python机器人编程——一种3D骨架动画逆解算法的启示（上）

目录

  • 一、前言
  • 二、fabrik 算法
  • 三、python实现
  • 结论
  • PS.扩展阅读
    • ps1.六自由度机器人相关文章资源
    • ps2.四轴机器相关文章资源
    • ps3.移动小车相关文章资源
    • ps3.wifi小车控制相关文章资源

一、前言

我们用blender等3D动画软件时，会用到骨骼的动画，通过逆向IK动力学，可以实现控制少量点，就能控制一个复杂的骨架运动。这种IK动力学几乎是实时的，非常的高效。这种IK动力学算法的代表是fabrik 算法，该算法应被用于UE虚幻引擎、Unity等3D软件中。大至效果是，可以实现骨架的目标跟随，而且几乎是“实时”的：
在这里插入图片描述
这种感觉，不就是机械臂的虚拟拖拽吗？是否可以给机械臂的逆解，或者是虚拟化示教带来一些启发，是一个有意思的应用。本篇先来初步研究一下fabrik 算法。

二、fabrik 算法

该算法在文章 FABRIK: A fast, iterative solver for the Inverse Kinematics problem中有详细说明，FABRIK算法是一种用于解决逆运动学问题的启发式方法。它通过迭代地调整关节链，使末端执行器逐渐接近目标位置。与传统方法相比，FABRIK算法不需要使用旋转角度或矩阵，而是通过在线段上定位点来找到每个关节的位置，这使得它在计算上更加高效，并且能够产生视觉上现实的关节姿势。
在这里插入图片描述

三、python实现

网上已经有很多实现的python算法，这里，主要是利用实现的3D算法，实现在matplot中的IK，即，任意点击3D坐标点，实现IK，骨架的末端移动到目标点，就像开始的blender一样。
在这里插入图片描述
首先，我们需要导入一些必要的Python库，包括NumPy、Math、Matplotlib等，用于数学运算和图形绘制。

import numpy as np
import math
import matplotlib as mpl
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import axes3d
import re

单位向量函数
定义了一个函数 unitVector，它接受一个向量作为输入，并返回该向量的单位向量。

def unitVector(vector):return vector / np.linalg.norm(vector)

Segment3D 类用于存储逆运动学链的一部分。它接受参考点坐标、段长度和初始角度作为参数，并计算出该段的新坐标。

class Segment3D:def __init__(self, referenceX, referenceY, referenceZ, length, zAngle, yAngle):self.zAngle = zAngleself.yAngle = yAngleself.length = lengthdeltaX = math.cos(math.radians(zAngle)) * lengthdeltaY = math.sin(math.radians(zAngle)) * lengthdeltaZ = math.sin(math.radians(yAngle)) * lengthnewX = referenceX + deltaXnewY = referenceY + deltaYnewZ = referenceZ + deltaZself.point = np.array([newX, newY, newZ])

