Bibliothek serieller Roboter

Dieses Repo enthält eine Sammlung von Modellen serieller Roboter. Die Modelle beinhalten symbolisch generierte Kinematik und Dynamik der Roboter. Außerdem stehen Parameter-Datensätze für existierende Roboter zur Verfügung.

Moritz Schappler, moritz.schappler@imes.uni-hannover.de, 2018-08
(C) Institut für Mechatronische Systeme, Universität Hannover

Benutzung

Für die Benutzung des Repos muss mit dem Skript serroblib_path_init.m aus dem Hauptordner die Pfadinitialisierung durchgeführt werden.

Abhängigkeiten

Die Robotermodelle setzen folgende ebenfalls herunterzuladenden Toolboxen mit initialisiertem Pfad voraus:

• imes-matlab: GitHub, LUH-intern
• imes-matlab-robotics GitHub, LUH-intern
• robot-dynamics-hybriddyn: GitHub, LUH-intern Für die Code-Generierung muss die Datei maplerepo_path.m aus der Vorlage maplerepo_path.m.template so erstellt werden, dass diese auf den Pfad zur Toolbox robot-dynamics-hybriddyn zeigt.

Inhalt

Die Robotermodelle sind nach der Anzahl der Gelenk-FG der Roboter aufgeteilt und in csv-Dateien tabellarisch aufgelistet. Zum Eintragen, Auslesen und Filtern von Robotermodellen existieren Funktionen.

Im Folgenden wird unterschieden zwischen

• Typ: Gekennzeichnet durch Anzahl und Art der Gelenke. Z.B. S4RRPR (S=Seriell, 4=4FG, RRPR=Reihenfolge der Gelenke)
• Modell: Genaue Anordnung der Gelenke (Senkrecht, Parallel, Verschoben, in einem Punkt). Z.B. S4RRPR1 als eine Möglichkeit, die Gelenke R,R,P,R in dieser Reihenfolge anzuordnen.
• Variante/Modellvariante: Speziellere Wahl der Parameter für ein Modell. Z.B. setzen eines vorher frei wählbaren Längenparameters auf Null oder eines Winkelparameters auf 0 oder Pi/2. Kennzeichnung durch S4RRPR1V1
• Roboter: Parametriertes Robotermodell. Z.B. "Kuka KR 5 scara R350 Z320" für Kuka-Roboter mit Kinematik vom Typ RRPR1

Funktionen

Die genauen Übergabeargumente und Funktionsweisen sind dem Quelltext der Funktionen und Beispielaufrufen zu entnehmen.

Datenbank aufbauen (z.B. mit Struktursynthese-Ergebnissen):

• serroblib_add_robot: Hinzufügen eines neuen Roboters zur Datenbank. Der Roboter wird mit modifizierten DH-Parametern nach [KhalilKle1986] beschrieben.

Datenbank sortieren:

• serroblib_gen_bitarrays: Robotermodelle aus den csv-Tabellen effizient als Bit-Array in Matlab-Datendateien speichern. Muss durchgeführt werden, bevor die Datenbank ausgelesen wird.
• serroblib_create_robot_csv_all: Skript zum Schreiben von csv-Tabellen zur Beschreibung der einzelnen Roboter zu den Modellen.
• serroblib_remove_robot: Robotermodell aus Datenbank entfernen.

Datenbank auslesen und benutzen:

• serroblib_filter_robots: Liste von Robotern nach Filterkriterien (wie Anzahl und Art der FG) ausgeben
• serroblib_create_robot_class: Instanz einer Matlab-Klasse für einen Roboter erstellen, damit sind dann weitere Berechnungen mit dem Modell des Roboters möglich
• serroblib_generate_mapleinput: Eingabedaten zur Code-Generierung für diesen Roboter erstellen
• serroblib_generate_code: Kinematik- und Dynamikfunktionen symbolisch mit der HybrDyn-Toolbox berechnen lassen.
• serroblib_create_template_functions: Vorlagen-Funktionen der HybrDyn-Toolbox generieren.
• serroblib_update_template_functions: Aktualisiere die Vorlagen-Funktionen auf die neuste Version
• serroblib_addtopath: Matlab-Funktionen dieses Roboters zum Matlab-Pfad hinzufügen, damit die Funktionsaufrufe funktionieren.
• scripts/generate_variant_pkin_conv_fcns: Generiere Funktionen zur Umwandlung der Kinematikparameter von Varianten und ihren zugehörigen allgemeineren Modellen

Zusätzliche Eigenschaften des Roboters ermitteln und ebenfalls eintragen (ist notwendig, da manche Eigenschaften erst mit den generierten Matlab-Funktionen berechnet werden können):

• scripts/correct_phi_N_E.m
• scripts/determine_jointnumber_influence_ee_position.m
• scripts/determine_ee_dof.m
• scripts/write_structsynth_origin.m
• scripts/determine_multi_dof_joints.m

Datenbank prüfen:

• Mit scripts/check_model_enumeration.m lässt sich prüfen, ob nach Lösung von Kinematiken Lücken in der Nummerierung auftreten.
• Mit scripts/check_structsynth_origin.m wird geprüft, ob für jedes Modell in der Datenbank mindestens eine Herkunft angegeben ist (Manuell erstellt oder automatische Struktursynthese mit bestimmten Einstellungen).

