rigidBodyTree
创建树形机器人
描述
的rigidBodyTree是刚体与关节连通性的表示。利用本课程在MATLAB中构建机械手模型®．如果您使用统一机器人描述格式(URDF)指定了机器人模型，请使用importrobot导入您的机器人模型。
刚体树模型是由刚体组成的rigidBody对象。每个刚体都有一个rigidBodyJoint与之关联的对象，该对象定义了它如何相对于其父主体移动。使用setFixedTransform定义关节的框架和一个相邻物体的框架之间的固定变换。方法中的方法可以从模型中添加、替换或删除刚体RigidBodyTree类。
机器人动力学计算也是可能的。指定质量，CenterOfMass,惯性每个的属性rigidBody在机器人模型中。你可以计算有或没有外力的正向和反向动力学，并计算给定机器人关节运动和关节输入的动力学量。要使用与动态相关的函数，请设置DataFormat财产“行”或“列”．
对于给定的刚体树模型，您还可以使用机器人模型来计算所需的末端执行器位置的关节角度，使用机器人逆运动学算法。使用时指定刚体树模型inverseKinematics或generalizedInverseKinematics．
的显示方法支持身体网金宝app格的可视化。网格被指定为.stl文件和可以添加到个别刚体使用addVisual．此外，默认情况下importrobot函数加载所有可访问的.stlURDF机器人模型中指定的文件。
创建
属性
对象的功能
addBody |
为机器人添加身体 |
addSubtree |
为机器人添加子树 |
centerOfMass |
质心位置和雅可比矩阵 |
checkCollision |
检查机器人是否发生碰撞 |
复制 |
复制机器人模型 |
externalForce |
构成相对于基底的外力矩阵 |
forwardDynamics |
给定关节力矩和状态的关节加速度 |
geometricJacobian |
机器人构型的几何雅可比矩阵 |
gravityTorque |
补偿重力的关节力矩 |
getBody |
通过名称获取机器人身体手柄 |
getTransform |
得到转换之间的身体框架 |
homeConfiguration |
获取机器人的家庭配置 |
inverseDynamics |
给定运动所需的关节力矩 |
massMatrix |
关节空间质量矩阵 |
randomConfiguration |
生成机器人的随机构型 |
removeBody |
从机器人上移除身体 |
replaceBody |
更换机器人本体 |
replaceJoint |
更换身体上的关节 |
显示 |
图中显示机器人模型 |
showdetails |
展示机器人模型的细节 |
子树 |
从机器人模型创建子树 |
velocityProduct |
抵消速度力的关节力矩 |
writeAsFunction |
创建rigidBodyTree代码生成函数 |
例子
将刚体和关节连接到刚体树
在刚体树中添加刚体和相应的关节。每个rigidBody对象包含rigidBodyJoint对象，并且必须添加到rigidBodyTree使用addBody．
创建一个刚体树。
rbtree = rigidBodyTree;
创建一个名称唯一的刚体。
body1 = rigidBody(“b1”）;
创建一个转动关节。默认情况下，rigidBody物体带有固定的关节。通过赋值new来替换关节rigidBodyJoint对象的界面。联合财产。
jnt1 = rigidBodyJoint(“jnt1”，“转动”）;界面。联合＝jnt1;
将刚体添加到树中。指定要附加刚体的体名。因为这是第一个主体，所以使用树的基本名称。
basename = rbtree.BaseName;basename addBody (rbtree界面)
使用showdetails在树上确认刚体和接头是否添加正确。
showdetails (rbtree)
-------------------- 机器人:身体(1)Idx的身体名称联合名称联合类型父母名字(Idx)孩子的名字(s ) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 b1 jnt1转动基(0 ) --------------------
利用Denavit-Hartenberg参数构建机械手机器人
使用Puma560®机器人的Denavit-Hartenberg (DH)参数来构建机器人。每个刚体一次添加一个，由关节对象指定的子到父转换。
DH参数定义了机器人的几何形状，与每个刚体如何连接到它的父刚体有关。为方便起见，在一个矩阵中设置Puma560机器人的参数[1]．Puma机器人是一个串联链式机械手。DH参数相对于矩阵中的前一行，对应于之前的关节附着。
Dhparams = [0 pi/2 0 0;0.4318 00 0 0.0203 -pi/2 0.15005 0;0 /2 0.4318 0;0 - /2 0 0;0 0 0 0];
创建一个刚体树对象来构建机器人。
robot = rigidBodyTree;
创建第一个刚体并将其添加到机器人。添加刚体:
创建一个
rigidBody对象，并给它一个唯一的名称。创建一个
rigidBodyJoint对象，并给它一个唯一的名称。使用
setFixedTransform来指定使用DH参数的体对体转换。DH参数的最后一个元素，θ，被忽略，因为角度取决于关节位置。调用
addBody将第一身体关节连接到机器人的底座框架上。
