创建SoRoSim: MATLAB工具箱软机器人建模与仿真

由阿努普Teejo马修,Ikhlas本Hmida,费德里科•仁达,哈里发大学

在过去,大多数机器人都局限于工厂,通常从工人和脆弱的对象在一个安全的距离。今天,越来越多的机器人应用程序涉及操作在具有挑战性的环境中,在组件必须与微妙的物质相互作用。例如,医疗机器人遇到人体组织,水下机器人处理海洋生物,农业机器人触觉产生和其他易坏的产品。下载188bet金宝搏

在这些和类似的场景,软机器人(或混合的结合刚性部件和兼容的材料)比严格严格的同行更熟练。然而,独特设计这项技术需要克服障碍;例如,柔软和混合机器人建模与无限自由度(自由度)可以证明困难。

大多数工具箱为建模设计软机器人基于集中质量有限元方法(FEM)。理论上这些简单但计算量为通用模拟方法是充足的,但是他们太慢了实际应用的分析和控制设计。

我们的团队在哈利法塔大学开发了SoRoSim、MATLAB^®软机器人工具箱,使用一个应变的几何变量(问)模型,使软的静态和动态分析,刚性和混合机器人系统。全球之声的方法模型领域的病毒变种的扭曲或弯曲软链接由Cosserat棒,纤细,一维杆弯曲,扭曲、拉伸和剪切。工具箱扩展现有建模技术刚性机器人软使用更少的计算的算法和混合机器人昂贵的比有限元法和其他方法。因此,SoRoSim可以产生高保真的结果许多倍工具箱根据其他软机器人建模技术。此外,传统的刚性机器人理论的概括,它促进的自然集成控制和优化技术由更广泛的机器人技术社区。核心算法MATLAB工具箱实现的类和封装在一个用户界面,机器人专家可以使用它来轻松地定义、分析和可视化机器人系统(图1)。

图1所示。软机器人手指与三个软链接和三个刚性链接,使用SoRoSim设计。

设计和实现的工具

在我们追求为用户提供一个简单易用的平台,我们看了许多可用的工具箱,包括彼得·柯克的机器人工具箱,使用面向对象的编程(OOP)的方法。这种方法提供了一个结构良好的地图程序,允许方便地访问和调整特定对象数据。灵感来自于这一点,我们遵循了类似的方法在创建SoRoSim工具箱。

SoRoSim工具箱实现了三个MATLAB类元素来表示链接,联系,扭。链接类允许用户定义软或刚性与多种类型的联合,包括固定、转动、移动关节,通用,关节和自由等。用户可以定义软链接与圆形、矩形或椭圆形截面,他们可以指定材料属性质量分布和刚度不均匀的一个给定的链接。刚性链接仅仅是由他们指定相对质心位置和主惯性矩。连杆类允许用户将多个链接实例组装成单链,支链和闭链机器人结构。与连杆类,用户也可以定义外部力量,如重力、以及驱动输入。最后,扭类允许用户指定的自由度关节变形模式和应变对个人分裂一个软链接。

采取一个OOP方法使我们轻松地提高和功能添加到随着时间的推移,这些类,而无需重构工具箱的其他方面。例如,当我们第一次开始发展,我们实现了一个恒定应变的方法。作为我们的研究进展,我们添加变量应变能力,更先进的计算方法,并支持建模动力学中的所有现有的MATLAB类框架。金宝app

验证和基准测试

验证我们的工具箱通过执行一系列测试广泛应用于计算力学和比较产生的结果与数据建模工具。这些测试包括悬臂梁与追随者力应用顶端,一个l型连杆受到引力,柔性杆和一个自由飞翔,这也被称为飞行面条问题(图2)。

图2。自由飞行的飞行动力学的快照xz-plane柔性杆。

在使用早期的研究、数据和验证结果来验证SoRoSim,我们借此机会基准计算工具箱的性能。SoRoSim相比,例如,我们的模拟时间自由飞行灵活的杆,它使用15自由度模拟3 d动态运动,而早期去年发表的方法。这种方法需要9分钟来计算平均1秒的模拟运动。SoRoSim超过3000倍,完成7秒的模拟计算在不到1秒的时间。

Faster-than-real-time模拟实际使用SoRoSim来解决现实世界的控制设计和优化问题。此外,一个主要的优势发展中SoRoSim MATLAB-aside MATLAB机器人研究中流行的社区是解决复杂挑战的能力通过结合SoRoSim与其他MATLAB工具箱。仅举一个例子,我们最近使用SoRoSim全局优化工具箱和并行计算工具箱™找到最优软机器人电缆路径和电缆张力,减少机械手端和中间点坐标的误差与所期望的在静力平衡。具体来说,我们使用patternsearch优化一个目标函数基于机器人的静力平衡的单一cable-actuated软机械手。