4自由度机械臂正逆解公式推导与代码实现

2023-05-16

视频链接: 四自由度机械臂逆解抓取(含代码)_哔哩哔哩_bilibili

 

 

 

 

代码

import math

P = 7.5
A1 = 12.1
A2 = 8.2
A3 = 8.2
A4 = 18.5
MAX_LEN = A2+A3+A4
MAX_HIGH = A1+A2+A3+A4

def cos(degree):
    return math.cos(math.radians(degree))

def sin(degree):
    return math.sin(math.radians(degree))


def atan2(v1,v2):
    rad=math.atan2(v1,v2)
    return math.degrees(rad)


def _j_degree_convert(joint,j_or_deg):
    # 将j1-j4和机械臂的角度表达互换
    if joint == 1:
        res = j_or_deg
    elif joint == 2 or joint == 3 or joint == 4:
        res = 90-j_or_deg
    else:
        # 只适用于1-4关节
        raise ValueError
    return res

def _valid_degree(joint,degree):
    if 0 <= degree <= 180:
        return True

    else:
        print('joint {} is invalid degree {}'.format(joint,degree))
        return False



def _valid_j(joint,j):
    if j is None:
        return False
    degree = _j_degree_convert(joint,j)
    if 0 <= degree <= 180:
        return True
    else:
        print('joint {} is invalid j:{} degree {}'.format(joint,j,degree))
        return False

def _out_of_range(lengh,height):
    if height>MAX_HIGH:
        print('高度 {} 超过界限 {}'.format(height,MAX_HIGH))
        return True
    if lengh > MAX_LEN:
        print('投影长度 {} 超过界限 {}'.format(lengh,MAX_LEN))
        return True
    return False


def _calculate_j1(x,y,z):
    length=round(math.sqrt(pow((y+P),2)+pow(x,2)),2)

    if length ==0:
        j1=0 #可以是任意数
    else:
        j1=atan2((y+P),x)
    hight = z
    return j1,length,hight

def _calculate_j3(L, H):
    cos3 = (L**2 + H**2 - A2**2 - A3**2)/(2*A2*A3)
    # cos3=(pow(L,2)+pow(H,2))-(pow(A2,2)+pow(A3,2)/2*A2*A3)
    if (cos3**2>1):
        return None
    sin3=math.sqrt(1-cos3**2)
    j3=atan2(sin3,cos3)
    return j3


def _calculate_j2(L, H, j3):
    K1 = A2 + A3*cos(j3)
    K2 = A3*sin(j3)
    w = atan2(K2,K1)
    j2 = atan2(L,H)-w
    return j2

def _calculate_j4(j2, j3, alpha):
    j4 = alpha - j2 - j3
    return j4



def _xyz_alpha_to_j123(x,y,z,alpha):
    valid = False
    j1, j2, j3, j4 = None, None, None, None
    j1, length, height = _calculate_j1(x,y,z)
    if _valid_j(1,j1) and not _out_of_range(length,height):
        L = length - A4 * sin(alpha)
        H = height - A4 * cos(alpha) - A1
        j3 = _calculate_j3(L, H)
        if _valid_j(3,j3):
            j2 = _calculate_j2(L, H, j3)
            if _valid_j(2,j2):
                j4 = _calculate_j4(j2, j3, alpha)
                if _valid_j(4,j4):
                    valid = True
    return valid, j1, j2, j3, j4


def _xyz_to_j123(x,y,z, alpha=180):
    MIN_ALPHA = 90 # j2+j3+j4 min value, 最后一个joint不向后仰
    valid = False
    j1, j2, j3, j4 = None, None, None, None
    while alpha >= MIN_ALPHA and not valid:
        valid, j1, j2, j3, j4 = _xyz_alpha_to_j123(x,y,z,alpha)
        if not valid:
            alpha -= 1
    return valid, j1, j2, j3, j4



def backward_kinematics(x, y, z, alpha=180):
    x=float(x)
    y=float(y)
    z=float(z)
    print('x:{} y:{} z:{} alpha:{}'.format(x,y,z,alpha))

    if z<0:
        print('z 不能小于0')
        raise ValueError
    if y<0:
        print('y 不能小于0')
        raise ValueError


    valid, j1, j2, j3, j4 = _xyz_to_j123(x,y,z, alpha)
    deg1, deg2, deg3, deg4 = None, None, None, None
    if valid:
        deg1 = round(_j_degree_convert(1,j1),2)
        deg2 = round(_j_degree_convert(2,j2),2)
        deg3 = round(_j_degree_convert(3,j3),2)
        deg4 = round(_j_degree_convert(4,j4),2)

    print('valid:{},deg1:{},deg2:{},deg3:{},deg4:{}'.format(valid,deg1,deg2,deg3,deg4))
    print('{} [{},{},{},{}]'.format(valid,deg1,deg2,deg3,deg4))

    return valid, deg1, deg2, deg3, deg4


def forward_kinematics(deg1,deg2,deg3,deg4):
    valid = False
    if not _valid_degree(1,deg1) or not _valid_degree(2,deg2) or not _valid_degree(3,deg3) or not _valid_degree(4,deg4):
        return valid,None,None,None
    j1=_j_degree_convert(1,deg1)
    j2=_j_degree_convert(2,deg2)
    j3=_j_degree_convert(3,deg3)
    j4=_j_degree_convert(4,deg4)
    length = A2*sin(j2) + A3*sin(j2+j3) + A4*sin(j2+j3+j4)
    height = A1 + A2*cos(j2) + A3*cos(j2+j3) + A4*cos(j2+j3+j4)
    alpha = j2+j3+j4

    z = round(height,2)
    x = round(length*cos(j1))
    y = round(length*sin(j1)-P)


    # 世界坐标的边界
    if 0<=y and z>=0:
        valid = True

    print('valid:{},x:{},y:{},z:{},lenghth:{},height:{},alpha:{}'.format(valid,x,y,z,round(length,2),round(height,2),alpha))

    return valid,x,y,z



def test_ok(x,y,z):
    valid, deg1, deg2, deg3, deg4=backward_kinematics(x, y, z,alpha=180)
    if valid:
        valid,x1,y1,z1=forward_kinematics(deg1,deg2,deg3,deg4)
        if abs(x1-x)>0.5 or abs(y1-y)>0.5 or abs(z1-z)>0.5:
            print('err')
        else:
            print('ok')


if __name__ == '__main__':
    x = 0
    y = 20
    z = 5
    test_ok(x,y,z)
    print('done')

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