body1 = rigidBody(“界面”）;jnt1 = rigidBodyJoint(“jnt1”，“转动”）;setFixedTransform (jnt1 dhparams (1:)“dh”）;界面。联合＝jnt1; addBody(robot,body1,“基地”）
创建并添加其他刚体到机器人。在调用时指定前面的主体名称addBody来连接它。每个固定变换都相对于前一个关节坐标系。
body2 = rigidBody(“body2”）;jnt2 = rigidBodyJoint(“jnt2”，“转动”）;body3 = rigidBody(“body3”）;jnt3 = rigidBodyJoint(“jnt3”，“转动”）;body4 = rigidBody(“body4”）;jnt4 = rigidBodyJoint(“jnt4”，“转动”）;body5 = rigidBody(“body5”）;jnt5 = rigidBodyJoint(“jnt5”，“转动”）;body6 = rigidBody(“body6”）;jnt6 = rigidBodyJoint(“jnt6”，“转动”）;: 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。联合＝jnt2; body3.Joint = jnt3; body4.Joint = jnt4; body5.Joint = jnt5; body6.Joint = jnt6; addBody(robot,body2,“界面”) addBody (body3的机器人“body2”) addBody (body4的机器人“body3”) addBody (body5的机器人“body4”) addBody (body6的机器人“body5”）
验证您的机器人是否正确构建showdetails或显示函数。showdetails列出MATLAB®命令窗口中的所有主体。显示显示具有给定配置的机器人(默认为home)。调用轴修改轴限制并隐藏轴标签。
showdetails(机器人)
-------------------- 机器人:身体(6)Idx身体名称联合名称联合类型父母名字(Idx)孩子的名字(s ) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 body1 jnt1转动基地(0)body2 (2) 2 body2 jnt2转动界面(1)body3 (3) 3 body3 jnt3转动body2 (2) body4 (4) 4 body4 jnt4转动body3 (3) body5 (5) 5 body5 jnt5转动body4 (4) body6 (6) 6 body6 jnt6转动body5 (5 ) --------------------
显示(机器人);轴([-0.5,0.5,-0.5,0.5,-0.5,0.5])轴从
![{“字符串”:“”,“它”:[],“乳胶”:[]}](http://www.tatmou.com/in/in/help/examples/robotics/win64/BuildAManipulatorRobotUsingDenavitHartenbergParametersExample_01.png)
[1]科克，P. I.和B.阿姆斯特朗-埃洛夫里。“PUMA 560机器人模型参数的一致性搜索”1994年IEEE机器人与自动化国际会议论文集， IEEE计算。Soc。出版社，1994，第1608-13页。DOI.org (Crossref), doi: 10.1109 / ROBOT.1994.351360。
修正机器人刚体树模型
对现有的进行更改rigidBodyTree对象。你可以在刚体树中替换关节，体和子树。
加载示例机器人如下rigidBodyTree对象。
负载exampleRobots.mat
查看Puma机器人使用的详细信息showdetails．
showdetails (puma1)
-------------------- 机器人:身体(6)Idx身体名称联合名称联合类型父母名字(Idx)孩子的名字(s ) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 L1 jnt1转动基地(0)L2 (2) 2 L2 jnt2转动L1 (1) L3 (3) 3 L3 jnt3转动L2 (2) L4 (4) 4, jnt4转动L3(3)一两百(5)5 L5 jnt5转动L4(4) 16种(6)6 16种jnt6转动L5 (5 ) --------------------
让一个特定的机构来检查属性。唯一的孩子L3身体是L4的身体。您也可以复制一个特定的主体。
body3 = getBody(puma1，“L3”）;childBody = body3。孩子{1}
名称:'L4'关节:[1x1 rigidBodyJoint]质量:1 CenterOfMass:[0 0 0]惯性:[1 1 1 0 0 0]父:[1x1 rigidBody]子:{[1x1 rigidBody]}视觉效果:{}碰撞:{}
body3Copy = copy(body3);
更换上的接头L3的身体。您必须创建一个新的联合对象和用途replaceJoint以确保下游的车身几何不受影响。调用setFixedTransform如有必要，可以在主体之间定义一个变换，而不是使用默认的单位矩阵。
newJoint = rigidBodyJoint(“移动”）;replaceJoint (puma1“L3”, newJoint);showdetails (puma1)