FabrikSolver3D 类是FABRIK算法的核心，它初始化了一个3D逆运动学求解器，并提供了添加段、检查可达性、迭代求解和绘图等功能。

        
class FabrikSolver3D:""" An inverse kinematics solver in 3D. Uses the Fabrik Algorithm."""def __init__(self, baseX=0, baseY=0, baseZ=0,  marginOfError=0.01):# Create the base of the chain.self.basePoint = np.array([baseX, baseY, baseZ])# Initialize empty segment array -> [].self.segments = []# Initialize length of the chain -> 0.self.armLength = 0# Initialize the margin of error.self.marginOfError = marginOfErrorself.targetpoint=Noneself.fig = plt.figure()self.ax1 = self.fig.add_subplot(111, projection="3d")self.mousep=Nonedef addSegment(self, length, zAngle, yAngle):if len(self.segments) > 0:segment = Segment3D(self.segments[-1].point[0], self.segments[-1].point[1], self.segments[-1].point[2], length, zAngle + self.segments[-1].zAngle, self.segments[-1].yAngle + yAngle)else:# Maak een segment van de vector beginpoint, lengte en hoek.segment = Segment3D(self.basePoint[0], self.basePoint[1], self.basePoint[2], length, zAngle, yAngle)# Voeg lengte toe aan de totale armlengte.self.armLength += segment.length# Voeg de nieuwe segment toe aan de list.self.segments.append(segment)def isReachable(self, targetX, targetY, targetZ):if np.linalg.norm(self.basePoint - np.array([targetX, targetY, targetZ])) < self.armLength:return Truereturn Falsedef inMarginOfError(self, targetX, targetY, targetZ):if np.linalg.norm(self.segments[-1].point - np.array([targetX, targetY, targetZ])) < self.marginOfError:return Truereturn False     def iterate(self, targetX, targetY, targetZ):target = np.array([targetX, targetY, targetZ])# Backwards.for i in range(len(self.segments) - 1, 0, -1):if i == len(self.segments) - 1:self.segments[i-1].point = (unitVector(self.segments[i-1].point - target) * self.segments[i].length) + targetelse:self.segments[i-1].point = (unitVector(self.segments[i-1].point - self.segments[i].point) * self.segments[i].length) + self.segments[i].point# Forwards.for i in range(len(self.segments)):if i == 0:self.segments[i].point = (unitVector(self.segments[i].point - self.basePoint) * self.segments[i].length) + self.basePointelif i == len(self.segments) - 1:self.segments[i].point = (unitVector(self.segments[i-1].point - target) * self.segments[i].length * -1) + self.segments[i-1].pointelse:self.segments[i].point = (unitVector(self.segments[i].point - self.segments[i-1].point) * self.segments[i].length) + self.segments[i-1].pointdef compute(self, targetX, targetY, targetZ):if self.isReachable(targetX, targetY, targetZ):while not self.inMarginOfError(targetX, targetY, targetZ):self.iterate(targetX, targetY, targetZ)   self.targetpoint=[targetX, targetY, targetZ]else:print('Target not reachable.')sys.exit()def plot(self, save=False, name="graph"):self.ax1.clear()  # 清除当前轴ax1=self.ax1# Plot arm.for i, segment in enumerate(self.segments):#ax1.scatter(segment.point[2], segment.point[0], segment.point[1], c='b')ax1.scatter(segment.point[0], segment.point[1], segment.point[2], c='b')if i > 0:  # Connect to the previous segmentax1.plot([self.segments[i-1].point[0], segment.point[0]],[self.segments[i-1].point[1], segment.point[1]],[self.segments[i-1].point[2], segment.point[2]], 'b-')"""ax1.plot([self.segments[i-1].point[2], segment.point[2]],[self.segments[i-1].point[0], segment.point[0]],[self.segments[i-1].point[1], segment.point[1]], 'b-')"""# Connect the last segment to the base point"""ax1.plot([self.basePoint[2], self.segments[0].point[2]],[self.basePoint[0], self.segments[0].point[0]],[self.basePoint[1], self.segments[0].point[1]], 'b-')"""ax1.plot([self.basePoint[0], self.segments[0].point[0]],[self.basePoint[1], self.segments[0].point[1]],[self.basePoint[2], self.segments[0].point[2]], 'b-')# Start point#ax1.scatter(self.basePoint[2], self.basePoint[0], self.basePoint[1], c='g')ax1.scatter(self.basePoint[0], self.basePoint[1], self.basePoint[2], c='g')ax1.scatter(self.targetpoint[0],self.targetpoint[1],self.targetpoint[2], c='r',alpha=0.6, s=100)ax1.set_ylabel('y-axis')ax1.set_zlabel('z-axis')ax1.set_xlabel('x-axis')# Set the view angle so that the z-axis is pointing upwardsax1.view_init(elev=45., azim=45.)plt.pause(0.01)def extract_coordinates(self,s):# 使用正则表达式匹配x, y, z的值# 注意：负号前面加上了反斜杠进行转义# 使用正则表达式提取实数值，包括负号pattern = r'−?\d+\.\d+'matches = re.findall(pattern, s)values = [float(match.replace('−', '-')) for match in matches]x, y, z=values return x, y, zdef show(self):self.plot()self.fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', self.on_click)  # 连接点击事件self.fig.canvas.mpl_connect('motion_notify_event', self.on_motion) plt.show()def on_motion(self,event):if event.inaxes is not None:x, y = event.xdata, event.ydatasting = self.ax1.format_coord(x, y)              x,y,z=self.extract_coordinates(sting)#print(x,y,z) self.mousep=(x,y,z)def on_click(self, event):# 检查点击事件是否在坐标轴内if event.inaxes is not None:print(f'Clicked on axis {event.inaxes}')# 触发你的函数print(self.mousep)if not type(self.mousep) == type(None):           x,y,z=self.mousepprint("compute")self.compute(x, y, z)self.plot()# 获取点击的坐标值#self.compute(x, y, z)# 重绘图形#