Datenbank modifizieren: Wenn nachträglich das Format der Datenbank geändert wird, geschieht dies automatisiert über Skripte (Ordner scripts). Die folgenden Skripte können als Beispiele für weitere Modifikationen dienen:

• add_csv_column_ee_phi.m und correct_phi_N_E.m: Hinzufügen und Belegen von Spalten für zusätzliche EE-Drehung
• add_csv_column_pos_infl_joint.m und determine_jointnumber_influence_ee_position.m: Zusätzliche Spalte für Nummer des Gelenks, das zuletzt die EE-Position beeinflusst.
• add_csv_column_structsynth_origin.m: Zusätzliche Spalten für Herkunft des Modells
• add_csv_column_multidofjoint.m: Zusätzliche Spalten zur Kennzeichnung mehrwertiger Gelenke

Übersichtsdateien

Alle Informationen der Roboterbibliothek liegen in csv-Dateien (Trennzeichen: Semikolon) vor. Dadurch ist eine automatische Verarbeitung und eine Versionsverwaltung möglich.

Liste der Robotermodelle für eine Gelenkfolge (SxRPR..R.csv)

Die Datei mdl_xdof/SxRRRRRR.csv enthält die MDH-Parameter aller Robotermodelle und Modellvarianten mit der entsprechenden Gelenkfolge. Dabei ist

• S die Kennzeichnung für serielle Roboter,
• x die Anzahl der Gelenk-FG,
• R/P die Kennzeichnung für Dreh- oder Schubgelenk.

Die Tabelle enthält die MDH-Parameter in symbolischer Form und zeigt die kinematische Struktur anhand von 0-Einträgen und 90°-Einträgen in den Parametern. Modellvarianten sind durch ein angehängtes V an den Modellnamen gekennzeichnet. Stehen aber in der Tabelle immer direkt unter den allgemeinen Modellen.

Die Tabellen werden automatisch von serroblib_add_robot.m erstellt. Es gibt folgende Spalten:

• Name

• Gelenk 1: Spalte über mehrere Unterspalten mit den Kinematik-Parametern der Gelenke (MDH)

• ...

• Gelenk N: Für jedes Gelenk gibt es eine große Spalte mit Unterspalten

• EE-Transformation (phi_N_E): Konstante Rotation (in XYZ-Euler-Winkeln) vom letzten Roboter-Körper-KS nach MDH-Notation zum Endeffektor. Diese Rotation wird so eingestellt, dass

  • EE- und Basis-KS übereinstimmen (im Fall von 2T1R und 3T1R)
  • die z-Achse des EE nur indirekt beeinflusst wird (im Fall 3T2R)

• EE-FG (Basis-KS): Freiheitsgrade des Endeffektors, angegeben als

  • Geschwindigkeit (erste drei Spalten) und
  • Winkelgeschwindigkeit (Spalte 4 bis 6) im Basis-KS und als
  • Euler-Winkel-Zeitableitung (Spalte 7 bis 9) der XYZ-Euler-Winkel der Rotationsmatrix vom Endeffektor- ins Basis-KS.

  Die ersten sechs Einträge entsprechen der üblichen Twist-Notation in der Schraubentheorie und in [Ramirez2018].

• Weitere Eigenschaften: Enthält für die Berechnungen nützliche Eigenschaften, wie

  • die Nummer des letzten, die EE-Position beeinflussenden Gelenks oder
  • mögliche Ersatzdarstellungen mit mehrwertigen Gelenken (Kugel-, Kardangelenk).

• Herkunft der kinematischen Kette: Enthält eine "1", wenn die kinematische Kette aus der jeweiligen Struktursynthese stammt. Dadurch wird direkt erkennbar, ob eine Kinematik

  • Händisch erstellt wurde (Spalte 1)
  • aus der Struktursynthese serieller Roboter stammt (Spalte 2)
  • oder als Beinkette einer PKM erzeugt wurde (Spalte 3 und 4). Beinketten für PKM z.B. mit 3T0R FG haben typischerweise mehr Gelenke und FG als die Plattform.
  • Falls eine Modellvariante gebildet wurde, indem Drehgelenke zu Kugelgelenke zusammengefasst wurden, ist dies in Spalte 5 eingetragen.

Liste der Roboterparameter für ein Robotermodell (models.csv)

Die Datei mdl_xdof/SxRRRRRRyyyyy/models.csv enthält mögliche Roboterparameter für das entsprechende Robotermodell. Dabei ist

• die Bezeichnung des Modells wie oben,
• y die laufende Nummer des Robotermodells.

