机器人建模、运动学与动力学仿真分析（importrobot，loadrobot，smimport）

机器人建模、运动学与动力学仿真分析是机器人设计和开发过程中的关键步骤。

一、机器人建模

机器人建模是描述机器人物理结构和运动特性的过程。其中，URDF（Unified Robot Description Format）是一种常用的机器人模型描述方法。通过URDF，可以定义机器人的连杆（links）、关节（joints）、惯性（inertia）、视觉和碰撞属性等。

1. importrobot
   • 功能：importrobot函数用于从URDF（Unified Robot Description Format）文件中导入机器人模型。URDF是一种XML格式，用于描述机器人的关节、连杆、碰撞和视觉属性等。
   • 使用方式：通过向importrobot函数提供URDF文件的路径，可以创建一个rigidBodyTree对象，该对象包含了机器人的所有物理特性和运动学特性。
   • 示例代码：robot = importrobot('myRobot.urdf');
2. loadrobot
   • 功能：loadrobot函数用于加载预定义的机器人模型。这些模型可能是MATLAB Robotics System Toolbox中已经内置的，或者是用户通过其他方式定义的。
   • 使用方式：通过向loadrobot函数提供一个字符串参数（表示机器人模型的名称），可以直接加载该模型为一个rigidBodyTree对象。
   • 示例代码：robot = loadrobot('universalUR10'); // 加载Universal Robots UR10机器人模型
   • 特点：loadrobot函数提供了一种快速访问常见机器人模型的方法，无需手动编写或导入URDF文件。
3. smimport
   • 功能：smimport函数通常用于导入CAD（计算机辅助设计）文件或其他3D模型文件到Simscape Multibody环境中。Simscape Multibody是MATLAB的一个模块，用于构建和仿真多体系统（如机械系统）。
   • 使用方式：smimport函数支持多种CAD文件格式（如STL、STEP、IGES等），允许用户将CAD模型导入Simscape Multibody环境中进行进一步的处理和仿真。
   • 特点：虽然smimport函数可以用于导入机器人模型，但它通常更多地用于导入更一般的3D模型。与importrobot和loadrobot不同，smimport不直接创建rigidBodyTree对象，而是将模型导入到Simscape Multibody环境中，以便进行更高级的动力学和运动学仿真。

• importrobot：从URDF文件中导入机器人模型，创建rigidBodyTree对象。
• loadrobot：快速加载预定义的机器人模型为rigidBodyTree对象。
• smimport：将CAD或其他3D模型文件导入Simscape Multibody环境，通常不直接创建rigidBodyTree对象，而是用于更复杂的动力学和运动学仿真。

在MATLAB中，可以使用importrobot函数来读取URDF文件并创建机器人模型。

在MATLAB中，使用loadrobot函数加载机器人模型并将其表示为rigidBodyTree对象后，您可以进一步将这个模型转换为Simscape Multibody模型，以便在Simulink环境中进行更复杂的动力学仿真。

robot = importrobot('universalUR5e.urdf');
show(robot)


robot = loadrobot("universalUR5e",DataFormat="column");
robotSM = smimport(robot,ModelName="ManipulatorTrajectoryPlanning_Subsystem");
model = get_param(robotSM,"Name");

% 导入UR5e机器人模型
    robot = loadrobot("universalUR5e", "DataFormat", "row", "Gravity", [0 0 -9.81]);
    show (robot)
    % DH参数
    a = [0.00000, -0.42500, -0.39225, 0.00000, 0.00000, 0.0000];
    d = [0.089159, 0.00000, 0.00000, 0.10915, 0.09465, 0.0823];
    alpha = [1.570796327, 0, 0, 1.570796327, -1.570796327, 0];
    q_home_offset = [0, -1.570796327, 0, -1.570796327, 0, 0];
    joint_direction = [-1, -1, 1, 1, 1, 1];
    mass = [3.7000, 8.3930, 2.2750, 1.2190, 1.2190, 0.1879];
    center_of_mass = [[0, -0.02561, 0.00193]; [0.2125, 0, 0.11336]; [0.11993, 0.0, 0.0265]; [0, -0.0018, 0.01634]; [0, 0.0018, 0.01634]; [0, 0, -0.001159]];

下面是机器人的六个连杆：

1. 基座关节（Base Joint）与连杆：
   • 通常命名为“基座”或“Base Link”，它是机器人的起点，支撑着整个机械臂结构。
2. 肩部关节（Shoulder Joint）与连杆：
   • 肩部关节允许机器人手臂在水平面内进行旋转。
   • 对应的连杆可以称为“肩部连杆”或“Shoulder Link”，它连接着基座和肘部关节。
3. 肘部关节（Elbow Joint）与连杆：
   • 肘部关节使机器人手臂能够在垂直平面内弯曲或伸展。
   • 对应的连杆称为“肘部连杆”或“Elbow Link”，它连接着肩部连杆和腕部关节。
4. 腕部关节（Wrist Joints）与连杆：
   • UR5e机器人的腕部通常包含三个关节，分别负责俯仰（Pitch）、偏转（Yaw）和滚动（Roll）运动。
   • 这三个关节对应的连杆可以分别命名为“俯仰连杆”、“偏转连杆”和“滚动连杆”，或者简化为“Wrist Pitch Link”、“Wrist Yaw Link”和“Wrist Roll Link”。这些连杆连接着手臂末端和手部执行器。
5. 手部执行器（Hand/End Effector）：
   • 虽然手部执行器本身不是一个关节或连杆，但它是机器人手臂的末端部分，用于执行抓取、操作等任务。

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加载模型后，可以使用MATLAB的机器人工具箱（Robotics Toolbox）进行进一步的分析和仿真。

二、机器人运动学

机器人运动学是研究机器人各部分之间的相对运动、速度和加速度的学科。它分为正向运动学和逆向运动学两部分。

1. 正向运动学：给定机器人各关节的变量（如关节角度或位移），计算机器人末端执行器（如机械臂的末端）的位置和姿态。正向运动学的解通常是唯一且容易获得的。
2. 逆向运动学：已知机器人末端执行器的期望位置和姿态，求解对应的关节变量。逆向运动学问题往往有多个解，且求解过程更为复杂。

在MATLAB中，可以使用机器人工具箱中的函数（如fkine和ikine）进行正向和逆向运动学分析。

三、动力学仿真分析

动力学仿真分析是评估机器人系统动力学响应、优化设计参数和提高运动精度和效率的关键步骤。它涉及到对机器人系统力学特性的建模和仿真，包括质量、惯性、运动学关系和外部施加力等。

在MATLAB中，可以使用Simulink和MATLAB/Simulink Robotics System Toolbox进行动力学仿真分析。这些工具提供了丰富的库函数和工具箱，可用于机器人运动学和动力学建模、仿真和控制。

仿真分析的步骤通常包括：

1. 建立机器人的动力学模型：根据机器人的结构和任务要求，选择合适的动力学模型，并使用数学方程进行建模。
2. 确定仿真参数：设置仿真的时间步长、仿真时长、初始条件等参数，以及机器人的质量、惯性、关节摩擦等参数。
3. 进行仿真运行：根据建立的动力学模型和设定的仿真参数，进行仿真运行。仿真运行可以得到机器人系统在不同时刻的位姿、速度、加速度等信息。
4. 分析仿真结果：对仿真结果进行分析，评估机器人的动力学性能，如稳定性、精度和效率等。

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