机器人的位姿运动学2017
机器人的位姿描述与坐标变换

0
1
0
⎥ ⎥
⎢⎣− sinθ 0 cosθ ⎥⎦
Zi Zj
θ
θ Xi
Xj
Yi Y j
⎡cosθ − sinθ 0⎤
j i
R(Zi
,θ
)
=
⎢⎢sinθ
cosθ
0⎥⎥
⎢⎣ 0
0 1⎥⎦
Zi Zj
θ
Xi Xj
Yj
θ
Yi
⎡1 0
0⎤
j i
R(
X
i
,θ
)
=
⎢⎢0
cosθ
−
sinθ
⎥ ⎥
⎢⎣0 sinθ cosθ ⎥⎦
¥ ¥假设机器人的连杆和关节都是刚体¥ ¥
位置矢量
⎡x0 ⎤
P o '
o
=
⎢ ⎢
y0
⎥ ⎥
⎢⎣ z0 ⎥⎦
Z b Z'
O' Y' t n X' O
X Y
姿态矢量
O' O
R
=
[
O' O
X
OO'Y
⎡cos(∠X ' X )
O' O
Z
]3×3
=
⎢ ⎢
cos(∠X
'Y
)
⎢⎣cos(∠X ' Z )
单位主矢量
cos(∠Y ' X ) cos(∠Y 'Y ) cos(∠Z ' Z )
cos(∠Z ' X )⎤
cos(∠Z
'Y
)
⎥ ⎥
cos(∠Z ' Z ) ⎥⎦
姿态矩阵R的特点:
机器人运动学

机器人运动学(培训教材)(总49页)--本页仅作为文档封面,使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第2章机器人位置运动学引言本章将研究机器人正逆运动学。
当已知所有的关节变量时,可用正运动学来确定机器人末端手的位姿。
如果要使机器人末端手放在特定的点上并且具有特定的姿态,可用逆运动学来计算出每一关节变量的值。
首先利用矩阵建立物体、位置、姿态以及运动的表示方法,然后研究直角坐标型、圆柱坐标型以及球坐标型等不同构型机器人的正逆运动学,最后利用Denavit-Hartenberg(D-H)表示法来推导机器人所有可能构型的正逆运动学方程。
实际上,机器手型的机器人没有末端执行器,多数情况下,机器人上附有一个抓持器。
根据实际应用,用户可为机器人附加不同的末端执行器。
显然,末端执行器的大小和长度决定了机器人的末端位置,即如果末端执行器的长短不同,那么机器人的末端位置也不同。
在这一章中,假设机器人的末端是一个平板面,如有必要可在其上附加末端执行器,以后便称该平板面为机器人的“手”或“端面”。
如有必要,还可以将末端执行器的长度加到机器人的末端来确定末端执行器的位姿。
机器人机构机器手型的机器人具有多个自由度(DOF),并有三维开环链式机构。
在具有单自由度的系统中,当变量设定为特定值时,机器人机构就完全确定了,所有其他变量也就随之而定。
如图所示的四杆机构,当曲柄转角设定为120°时,则连杆与摇杆的角度也就确定了。
然而在一个多自由度机构中,必须独立设定所有的输入变量才能知道其余的参数。
机器人就是这样的多自由度机构,必须知道每一关节变量才能知道机器人的手处在什么位置。
图 具有单自由度闭环的四杆机构如果机器人要在空间运动,那么机器人就需要具有三维的结构。
虽然也可能有二维多自由度的机器人,但它们并不常见。
机器人是开环机构,它与闭环机构不同(例如四杆机构),即使设定所有的关节变量,也不能确保机器人的手准确地处于给定的位置。
机器人学-第3章_机器人运动学