可以通过如下步骤实现逆解：

  • 添加关节段：通过addSegment方法，我们可以为机械臂添加多个关节段，每个关节段都有自己的长度和初始角度。

  • 检查可达性：isReachable方法检查目标位置是否在机械臂的可达范围内。

  • 迭代计算：iterate方法执行一次FABRIK算法迭代，调整关节位置以接近目标。

  • 绘图显示：plot方法用于在3D空间中绘制机械臂的当前状态，show方法则显示最终的图形界面，并允许用户通过点击来选择目标位置。

  • 事件处理：on_click和on_motion方法用于处理用户的点击和鼠标移动事件，以便动态地调整目标位置。

        if __name__ == "__main__":        arm = FabrikSolver3D()    arm.addSegment(0, 0, 0)arm.addSegment(50, 0, 0)arm.addSegment(50, 0, 0)arm.addSegment(50, 0, 0)arm.addSegment(50, 0, 0)arm.compute(50, 50, 100)    arm.show()

在这里插入图片描述

结论

通过这个Python实现，我们可以看到FABRIK算法在解决3D逆运动学问题中的强大能力。它不仅能够快速找到解决方案，还能够实时响应用户的交互，这在模拟和实际应用中都是非常有价值的。接下来我们尝试丰富这个算法，在各关节添加约束，并应用到6轴机械臂的IK计算中，看看能否获得预期效果。

[------------本篇完-------------]

PS.扩展阅读

————————————————————————————————————————

对于python机器人编程感兴趣的小伙伴，可以进入如下链接阅读相关咨询

ps1.六自由度机器人相关文章资源

(1) 对六自由度机械臂的运动控制及python实现（附源码)
在这里插入图片描述

(2) N轴机械臂的MDH正向建模，及python算法
在这里插入图片描述

ps2.四轴机器相关文章资源

(1) 文章：python机器人编程——用python实现一个写字机器人
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

（2）python机器人实战——0到1创建一个自动是色块机器人项目-CSDN直播

(3)博文《我从0开始搭建了一个色块自动抓取机器人，并实现了大模型的接入和语音控制-(上基础篇)》的vrep基础环境
(3)博文《我从0开始搭建了一个色块自动抓取机器人，并实现了大模型的接入和语音控制-(上基础篇)》的vrep基础环境
(4)实现了语音输入+大模型指令解析+机器视觉+机械臂流程打通
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

ps3.移动小车相关文章资源

（1）python做了一个极简的栅格地图行走机器人，到底能干啥？[第五弹]——解锁蒙特卡洛定位功能-CSDN博客
(2) 对应python资源：源码地址
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

(3)python机器人编程——差速AGV机器、基于视觉和预测控制的循迹、自动行驶（上篇）_agv编程-CSDN博客
(4)python机器人编程——差速AGV机器、基于视觉和预测控制的循迹、自动行驶（下篇）_agv路线规划原则python-CSDN博客
对应python及仿真环境资源：源码链接
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

ps3.wifi小车控制相关文章资源

web端配套资源源代码已经上传(竖屏版)，下载地址
仿真配套资源已经上传：下载地址
web端配套资源源代码已经上传(横屏版)，下载地址

在这里插入代码片

本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处：http://www.mzph.cn/pingmian/58205.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com，一经查实，立即删除！

相关文章

大数据之VIP（Virtual IP，虚拟IP）负载均衡

大数据之VIP（Virtual IP，虚拟IP）负载均衡

VIP&#xff08;Virtual IP&#xff0c;虚拟IP&#xff09;负载均衡是一种在计算机网络中常用的技术&#xff0c;用于将网络请求流量均匀地分散到多个服务器上&#xff0c;以提高系统的可扩展性、可靠性和性能。以下是对VIP负载均衡的详细解释&#xff1a; 一、VIP负载均衡的基…
阅读更多...
想要音频里的人声，怎么把音频里的人声和音乐分开？