-------------------- 机器人:身体(6)Idx身体名称联合名称联合类型父母名字(Idx)孩子的名字(s ) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 L1 jnt1转动基地(0)L2 (2) 2 L2 jnt2转动L1 (1) L3 3 L3棱镜(3)固定L2 (2) L4 (4) 4, jnt4转动L3(3)一两百(5)5 L5 jnt5转动L4(4) 16种(6)6 16种jnt6转动L5 (5 ) --------------------
删除整个主体并使用得到的子树removeBody．被移除的主体包含在子树中。
subtree = removeBody(puma1，“L4”）
subtree = rigidBodyTree with properties: NumBodies: 3 Bodies: {[1x1 rigidBody] [1x1 rigidBody] [1x1 rigidBody]} Base: [1x1 rigidBody] BodyNames: {'L4' 'L5' 'L6'} BaseName: 'L3' Gravity: [0 0 0] DataFormat: 'struct'
删除修改后的L3的身体。添加复制的原件L3从身体到L2体，后面跟着返回的子树。机器人模型保持不变。查看详细的对比showdetails．
removeBody (puma1“L3”）;addBody (puma1 body3Copy,“外语”) addSubtree (puma1“L3”子树)showdetails (puma1)
-------------------- 机器人:身体(6)Idx身体名称联合名称联合类型父母名字(Idx)孩子的名字(s ) --- --------- ---------- ---------- ---------------- ---------------- 1 L1 jnt1转动基地(0)L2 (2) 2 L2 jnt2转动L1 (1) L3 (3) 3 L3 jnt3转动L2 (2) L4 (4) 4, jnt4转动L3(3)一两百(5)5 L5 jnt5转动L4(4) 16种(6)6 16种jnt6转动L5 (5 ) --------------------
指定刚体树的动力学属性
若要使用动力学函数计算关节扭矩和加速度，请指定rigidBodyTree对象和rigidBody．
创建一个刚体树模型。创建两个刚体来连接它。
机器人= rigidBodyTree(“DataFormat”，“行”）;body1 = rigidBody(“界面”）;body2 = rigidBody(“body2”）;
指定要连接到阀体上的关节。的固定变换body2来界面．这个变换是1mx方向。
joint1 = rigidBodyJoint(“joint1”，“转动”）;joint2 = rigidBodyJoint(“joint2”）;setFixedTransform(joint2,trvec2tform([1 0 0]))Joint = joint1;body2。联合＝joint2;
为两个物体指定动力学属性。将身体添加到机器人模型中。对于本例，杆的基本值为(界面)与一个附着的球形质量(body2)。
界面。质量＝2；界面。CenterOfMass = [0.5 0 0]; body1.Inertia = [0.001 0.67 0.67 0 0 0]; body2.Mass = 1; body2.CenterOfMass = [0 0 0]; body2.Inertia = 0.0001*[4 4 4 0 0 0]; addBody(robot,body1,“基地”）;addBody (body2的机器人“界面”）;
计算整个机器人的质心位置。在机器人上画出位置。将视图移动到xy飞机。
comPos = centerOfMass(机器人);显示(机器人);持有在精神精神情节((1),(2),”或“)视图(2)
改变第二个物体的质量。注意重心的变化。
body2。质量＝20; replaceBody(robot,“body2”，body2) comPos2 = centerOfMass(机器人);情节(comPos2 (1) comPos2 (2),“* g”)举行从
刚体树模型外力作用下的正向动力学计算
计算给定的机器人构型在外加外力和重力作用下的关节加速度。将扳手施加在特定的物体上，并为整个机器人指定重力。
加载一个预定义的KUKA LBR机器人模型，该模型被指定为RigidBodyTree对象。
负载exampleRobots.matlbr
设置数据格式为“行”．对于所有的动力学计算，数据格式必须是其中之一“行”或“列”．
lbr。DataFormat =“行”；
设置重力。默认情况下，重力被假设为零。
lbr。Gravity = [0 0 -9.81];
的主配置lbr机器人。
q = homeConfiguration(lbr);
指定代表机器人所经历的外力的扳手矢量。使用externalForce函数生成外力矩阵。指定机器人模型、经历扳手的末端执行器、扳手矢量和当前机器人配置。扳手是相对于“tool0”身体框架，这需要你指定机器人的配置，问．
扳手= [0 0 0.5 0 0 0.3];fext = externalForce(lbr，“tool0”,扳手,q);
计算由重力引起的联合加速度，外加施加于末端执行器的外力“tool0”当lbr是它的主构型。关节速度和关节力矩假设为零(输入为空矢量［］）.