o
X
由(3-1)式可得运动学约束条件,x&sinq y&cosq 0 平面轮式移动机器人
是所谓的“非完整约束”。物理含义是,机器人不能沿轮轴线方向横移。
设轮距为D,轮半径为r,两轮独立驱动时轮子转速wL,wR 则
v
r 2
wR
wL
,
w
r D
wR
wL
(3-2)
1
v
r 2
wR
wL
,
w
r D
wR
wL
q2 L1
定义参考坐标系{0},它固定在基座上,当第一
个关节变量(q1)为0时坐标系{1}与坐标系{0}重合
,因此建立参考坐标系{0}如图所示,Z0轴与关节1 的轴线重合且垂直于机械臂所在平面。
q1
平面3R机械臂
由于机械臂位于一个平面上,因此所有Z轴相互平
X3
行,且连杆偏距d和连杆转角均为0。该机械臂的DH
动距离分别为lR = rR和lL = rL,
机器人移动距离
l=(lR+lL)/2
方位角变化
q =(lR-lL)/D。
第n步机器人位姿可以按下面公式更新:
qn qn1 q
xn
xn1
l
cos qn1
q
/
2
yn
yn1
l
sin qn1
q
/
2
若已知机器人的初始位姿,根据该递推公式可以确定任意时刻机器
人位姿,比较简单,但因积累误差大,所以长时间不可靠。
相邻连杆间坐标变换公式
建立 {P}、{Q}和{R}3个中间坐标系, 其中{i}和{i-1}是固定在连杆 i 和 i-1 上的固 连坐标系,如图3-13所示。
机器人运动学坐标变换

xi cos x j sin y j 0 z j yi sin x j cos y j 0 z j zi 0 x j 0 y j 1 z j
2017年2月19日星期日
工 业 机 器 人
第3章
3.2.1 直角坐标变换
工 业 机 器 人
第3章
3.1.1 机器人位姿的表示
姿态可h o p(x,y,z) h
o yh y
3.1 机器人的位姿描述
z
余弦值组成3×3的姿态
矩阵来描述。
cos(x , x h ) cos(x , yh ) cos(x , z h ) R cos(y , x h ) cos(y , yh ) cos(y , z h ) cos(z , x h ) cos(z , yh ) cos(z , z h )
2017年2月19日星期日
工 业 机 器 人
R
x , ij
第3章
3.2.1 直角坐标变换
2、旋转变换
②绕x轴旋转α角的 旋转变换矩阵为:
机器人运动学
zi
3.2 齐次变换及运算
zj
α
0 0 1 0 cos sin 0 sin cos
xj
yj oi oj
xi x j cos y j sin yi x j sin y j cos zi z j
xi
yi
xj
2017年2月19日星期日
工 业 机 器 人
第3章
3.2.1 直角坐标变换
2、旋转变换
机器人运动学
3.2 齐次变换及运算
① 绕z轴旋转θ角 若补齐所缺的有些项,再作适当变形,则有:
第3章 机器人位姿的数学描述与坐标变换

x=a(1-cos) , y=a(1-sinθ)
第3章 机器人位姿的数学描述与坐标变换
3.1 机器人位姿的数学描述
#假设机器人的连杆和关节都是刚体 (1)首先,建立一个参考坐标系; (2)然后,在刚体上任意建立一个刚体坐标系。
Z Z'
O' Y'
O
X'
X Y
第3章 机器人位姿的数学描述与坐标变换
刚体位置:
,
)
=
?
j i
R(,q
,
)
=
R(Z
,
)
R(Y
,q
)R(Z
,
)
绕动坐标轴依次转动时,每 个旋转矩阵要从左往右乘。
Z2
Zj
Zi (Z1)
q
q
Yj
(Y2 )
q Y1
Yi
Xi
X1 X2 X j
第3章 机器人位姿的数学描述与坐标变换
cos − sin 0 cosq 0 sinq cos − sin 0
R(Z
i
,q
)
=
s
inq
cosq
0
0
0 1
Zi Zj
q Xi
Xj
Yj q
Yi
第3章 机器人位姿的数学描述与坐标变换
1 0
0
j i
R(
X
i
,q
)
=
0
cosq
−
s in q
0 sinq cosq
cosq 0 sinq
j i
R(Yi
,q
)
=
0
1
0
− sinq 0 cosq
机器人运动学-1位姿表示,坐标变换 第五讲 数理基础共27页