Die Tabelle enthält Zahlenwerte für die einzelnen MDH-Parameter.

Matlab-Datei mit Modellübersicht

Die csv-Dateien enhalten alle Informationen der Roboterbibliothek. Die Daten werden zusätzlich in komprimierter Form gespeichert. In mdl_xdof/Sx_list.mat liegen die gleichen Daten wie in den csv-Tabellen zur einfacheren Verarbeitung in Matlab.

Ordner mit Ergebnissen der Struktursynthese

Im Ordner synthesis_result_lists sind alle Ergebnisse der Struktursynthese serieller Ketten als Text-Dateien abgelegt. Die Ergebnisse einer Struktursynthese mit bestimmten Einstellungen werden jeweils in einer eigenen Datei abgelegt. Die Dateien werden im Skript write_structsynth_origin.m dafür benutzt, die Herkunft der Modelle in der Datenbank einzutragen.

Kinematik- und Dynamikfunktionen

Ordner "hd"

Die Modelle für Kinematik und Dynamik, die den Kern dieser Sammlung darstellt, sind in den jeweiligen Modellordnern mdl_xdof/SxRRRRRRyyyyy im Unterordner hd (Abkürzung für "HybrDyn") als Matlab-Funktionen abgelegt. Die Bedeutung der Funktionsnamen ist in der README von HybrDyn dargestellt. Es werden Abkürzungen für Funktionsart, Art der Herleitung und verwendete Parameter verwendet. Im Ordner hd sind nur Funktionsdateien mit spezifischer symbolischer Berechnung für das System abgelegt.

Ordner "tpl"

Einige Funktionen werden aus Vorlagen-Dateien generiert und im Ordner tpl (Abkürzung für "Templates") gespeichert. Diese Struktur ermöglicht eine Neu-Generierung der Vorlagen-Funktionen ohne Abspeichern einer neuen Version in Git. Die Vorlagen-Funktionen sind notwendig, um die Funktionen als mex-Datei kompilieren zu können.

Benutzerspezifische Vorlagen-Funktionen

Die Vorlagen-Funktionen werden im Ordner template_functions abgelegt. Hier können auch benutzerspezifische Funktionen eingefügt werden, die dann für den jeweiligen Roboter erstellt werden. Damit ist es möglich, kompilierbare Funktionen für alle Roboter aus der Modelldatenbank zu erzeugen. Vorlagen-Funktionen müssen das Präfix "robot_" und die Endung ".m.template" haben. Informationen zu den Ersetzungsausdrücken sind in den vorhandenen Vorlagen aus dem HybrDyn-Repo (Ordner robot_codegen_scripts/templates_num) und der für jeden Roboter erstellten Liste codeexport/SxRRPRy/matlabfcn/SxRRPRy_matlab_code_substitution_expressions.md zu entnehmen.

Simulink-Modelle

Zusätzlich werden im Ordner hd auch Simulink-Bibliotheken abgelegt (mdl-Format, beginnend mit dem Präfix "lib"). Die Simulink-Bibliotheken können für Simulationen oder auch direkt für Regler auf Echtzeitsystemen verwendet werden.

CAD-Modelle

Zu den Parametrierten Robotermodellen können in der Datenbank auch CAD-Modelle abgelegt werden. Diese können dann mit Hilfe der Matlab-Klasse SerRob zur Visualisierung verwendet werden. Die CAD-Modelle werden im Unterordner CAD_Robotername von mdl_xdof/Typbezeichnung abgelegt.
In jedem CAD-Ordner liegen die CAD-Modelle der einzelnen Roboterkörper im STL-Format (binär, nicht ASCI) und eine Initialisierungsdatei Robotername_init_CAD.m. Dort werden z.B. die Koordinatentransformationen zwischen den Körper-Koordinatensystemen und dem Ursprung und der Ausrichtung in den STL-Dateien definiert.
Da nur die Datei Robotername_init_CAD.m entscheidend ist, werden die CAD-Modelle im ursprünglichen Repo nicht mit eingecheckt (damit das Repo nicht zu groß wird und keine Lizenzprobleme auftreten).

Tests

Im Ordner examples_tests befinden sich Testskripte, mit denen sich die Funktionen aus dieser Bibliothek ausführen lassen.

Weitere Beispiele befinden sich im Robotik-Repo für die Roboterklasse SerRob unter Benutzung der Modelle aus dieser Toolbox.

Quellen

• [Ramirez2018] Ramirez, D.: Automatic Generation of Task-specific Mechanisms using Combined Structural and Dimensional Synthesis, Dissertation, Uni Hannover (2018)
• [KhalilKle1986] Khalil, W. and Kleinfinger, J.-F.: "A new geometric notation for open and closed-loop robots" (1986)