VRML Preparation for Robot Simulation

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Base ExampleCommandModel.png Tutorial

Tema
Robot Workbench
Nivel
Intermediate
Tiempo para completar
Autor
Versión de FreeCAD
Archivo(s) de ejemplo(s)


The FreeCAD Robot Workbench is unmaintained. Please mention on the FreeCAD forum if you have an interest in maintaining this workbench.


Overview

Este tutorial explica como utilizar FreeCAD y el entorno de simulación de Robots para simular los movimientos de un robot de 6 ejes. El tutorial se centra en la creación de un archivo VRML utilizado como visualización. La base del archivo VRML es el modelo de FreeCAD. La versión de FreeCAD utilizada es 0.11.4252ppa1 en Ubuntu 32bit.

Abrir un archivo o crear uno con FreeCAD

El tutorial está basado en un archivo STEP de un Stäubli TX40 (TX40-HB.stp). Puedes descargar el archivo de https://secure.staubli.com/Intranet_Applications/Robotics/Group/RobDoc.nsf/ea05b3f4b301f597c1256d5f005665e8/bc3707ec036c9f6bc12576c700327958/$FILE/page.html. Sin embargo, aunque aún no he tenido tiempo para comprobarlo, el método debería también aplicarse a un modelo creado completamente en FreeCAD. Después de abrir el archivo deberías tener esto:

Staeubli step import.png

Observa, que en la importación, el robot es creado en 8 formas, directamente en la raíz del árbol del documento. La estructura del archivo VRML exportado debe cambiarse si se utilizan grupos. Las formas están ordenadas desde la base a la herramienta. La última forma contiene los ejes de rotación de todos los ejes del robot. Los nombres de las formas son dados de forma correlativa (de momento, marzo de 2011, FreeCAD no importa los nombres incluidos en los archivos STEP):

FreeCAD name STEP name
TX40_HB HORIZONTAL BASE CABLE OUTLET
TX40_HB001 SHOULDER
TX40_HB002 ARM
TX40_HB003 ELBOW
TX40_HB004 FOREARM
TX40_HB005 WRIST
TX40_HB006 TOOL FLANGE
TX40_HB007 ?

Cambia el “modo de visualización” de cada forma, excepto TX40_HB007, de “líneas planas” a “sombreado” para que la exportación a VRML tenga un buen aspecto. Yo también he cambiado el color a [245, 196, 0] y [204, 204, 204] para corresponderse mejor con el amarillo de Stäubli. Oculta TX40_HB007 porque contiene los ejes de todas las uniones y no puede cogerse aparte.

Medición de características geométricas

Para construir la tabla Denavit-Hartenberg (mira http://www.freecadweb.org/wiki/index.php?title=6-Axis_Robot) y preparar el archivo VRML, necesitas obtener las características del robot. De momento, la herramienta de medición de FreeCAD aún no está disponible, puedes utilizar los ejes incluidos en TX40_HB007 (las coordenadas son indicadas en la parte inferior izquierda cuando apuntas un objeto con el ratón) o tienes que utilizar la consola de Python para obtener algo de información sobre la geometría. Observa que la tabla DH-table sólo es requerida si necesitas utilizar cinemática inversa, por ejemplo obtener las coordenadas cartesianas o conducir el robot con coordenadas cartesianas. La tabla DH-table para este robot es la siguiente (mm, deg y deg/s):

i d θ r α θmin θmax Axis velocity
1 320 q1 0 -90 -180 180 555
2 35 q2 - 90 225 0 -125 125 475
3 0 q3 + 90 0 90 -138 138 585
4 225 q4 0 -90 -270 270 1035
5 0 q5 0 90 -120 133.5 1135
6 65 q6 0 0 -270 270 1575

El archivo CSV es entonces:

 a  , alpha, d  , theta, rotDir, maxAngle, minAngle, AxisVelocity
0  ,   -90, 320,     0,      1,      180,     -180, 555
225,     0,  35,   -90,      1,      125,     -125, 475
0  ,    90,   0,    90,      1,      138,     -138, 585
0  ,   -90, 225,     0,      1,      270,     -270, 1035
0  ,    90,   0,     0,      1,    133.5,     -120, 1135
0  ,     0,  65,     0,      1,      270,     -270, 1575