(3)一般求法
若
nx ox ax px
T
n
y
oy
ay
p
y
nz 0
oz 0
az 0
pz 1
则
nx ny nz p n
T1 ox oy oz p o
a0x
ay 0
az 0
p a
1
p p x p y p z T , n n x n y n z T , o o x o y o z T , a a x a y a z T
二、坐标变换
1.平移坐标变换 坐标系{A}和{B}
具有相同的方位,但 原点不重合.则点P在 两个坐标系中的位置 矢量满足下式:
APBPAPB0
二、坐标变换
2.旋转变换 坐标系{A}和{B}
有相同的原点但方位 不同,则点P的在两个 坐标系中的位置矢量 有如下关系:
APB ARBP
BPBARAP B ARB AR1B ART
例4.1 已知坐标系{B}的初始位姿与{A}重合,首先{B}
相对于{A}的ZA轴转30°,再沿{A}的XA轴移动12单位, 并沿{A}的YA轴移动6单位。求位置矢量APB0和旋转矩阵 BAR。设点p在{B}坐标系中的位置为BP=[3,7,0],求它 在坐标系{A}中的位置。
0.8660.5 0
12
B ARR(z,30 0)0.5 0.8660;ApB06
二、坐标变换
P
3.复合变换
yB
yC
BP
xB
yA
AP
OB
xC
APBO zC
OA
xA
zB
zA
坐标系A和C之间是平移变换关系 APCPAPC0
第1章机器人运动

第1章 机器人运动学 1.1.2 动系的位姿表示
二、手部的位姿表示
关节轴为ZB轴,ZB轴的单位方向矢量a称为接 近矢量,指向朝外; 两手指的连线为YB轴,YB轴的单位方向矢量o 称为姿态矢量,指向可任意选定; XB轴与YB轴及ZB轴垂直,XB轴的单位方向矢 量n称为法向矢量,且n = o a,指向符合 右手法则。
1.2.1 旋转的齐次变换
算子左、右乘规则 若相对固定坐标系进行变换,则算子左乘;若相 对动坐标系进行变换,则算子右乘。 例1.4 已知坐标系中点U的位置矢量U=[7 3 2 1]’,将此点绕Z轴旋转90°,再绕Y轴旋转 90°,如图1.11所示,求旋转变换后所得的点 W。
第1章 机器人运动学 1.2 齐 次变 换
1.2.1 旋转的齐次变换
例1.4 已知坐标系中点U的位置矢量U=[7 3 2 1]’,将此点绕Z轴旋转90°,再绕Y轴旋转 90°,如图1.11所示,求旋转变换后所得的点 W。
第1章 机器人运动学 1.2 齐 次变 换
1.2.2 平移的齐次变换
第1章 机器人运动学 1.2 齐 次变 换
0 s2 0 c2 1 0 0 0
1 0 0 0 1 0 A d 2 3 0 1 1 0 0
s6 c6 0 0
0 0 0 0 0 d3 0 1
0 0 1 0 0 0 0 1
c6 0 s5 0 s 0 c5 0 A 6 1 0 0 6 0 0 0 1 0
T
a 0.000 0.000 1.000 0
T
P 2 1 0 1
T
第1章 机器人运动学 1.1.2 动系的位姿表示
二、手部的位姿表示
第一章机器人运动学(1)