想要音频里的人声，怎么把音频里的人声和音乐分开？

在音频处理领域&#xff0c;将音频中的人声和音乐分开是一个常见需求&#xff0c;尤其对于音乐制作、影视后期以及个人娱乐应用来说&#xff0c;这种分离技术显得尤为重要。随着科技的发展&#xff0c;现在已经有多种方法可以实现这一目的。 一、使用专业音频处理软件 市面上有…
阅读更多...
动态规划 —— 路径问题-不同路径 ||

动态规划 —— 路径问题-不同路径 ||

1. 不同路径 || 题目链接&#xff1a; 63. 不同路径 II - 力扣&#xff08;LeetCode&#xff09;https://leetcode.cn/problems/unique-paths-ii/description/ 2. 算法原理 状态表示&#xff1a;以莫一个位置位置为结尾 dp[i]表示&#xff1a;以[i&#xff0c;j]位置为结尾时…
阅读更多...
Telephony IMS

Telephony IMS

1、IMS结构 IMS的启动过程，IMS业务依附于phone进程启动，当phone进程启动时拉起对应的框架代码。 当phone进程启动时，会启动ImsReslover类，该类用于寻找对应的IMS apk实现，并进行绑定。 当绑定成功后，ImsServiceController会保存IMS APK中的如下对象IImsRegistration IIms…
阅读更多...
Consul微服务配置中心部署（在线安装）

Consul微服务配置中心部署（在线安装）

博主介绍&#xff1a; 计算机科班人&#xff0c;全栈工程师&#xff0c;掌握C、C#、Java、Python、Android等主流编程语言&#xff0c;同时也熟练掌握mysql、oracle、sqlserver等主流数据库&#xff0c;具有丰富的项目经验和开发技能。提供相关的学习资料、程序开发、技术解答、…
阅读更多...
Spring Task—定时任务

Spring Task—定时任务

Spring Task 是 Spring 提供的一种轻量级定时任务调度功能&#xff0c;内置在 Spring 框架中。与 Quartz 等重量级调度框架相比&#xff0c;Spring Task 使用简便&#xff0c;无需额外依赖&#xff0c;适合在简单的调度任务场景中使用。通过注解配置方式&#xff0c;开发者可以…
阅读更多...
分布式数据库技术金融应用规范技术架构

分布式数据库技术金融应用规范技术架构

目录 引 言 概述 技术框架 技术框架概述 物理资源层 计算模块 功能特性 功能架构概述 基本功能 部署灵活性 并发处理能力 扩缩容 扩容 缩容 引 言 随着金融领域分布式架构的转型升级&#xff0c;分布式数据库技术在金融领域应用逐步深入。为规范分布 式数据库技…
阅读更多...
从0开始electron+vue2搭建环境

从0开始electron+vue2搭建环境

使用环境&#xff1a;node版本16.16.0 目录 搭建vue项目安装electron打包electron 搭建vue项目 已有vue2的环境直接进项安装electron步骤 没有的请先移动到这里查看 vue2脚手架搭建项目流程 我就不另外记录了 安装electron 直接运行 vue add electron-builder安装完成后&…
阅读更多...
【脚本】B站视频AB复读

【脚本】B站视频AB复读

控制台输入如下代码&#xff0c;回车 const video document.getElementsByTagName("video")[0];//获取bpx-player-control-bottom-center容器,更改其布局方式const div document.getElementsByClassName("bpx-player-control-bottom-center")[0];div.sty…
阅读更多...
源码复现detectron2时遇到的错误

源码复现detectron2时遇到的错误

说明&#xff1a;安装detectron2直接进到官网 detectron2源码 中找安装文档&#xff0c;安装安装文档一般没什么问题&#xff0c;但是我确实出现了问题&#xff0c;包括有&#xff1a; gcc版本太低&#xff1a;提示说需要gcc 9及以上的版本才可以pytorch版本不匹配&#xff1a…
阅读更多...
【机器学习基础】激活函数

【机器学习基础】激活函数

激活函数 1. Sigmoid函数2. Tanh&#xff08;双曲正切&#xff09;函数3. ReLU函数4. Leaky ReLU函数 1. Sigmoid函数 观察导数图像在我们深度学习里面&#xff0c;导数是为了求参数W和B&#xff0c;W和B是在我们模型model确定之后&#xff0c;找出一组最优的W和B&#xff0c;使…
阅读更多...
ipad-make-sense：首个支持 iPad 的开源数据标注工具

ipad-make-sense：首个支持 iPad 的开源数据标注工具

在机器学习和人工智能快速发展的今天&#xff0c;高质量的数据标注工具变得越来越重要。然而&#xff0c;大多数现有的数据标注工具都局限于传统的桌面环境&#xff0c;无法适应现代移动办公的需求。今天&#xff0c;我要向大家介绍一个突破性的解决方案 —— ipad-make-sense&…
阅读更多...
阳振坤：云时代数据库的思考 | OceanBase发布会实录

