MATLAB - 机器人逆运动学设计器（Inverse Kinematics Designer APP）

系列文章目录

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前言

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一、简介

通过逆运动学设计器，您可以为 URDF 机器人模型设计逆运动学求解器。您可以调整逆运动学求解器并添加约束条件，以实现所需的行为。使用该程序，您可以

• 从 URDF 文件或 MATLAB 工作区导入 URDF 机器人模型。
• 调整逆运动学求解器和约束条件。
• 创建关节配置并导出航点。
• 将求解器设置、约束和关节配置导出到 MATLAB? 工作区。

二、打开 Inverse Kinematics Designer App

• MATLAB 工具条： 在 "应用程序 "选项卡上的 "机器人和自主系统 "下，单击 "逆运动设计器 逆运动设计器 "图标。
• MATLAB 命令提示符： 输入 inverseKinematicsDesigner。

三、示例

3.1?创建逆运动学设计器

本示例演示了如何创建、加载和保存逆运动设计器会话，以及如何将机器人加载到会话中。完成文件作为 iksessiondata.mat 附后，以供参考。使用 inverseKinematicsDesigner 函数加载会话，或按照本示例创建会话。

3.1.1 创建

使用 inverseKinematicsDesigner 函数打开逆运动设计器。

inverseKinematicsDesigner

3.1.2 加载机器人模型

在命令窗口中使用 loadrobot 将刚体树（如 Universal UR5e）加载到工作区。importrobot 也可用于从任何机器人 URDF 文件中导入刚体树对象。

uniUR5e = loadrobot("universalUR5e");

单击 "新建会话"，从对话框的表格中选择 uniUR5e，然后单击 "确定"。该表包含工作区中的所有刚体树对象。如果在表中没有看到您的对象，请确认该对象是否在工作区中，然后单击 "刷新"。

或者，您也可以使用刚体树下拉菜单，从机器人系统工具箱（Robotics System Toolbox?）附带的机器人模型列表中进行选择，然后单击 "确定"，加载一个机器人。

?现在，"场景画布 "包含机器人模型，"场景浏览器 "显示机器人的所有刚体。

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3.1.3 添加碰撞对象

要在 "场景画布 "中添加碰撞对象，工作区中必须有一个碰撞对象。为方便起见，本示例提供了一个简单的方框供您使用。有关创建碰撞对象的更多信息，请参阅 collisionMesh、collisionBox、collisionSphere 和 collisionCylinder。

加载 collisionobject MAT 文件，将名为 box 的 collisionBox 保存到工作区。单击 "添加碰撞对象"，然后从表格中选择 box。单击 "确定 "将其添加到 "场景画布 "中。

现在，"场景画布 "中包含了机器人和碰撞对象。在本示例中，我们将保留该对象，但如果要删除碰撞对象，请在场景浏览器中的场景下找到碰撞对象，右键单击碰撞对象的名称并单击删除。

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在 "场景画布 "或 "场景浏览器 "中选择对象时，可使用 "场景检查器 "查看对象的位置和欧拉方位。列出的属性将根据所选碰撞对象的类型而改变。

3.1.4 保存会话

要保存此会话，请单击 "保存会话"。如果这是第一次保存会话，请命名文件并选择保存位置。文件将保存为包含所有会话数据和设置的 MAT (*.mat) 文件。

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3.1.5 加载保存的会话

要加载会话文件，请单击 "Inverse Kinematics Designer（逆运动设计器）"应用程序中的 "Open Session（打开会话）"，或以字符串形式向 inverseKinematicsDesigner 指定 MAT 文件。本示例中提供的会话示例为 iksessiondata.mat。

inverseKinematicsDesigner("iksessiondata.mat")

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3.2?使用 "场景画布 "并移动机器人

本示例演示如何使用场景画布，并使用逆运动设计器应用程序在其中移动机器人。

加载现有会话 (ixsessiondata.mat)，或参考创建逆运动设计器会话示例创建会话。

inverseKinematicsDesigner

3.2.1 场景画布控件

使用场景画布中的轴工具栏控制视图。

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要旋转场景画布，请选择旋转 3D 按钮并在场景中单击和拖动。

单击 "平移 "按钮，然后在场景中单击并拖动，即可在 "场景画布 "中平移。

选择 "放大 "或 "缩小 "按钮，然后单击并向上或向下拖动，可分别放大或缩小场景画布内的某个区域。

单击 "恢复视图 "按钮可恢复到原始默认视图。

3.2.2 移动机器人

使用预设的 "标记姿势目标 "约束等约束条件移动机器人。标记姿势目标约束是移动机器人最简单的约束。该约束在机器人模型的最后一个体上设置目标姿势。在本例中，标记体被设置为工具 0。在 "场景画布 "中，通过红色、绿色和蓝色的线性和圆形指示符，可视化所选标记体顶部的标记。单击并拖动线性或圆形指示符将分别改变目标位置和欧拉方向。颜色与 "场景画布 "左下方显示的坐标轴颜色相对应。

单击 "标记姿势约束 "打开 "约束 "选项卡。在 "约束 "选项卡中，设置以米为单位的笛卡尔位置、以度为单位的欧拉方向，以及位置和方向的权重和公差。标记体可以在 "约束 "选项卡的 "末端执行体 "列表或 "逆运动学 "选项卡的 "标记体 "列表中更改。单击 "应用 "保存任何更改，单击 "关闭约束 "退出 "约束 "选项卡。请注意，指定的欧拉角是使用 XYZ 序列计算的。

