使用Python结合CoppeliaSim API来实现对UR5机械臂末端轨迹记录

以下是一个使用Python结合CoppeliaSim API来实现对UR5机械臂末端轨迹记录，同时保证机械臂末端坐标系始终竖直向下，并允许更改初始点和终点的示例代码。

实现思路

1. 连接CoppeliaSim：使用sim.py和simConst.py文件提供的API连接到CoppeliaSim仿真环境。
2. 获取机械臂和末端执行器的句柄：通过名称获取UR5机械臂和末端执行器的句柄。
3. 设置初始点和终点：根据需求设置机械臂末端的初始点和终点。
4. 规划路径：确保机械臂末端在运动过程中始终保持竖直向下。
5. 记录轨迹：在机械臂运动过程中，记录末端执行器的位置。

代码示例

import sim
import numpy as np
import time

# 连接到CoppeliaSim
def connect_to_simulator():
    sim.simxFinish(-1)  # 关闭所有先前的连接
    clientID = sim.simxStart('127.0.0.1', 19997, True, True, 5000, 5)
    if clientID != -1:
        print('Connected to CoppeliaSim simulator')
    else:
        print('Failed to connect to the simulator')
    return clientID

# 获取机械臂和末端执行器的句柄
def get_handles(clientID):
    _, ur5_joint_handles = sim.simxGetObjectGroupData(clientID, sim.sim_appobj_joint_type, 1, sim.simx_opmode_blocking)
    _, end_effector_handle = sim.simxGetObjectHandle(clientID, 'UR5_connection', sim.simx_opmode_blocking)
    return ur5_joint_handles, end_effector_handle

# 设置关节角度
def set_joint_angles(clientID, joint_handles, joint_angles):
    for i in range(len(joint_handles)):
        sim.simxSetJointTargetPosition(clientID, joint_handles[i], joint_angles[i], sim.simx_opmode_oneshot)

# 逆运动学求解
def inverse_kinematics(clientID, end_effector_handle, target_position):
    # 这里简单假设已经有逆运动学求解函数
    # 实际应用中需要使用更复杂的逆运动学算法
    _, current_position = sim.simxGetObjectPosition(clientID, end_effector_handle, -1, sim.simx_opmode_blocking)
    _, current_orientation = sim.simxGetObjectOrientation(clientID, end_effector_handle, -1, sim.simx_opmode_blocking)
    # 保持末端坐标系始终竖直向下
    target_orientation = [0, np.pi, 0]
    # 调用逆运动学求解函数
    # 这里只是示例，实际需要替换为真实的逆运动学求解代码
    joint_angles = [0, 0, 0, 0, 0, 0]
    return joint_angles

# 规划路径并记录轨迹
def plan_path_and_record(clientID, joint_handles, end_effector_handle, start_point, end_point):
    trajectory = []
    num_steps = 10  # 路径步数
    for step in range(num_steps + 1):
        # 线性插值计算当前目标点
        current_point = [start_point[i] + (end_point[i] - start_point[i]) * step / num_steps for i in range(3)]
        # 逆运动学求解关节角度
        joint_angles = inverse_kinematics(clientID, end_effector_handle, current_point)
        # 设置关节角度
        set_joint_angles(clientID, joint_handles, joint_angles)
        time.sleep(0.1)  # 等待机械臂运动到指定位置
        # 获取末端执行器的当前位置
        _, current_position = sim.simxGetObjectPosition(clientID, end_effector_handle, -1, sim.simx_opmode_blocking)
        trajectory.append(current_position)
    return trajectory

# 主函数
def main():
    clientID = connect_to_simulator()
    if clientID == -1:
        return
    joint_handles, end_effector_handle = get_handles(clientID)

    # 设置初始点和终点
    start_point = [0.5, 0.2, 0.2]
    end_point = [0.5, -0.2, 0.2]

    # 规划路径并记录轨迹
    trajectory = plan_path_and_record(clientID, joint_handles, end_effector_handle, start_point, end_point)

    # 打印轨迹
    print("Recorded trajectory:")
    for point in trajectory:
        print(point)

    # 关闭连接
    sim.simxFinish(clientID)

if __name__ == "__main__":
    main()

代码说明

1. connect_to_simulator函数：用于连接到CoppeliaSim仿真环境。
2. get_handles函数：获取UR5机械臂关节和末端执行器的句柄。
3. set_joint_angles函数：设置机械臂关节的目标角度。
4. inverse_kinematics函数：根据目标位置和保持末端坐标系竖直向下的要求，求解机械臂的关节角度。这里只是一个示例，实际应用中需要使用更复杂的逆运动学算法。
5. plan_path_and_record函数：规划机械臂从初始点到终点的路径，并记录末端执行器的轨迹。
6. main函数：主函数，调用上述函数完成连接、设置初始点和终点、规划路径和记录轨迹的操作。

注意事项

• 代码中的逆运动学求解部分只是一个示例，实际应用中需要使用更复杂的逆运动学算法，例如使用ikpy库进行求解。
• 确保CoppeliaSim仿真环境已经启动，并且UR5机械臂模型已经加载。
• 可以根据需要调整路径步数num_steps和时间间隔time.sleep(0.1)。