Exportar a VRML

Exportar el documento a un archivo VRML. La estructura del archivo VRML es la siguiente:

#VRML V2.0 utf8


Group {
  children 
    Group {
      children [ 
        Group {
        …

        },
          
        Group {
        …

        },
          
        Group {
        …

        },
          
        Group {
        …

        },
          
        Group {
        …

        },
          
        Group {
        …

        },
          
        Group {
        …

        },
          
        Group {
        …

        } ]

    }

}

Puedes observar que tenemos 8 grupos independientes correspondientes a las 8 formas.

Preparación del archivo VRML

Todas las formas en el archivo VRML son expresadas en el cuadro base, independientemente de cada otra. Para el entorno de simulación de Robots, necesitamos crear una estructura donde un movimiento de una forma induzca un movimiento de todas las formas situadas después en la estructura. La ubicación de las formas será relativa a la forma precedente, así necesitamos incluir algunas traducciones desde el sistema de referencia absoluto a los relativos. Las traducciones se describen en la siguiente imagen:

Staeubli important points.png

Con

A=(0, 0, 168)
B=(0, 107.8, 320)
C=(0, 104.15, 545)
D=(0, 35, 601)
E=(0, 35, 770)
F=(0, 35, 835)

Cojamos el ejemplo de el eje 4 entre ELBOW y FOREARM, situado en D=(xd, yd, zd). El anclaje para el eje de FreeCAD es

"DEF FREECAD_AXIS4 Transform { rotation 0 1 0 0 children ["

Este corresponde a la rotación alrededor del eje Y. En el modelo de CAD, la rotación es alrededor del eje Z. Así, necesitamos una rotación alrededor del eje X de antes de la definición del eje en FreeCAD y de después de ella. También, se necesita una traslación de (-xd, -yd, -zd) antes de la correspondencia del grupo a la definición de FOREARM para expresarlo centrado en el cuadro de referencia relativa en D. Esto significa que la traslación de (xd, yd, zd) debe insertarse antes de la primera rotación. Al final, el archivo VRML de la definición de ELBOW a la definición de FOREARM se parecerá a esto:

      # ELBOW
      Group {
        … here comes the unmodified definition of ELBOW
  
      },
        
      Transform {
        translation 0 35 601
        rotation 1 0 0 1.5707963
        children
          DEF FREECAD_AXIS4 Transform { rotation 0 1 0 0 children
            Transform {
              rotation 1 0 0 -1.5707963
              children
                Transform {
                  translation 0 -35 -601
                  children [
      # FOREARM  
      Group {
        ... here comes the unmodified definition of FOREARM
  
      },

Al final del documento, deben insertarse los corchetes de cierre apropiados: “ ]}}}},” para cada uno de los 6 ejes. Al final, el documento se parecerá a esto (No sé si puedo vincular el archivo aquí debido al copyright):

]}}}},

for each of the 6 axes. Eventually, the document looks like this (I don't know if I can link the file here because of copyrights):

#VRML V2.0 utf8
  
  
Group {
  children
  Group {
    children [ 
      # HORIZONTAL BASE CABLE OUTLET 
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of HORIZONTAL BASE CABLE OUTLET
   
      },
        
      Transform {
        translation 0 0 168
        rotation 1 0 0 1.5707963
        children
          DEF FREECAD_AXIS1 Transform { rotation 0 1 0 0 children
            Transform {
              rotation 1 0 0 -1.5707963
              children
                Transform {
                  translation 0 0 -168
                  children [
      # SHOULDER
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of SHOULDER 
  
      },
        
      Transform {
        translation 0 107.8 320
        #rotation 0 0 1 0
        children
          DEF FREECAD_AXIS2 Transform { rotation 0 1 0 0 children
            Transform {
              #rotation 0 0 1 0
              children
                Transform {
                  translation 0 -107.8 -320
                  children [
      # ARM  
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of ARM 
  
      },
        
      Transform {
        translation 0 104.15 545
        #rotation 0 0 1 0
        children
          DEF FREECAD_AXIS3 Transform { rotation 0 1 0 0 children
            Transform {
              #rotation 0 0 1 0
              children
                Transform {
                  translation 0 -104.15 -545
                  children [
      # ELBOW
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of ELBOW
  
