上一段代码继续执行： %% 给定目标位置为（0.5，0.5，0.5）机械臂求解正运动学的解并运动到该位置 Position = [0.5 0.5 0.5]; T1 = transl(Position)*rpy2tr(180,0,0); % 机械臂到达的末端位置(rpy2tr:Roll-pitch-yaw angles to SE(3) homogeneous transform) q1 = Five_dof.ikunc(T1); % 末端机械臂的关节位姿 q = jtraj(q0,q1,60); % 计算从q0到q1的关节空间轨迹,T=60为时间（60帧） Five_dof.plot3d(q,'view',view,'fps',60,'nowrist'); % 'nowrist'表示绘制末端的坐标系 |
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