阳振坤：云时代数据库的思考 | OceanBase发布会实录

在2024 OceanBase 年度发布会中&#xff0c;OceanBase 的创始人与首席科学家阳振坤进行了《云时代数据库的思考》的主题分享。本文为演讲实录。 亲爱的朋友们&#xff0c;衷心感谢各位莅临今天的发布会现场。今天是一个云的时代&#xff0c;我想与大家分享&#xff0c;我对于云…
阅读更多...
51单片机完全学习——DS18B20温度传感器

51单片机完全学习——DS18B20温度传感器

一、DS18B20数据手册解读 首先我们知道DS18B20使用的是单总线传输&#xff0c;默认情况下读出来的温度是12位的&#xff0c;我们这里只讨论外部电源供电这种情况。 有这张图片我们知道&#xff0c;12位温度的最小分辨率是10^-4次方&#xff0c;因此就是0.0625.我们只需要将最后…
阅读更多...
STM32应用详解（12）使用I2C的main函数例程

STM32应用详解（12）使用I2C的main函数例程

文章目录 前言一、支持I2C总线的常见器件二、程序详解1.main函数2.读取传感器温度值的函数3.相关宏定义 前言 学习I2C总线。本文件主要分析main函数和LM75A驱动程序。了解器件驱动基本原理。 一、支持I2C总线的常见器件 (1)支持I2C总线的器件有很多&#xff0c;在开发板上支持…
阅读更多...
redis详细教程（3.ZSet，Bitmap，HyperLogLog）

redis详细教程（3.ZSet，Bitmap，HyperLogLog）

ZSet Redis 的 ZSet&#xff08;有序集合&#xff09;是一种特殊的数据类型&#xff0c;它允许存储一系列不重复的字符串元素&#xff0c;并为每个元素关联一个分数&#xff08;score&#xff09;。这个分数用于对集合中的元素进行排序。ZSet 的特点是&#xff1a; 唯一性&am…
阅读更多...
Openlayers高级交互（11/20）：显示带箭头的线段轨迹，箭头居中

Openlayers高级交互（11/20）：显示带箭头的线段轨迹，箭头居中

本示例介绍如何在vue+openlayers项目中设置带有箭头的线段，箭头位于线段的中间位置。这里用到 forEachSegment 函数， 这个函数接受一个特征和一个回调函数作为参数。它遍历特征中的每个子线段，并调用回调函数传入子线段的中点坐标。 效果图 专栏名称内容介绍Openlayers基础…
阅读更多...
Springboot整合spring-boot-starter-data-elasticsearch

Springboot整合spring-boot-starter-data-elasticsearch

前言 <font style"color:rgb(36, 41, 47);">spring-boot-starter-data-elasticsearch</font> 是 Spring Boot 提供的一个起始依赖&#xff0c;旨在简化与 Elasticsearch 交互的开发过程。它集成了 Spring Data Elasticsearch&#xff0c;提供了一套完整…
阅读更多...
51c自动驾驶~合集2

51c自动驾驶~合集2

我自己的原文哦~ https://blog.51cto.com/whaosoft/11491137 #BEVWorld BEV潜在空间构建多模态世界模型&#xff0c;全面理解自动驾驶~一、引言 世界模型建模了有关环境的知识&#xff0c;其可以通过给定的条件对未来进行合理的想象。未来想象要求世界模型具有物理规律的理解…
阅读更多...
秦时明月2搭建笔记

秦时明月2搭建笔记

1.具体配置 数据库不修改&#xff0c;如果修改了&#xff0c;gm那边也要 2.数据库 3.上传配置文件出现问题 参考&#xff1a;对于测试时&#xff0c;错误信息 Caused by: com.mysql.jdbc.PacketTooBigException: Packet for query is too large-CSDN博客 4.启动tomcat&#x…
阅读更多...
推荐文章
最新文章

Copyright @ 2022~2023