      },
        
      Transform {
        translation 0 35 601
        rotation 1 0 0 1.5707963
        children
          DEF FREECAD_AXIS4 Transform { rotation 0 1 0 0 children
            Transform {
              rotation 1 0 0 -1.5707963
              children
                Transform {
                  translation 0 -35 -601
                  children [
      # FOREARM  
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of FOREARM
  
      },
        
      Transform {
        translation 0 35 770
        #rotation 0 0 1 0
        children
          DEF FREECAD_AXIS5 Transform { rotation 0 1 0 0 children
            Transform {
              #rotation 0 0 1 0
              children
                Transform {
                  translation 0 -35 -770
                  children [
      # WRIST
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of WRIST
  
      },
        
      Transform {
        translation 0 35 835
        rotation 1 0 0 1.5707963
        children
          DEF FREECAD_AXIS6 Transform { rotation 0 1 0 0 children
            Transform {
              rotation 1 0 0 -1.5707963
              children
                Transform {
                  translation 0 -35 -835
                  children [
      # TOOL FLANGE
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of TOOL FRAME
  
      },
        
      Group {
          ... here comes the unmodified definition of TX40_HB007
  
      } # "]" was deleted from this line
    ]}}}},
    ]}}}},
    ]}}}},
    ]}}}},
    ]}}}},
    ]}}}},
    ] # this is the "]" deleted from the line above
  }
}

Aquí está un parche para conseguir el archivo VRML adecuado para la simulación del robot:

7a8
>         # HORIZONTAL BASE CABLE OUTLET 
95968a95970,95981
>         Transform {
>           translation 0 0 168
>           rotation 1 0 0 1.5707963
>           children
>             DEF FREECAD_AXIS1 Transform { rotation 0 1 0 0 children
>               Transform {
>                 rotation 1 0 0 -1.5707963
>                 children
>                   Transform {
>                     translation 0 0 -168
>                     children [
>         # SHOULDER
128428a128442,128453
>         Transform {
>           translation 0 107.8 320
>           #rotation 0 0 1 0
>           children
>             DEF FREECAD_AXIS2 Transform { rotation 0 1 0 0 children
>               Transform {
>                 #rotation 0 0 1 0
>                 children
>                   Transform {
>                     translation 0 -107.8 -320
>                     children [
>         # ARM  
206503a206529,206540
>         Transform {
>           translation 0 104.15 545
>           #rotation 0 0 1 0
>           children
>             DEF FREECAD_AXIS3 Transform { rotation 0 1 0 0 children
>               Transform {
>                 #rotation 0 0 1 0
>                 children
>                   Transform {
>                     translation 0 -104.15 -545
>                     children [
>         # ELBOW
267111a267149,267160
>         Transform {
>           translation 0 35 601
>           rotation 1 0 0 1.5707963
>           children
>             DEF FREECAD_AXIS4 Transform { rotation 0 1 0 0 children
>               Transform {
>                 rotation 1 0 0 -1.5707963
>                 children
>                   Transform {
>                     translation 0 -35 -601
>                     children [
>         # FOREARM  
417854a417904,417915
>         Transform {
>           translation 0 35 770
>           #rotation 0 0 1 0
>           children
>             DEF FREECAD_AXIS5 Transform { rotation 0 1 0 0 children
>               Transform {
>                 #rotation 0 0 1 0
>                 children
>                   Transform {
>                     translation 0 -35 -770
>                     children [
>         # WRIST
422053a422115,422126
>         Transform {
>           translation 0 35 835
>           rotation 1 0 0 1.5707963
>           children
>             DEF FREECAD_AXIS6 Transform { rotation 0 1 0 0 children
>               Transform {
>                 rotation 1 0 0 -1.5707963
>                 children
>                   Transform {
>                     translation 0 -35 -835
>                     children [
>         # TOOL FLANGE
435627c435700,435707
<         } ]
---
>         } 
>       ]}}}},
>       ]}}}},
>       ]}}}},
>       ]}}}},
>       ]}}}},
>       ]}}}},
>       ]