qddot = forwardDynamics(lbr,q，[]，[]，fext);
从静态关节构型计算逆动力学
使用inverseDynamics函数计算静态保持特定机器人配置所需的关节扭矩。您还可以使用其他语法指定关节速度、关节加速度和外力。
加载一个预定义的KUKA LBR机器人模型，该模型被指定为RigidBodyTree对象。
负载exampleRobots.matlbr
设置数据格式为“行”．对于所有的动力学计算，数据格式必须是其中之一“行”或“列”．
lbr。DataFormat =“行”；
设置重力性质来给出一个特定的重力加速度。
lbr。Gravity = [0 0 -9.81];
生成的随机配置lbr．
q = randomConfiguration(lbr);
计算所需的关节力矩lbr以静态地保持该配置。
tau = inverseDynamics(lbr,q);
计算关节扭矩以对抗外力
使用externalForce函数生成用于刚体树模型的力矩阵。力矩阵是an米-by-6矢量，对机器人上的每个关节都有一行，用于应用六元扳手。使用externalForce函数并指定末端执行器，以正确地将扳手分配到矩阵的正确行。你可以把多个力矩阵加在一起，对一个机器人施加多个力。
要计算对抗这些外力的关节力矩，请使用inverseDynamics函数。
加载一个预定义的KUKA LBR机器人模型，该模型被指定为RigidBodyTree对象。
负载exampleRobots.matlbr
设置数据格式为“行”．对于所有的动力学计算，数据格式必须是其中之一“行”或“列”．
lbr。DataFormat =“行”；
设置重力性质来给出一个特定的重力加速度。
lbr。Gravity = [0 0 -9.81];
获取的主配置lbr．
q = homeConfiguration(lbr);
施加外力link1．输入扳手矢量在基框中表示。
fext1 = externalForce(lbr，“link_1”，[0 0 0.0 0.1 0 0]);
在末端执行器上设置外力，tool0．的形式表示输入扳手矢量tool0框架。
fext2 = externalForce(lbr，“tool0”，[0 0 0.0 0.1 0 0]，q);
计算平衡外力所需的关节力矩。要组合力，请将力矩阵相加。关节速度和加速度假设为零(输入为［］）.
tau = inverseDynamics(lbr,q，[]，[]，fext1+fext2);
显示机器人模型与视觉几何
你可以导入机器人.stl与统一机器人描述格式(URDF)文件相关联的文件，以描述机器人的视觉几何形状。每个刚体都有一个特定的视觉几何。的importrobot函数解析URDF文件以获得机器人模型和视觉几何图形。该函数假设机器人的视觉几何和碰撞几何是相同的，并将视觉几何赋值为对应物体的碰撞几何。
使用显示函数在图形中显示机器人模型的视觉和拼接几何图形。然后，您可以通过单击组件来检查它们，并右键单击以切换可见性，从而与模型交互。
以URDF文件的形式导入机器人模型。的.stl文件位置必须在URDF中正确指定。添加其他.stl文件到单个刚体，见addVisual．
机器人= importrobot(“iiwa14.urdf”）;
使用相关的可视化模型可视化机器人。单击主体或框架以检查它们。右键单击主体以切换每个可视几何图形的可见性。
表演(机器人,“视觉效果”，“上”，“碰撞”，“关闭”）;
用相关的碰撞几何图形可视化机器人。单击主体或框架以检查它们。右击物体以切换每个碰撞几何的可见性。
表演(机器人,“视觉效果”，“关闭”，“碰撞”，“上”）;
更多关于
动态属性
方法的这些属性指定操作器机器人的各个主体的信息rigidBody对象:
质量-刚体质量，单位为千克。CenterOfMass-刚体的质心位置，指定为形式的矢量[x y z]．矢量描述刚体质心相对于刚体框架的位置，单位为米。的centerOfMass对象函数在计算机器人的质心时使用这些刚体属性值。惯性——刚体的惯量，用矢量的形式表示[Ixx Iyy Izz Iyz Ixz Ixy]．矢量是相对于物体框架的，单位是千克平方米。惯性张量是一个正定矩阵，形式如下:
的前三个元素
惯性矢量是惯性矩，是惯性张量的对角线元素。最后三个元素是惯性的乘积，它们是惯性张量的非对角线元素。
对于整个机械手机器人模型的相关信息，请指定这些rigidBodyTree对象属性:
重力-机器人经历的重力加速度，指定为[x y z]向量，单位是m/s2．默认情况下，没有重力加速度。DataFormat-运动学和动力学函数的输入和输出数据格式，指定为“结构”，“行”,或“列”．
参考文献
[1]克雷格，约翰J。机器人学导论:力学与控制．马萨诸塞州雷丁:Addison-Wesley, 1989年。
[2]西西里亚诺，布鲁诺，洛伦佐·夏维奇科，路易吉·维拉尼和朱塞佩·奥里奥罗。机器人:建模、规划与控制。伦敦:施普林格，2009。
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