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还可以通过清除或选择 "约束浏览器 "中 "标记姿势目标 "约束旁边的复选框来打开或关闭 "标记姿势目标 "约束。

3.2.3 解决方案详情

移动 "目标标记姿势 "时，会设置目标姿势，逆运动学求解器会求解所选标记体到达目标姿势的配置。如果找不到目标姿势的解决方案，机器人将移动到最佳可用解决方案，而标记体将不会移动到标记姿势目标。这种解决方案可以通过 "约束浏览器 "中的约束图标直观地识别出来。图标上的红色 x 表示未满足约束条件，而绿色复选框则表示正在满足约束条件。

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?要了解求解器未能求解的更多信息，请单击 "报告状态 "查看求解器求解的详细信息。迭代次数和随机重启次数分别列出求解器执行的次数。违反约束条件"（Constraints Violations）显示了可在命令窗口中显示的所有冲突的结构数组。如果求解器成功求解出目标姿态，状态将显示成功；如果求解器无法求解出目标姿态，则显示其找到的最佳可用解。退出标志（Exit Flag）提供了特定求解器算法执行的更多细节。有关不同退出标志类型的更多信息，请参阅 "逆运动学算法"。

要排除求解器无法求解的原因，请参阅 "解决约束冲突 "了解一些技巧。

?3.3?创建无碰撞配置并输出航点

本示例演示如何使用逆运动设计器创建关节配置，并使用场景检查器检查碰撞。本示例使用了 "创建逆运动设计器会话 "和 "使用场景画布和移动机器人 "中的数据和技能。在继续之前，请参考这些示例。

3.3.1 加载会话

使用 inverseKinematicsDesigner 和 iksessiondata.mat 会话文件，在场景中加载具有基本碰撞对象的机器人。

inverseKinematicsDesigner

3.3.2 创建配置

使用配置面板创建、修改和查看配置。

在移动机器人之前，单击 "存储配置 "保存机器人当前的关节配置，如场景画布所示。这将把配置添加到 "配置面板 "的表格中，其中包含默认配置名称、碰撞状态和每个关节的矢量值。双击相应元素可编辑每个配置的名称和值。将此配置重命名为 home，并将其值保留为 [0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00]。

创建另一个配置，但这次要使其与方框相撞。使用 "标记姿势约束 "将末端执行器设置为[-0.5 0.5 0]处的方框中心，然后存储配置。要在多个配置之间切换视图，请选择一个配置，单击 "捕捉到配置 "或单击 "向前或向后步进 "按钮，以步进方式切换当前配置。?

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3.3.3 检查碰撞

单击检查碰撞 > 检查所有配置更新所有存储配置的碰撞状态。要检查一个配置，请选择所需的配置，单击 "捕捉到配置"，然后单击 "检查碰撞">"检查当前配置 "更新当前所选配置的碰撞状态。

?碰撞检查完成后，第一个和第二个配置的碰撞状态分别为 PASS 和 FAIL。选择碰撞检查失败的配置。场景浏览器中选定配置的主体会更新，显示红色 x 或绿色检查图标，分别表示该主体处于碰撞状态或无碰撞状态。在场景画布中，标记为 "碰撞中 "的体也将以红色高亮显示。请注意，法兰和工具 0 虽然看起来在位置上处于碰撞状态，但却被标记为无碰撞状态。这是因为这些机构只是框架，不包含碰撞网格。如果您打算检查碰撞，请在导入任何机器人之前确保机器人的实体包含碰撞网格。

在 "场景浏览器 "或 "场景画布 "中单击该框，选择该框，然后检查 "状态 "窗格。状态 "窗格包含位置、方向、碰撞状态以及自上次碰撞检查以来所有已知碰撞的列表。已知碰撞列表显示了与所选体发生碰撞的所有体。从列表中选择任何一个车身并单击 "检查选定车身"，场景检查器就会切换到该本体。

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3.3.4 创建配置路径

要创建路径，请按顺序依次向表中添加配置。由于第二个配置与方框冲突，因此选择它并单击删除。

将目标标记姿态设置为方框后 [-0.9 0.0 0.1]，并存储配置。该配置将成为目标配置，因此将其重命名为目标。

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捕捉到 "原点 "配置，并在[-0.5 0.5 0.5]处的方框上添加一个额外配置，作为 "原点 "和 "目标 "之间的中间配置。如果需要修改配置，请捕捉到该配置，调整目标标记姿势，保存新配置并删除旧配置。单击 "移动配置 "按钮，在原点和目标配置之间移动新配置。

单击检查碰撞 > 检查所有配置检查所有配置是否发生碰撞。如果某个配置未通过，请进行必要的调整。

3.3.5 将配置导出为航点

保存会话也会保存会话中存储的配置，但要将配置作为航点导出到 MATLAB? 工作区，请单击导出 > 配置。选择要导出的所有配置，在航点矩阵名称中指定航点矩阵的名称，然后单击导出。检查工作区中是否有包含航点的矩阵。请注意，航点矩阵的大小取决于导出配置的数量和机器人关节的数量，并将以行格式导出。本例中的航点矩阵尺寸为 3x6。