三、坐标轴的方向表示
i、j、k 分别表示直角坐标系中X、
Y、Z坐标轴的单位矢量,用齐次坐 标表示之,则有
X = [1 0 0 0 ]T Y = [0 1 0 0]T Z = [0 0 1 0]T
空间任一点的坐标表示
位置和姿态的表示(延伸):
1.位置描述
在直角坐标系A中,空间任意一点p的位置 (Position)可用3x1列向量(位置矢量)表示:
2.方位描述
AP [ px
py
p ]T z
空间物体B的方位(Orientation)
可由某个固接于此物体的坐标系{B}
的三个单位主矢量[xB,yB,zB]相对于 参考坐标系A的方向余弦组成的3x3
一、连杆的位姿表示 连杆的位置表示:
设有一个机器人的连杆,O为连杆上 任一点,OXYZ 为与连杆固接的一个 动系。
连杆PQ在固定坐标系 OXYZ 中的位置 可用P点一齐次坐标表示为:
P = [X0 Y0 Z0 1]T
(注:P点为连杆坐标系的原点)
图 连杆的位姿表示
连杆的姿态表示
d [n o
由此,连杆的位姿可用齐次矩阵表示。
a
nX
P]
nY
nZ
0
oX aX oY aY oZ aZ 00
X0
Y0
Z
0
1
由此,连杆的位姿可用齐次 矩阵表示为:
nX oX aX X0
d [n o a
P]
nY
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z
o
a n o x World Reference Frame y x Joint Reference Frame y
x Tool Reference Frame
y
【机器人的参考坐标系】
a
n
1. 机器人运动学的矩阵表示
Representation of a Point in Space
A point P in space can be represented by its three coordinates relative to a reference frame as:
nx n F y nz 0
ox oy oz 0
ax ay az 0
px py pz 1
【齐次变换矩阵】
3. 变换的表示 Representation of Transformations
当空间的坐标系(向量、物体或运动坐标系)相对于固定的参考坐 标系运动时,这一运动可以用类似于表示坐标系的方式来表示。
n o 0 n a 0 ao 0
(the dot-product of n and o vectors must be zero)
n 1
(the magnitude of the length of the vector must be 1) and
o 1
a 1
The same can be achieved by:
3.
Pre-multiply by each matrix:
p1, xyz =Rot ( x, ) pnoa
p2, xyz Trans(l1, l2 , l3 ) p1, xyz Trans(l1, l2 , l3 ) Rot ( x, ) pnoa
pxyz p3, xyz Rot ( y, ) p2, xyz Rot ( y, ) Trans(l1, l2 , l3 ) Rot ( x, ) pnoa
In this case, matrices representing each transformation are post-multiplied. If transformations are relative to both the Universe frame and the current frame, each matrix is accordingly multiplied, either pre- or post-.
【相对于旋转坐标系(当前坐标系/运动坐标系)的变换】
4. 变换矩阵的逆
Inverse of Matrices
The following steps must be taken to calculate the inverse of a matrix:
Calculate the determinant of the matrix. Transpose the matrix. Replace each element of the transposed matrix by its own minor (adjoint matrix). Divide the converted matrix by the determinant.
Fnew = Trans (dx ,dy ,dz )
1 0 0 0 0 1 0 0 0 d x nx n 0 dy y 1 d z nz 0 1 0 ox oy o z 0
F
ax ay az 0
old
Fnew
p x nx n py y p z nz 1 0
no a
上式包含了正确的右手法则关系,所以一般使用这个等式判断3个向量之间的关系。
2. 齐次(变换)矩阵
Homogeneous Transformation Matrices
4 by 4 matrices:
Can be pre- or post-multiplied Easy to find inverse of the matrix Represents both orientation and position information, including directional vectors
Representation of a Pure Translation
1 0 T 0 0 0 1 0 0
z
a
d
0 dx 0 dy 1 dz 0 1
a o n n o
p
x
y
【纯平移变换的表示】
Representation of a Pure Translation
x
Z Z’
z
a o
p
Fobject
n
y
L a n o O Y’ Y X’
连杆的位姿可用以下齐次矩阵表示:
T n o a
nx n P y nz 0
ox oy oz 0
ax ay az 0
px py pz 1
X
P(O’)
【刚体的表示】
Frame representation Requirements
pn p sin o cos pa 0
l1
py
pxyz Rot ( x, ) pnoa
0 1 Rot (x, ) 0 cos 0 sin
sin cos 0
【绕轴纯旋转变换的表示】
z
PAB (Bx Ax )i ( By Ay ) j ( Bz Az )k
ax P b y cz
P
----【矩阵】
cz by ax
x
y
【空间向量的表示】
Application of a scale factor
Makes the matrix 4 by 1 Allows for introducing directional vectors
nx n F y nz 0
ox oy oz 0
ax ay az 0
px py pz 1
x
z
a
运动坐标系 Fn,o,a
o
p
n
y
全局参考坐标系
Fx, y , z
【坐标系在参考坐标系的表示】
Representation of a Rigid Body
nx n y nz 0 ox oy oz 0 ax ay az 0 px py pz 1
z
Axis
px pn p y l1 l2 po cos pa sin pz l3 l4 po sin pa cos
l3
pz
a
p
po pa po
pa
o
l4
y
l2
0 px 1 p 0 cos y pz 0 sin
相对于固定的参考坐标系的每次变换,变换矩阵都是左乘的。
Transformations Relative to the Rotating
(current) Frame
当进行相对于运动坐标系或当前坐标系的轴的变换时: 为计算当前坐标系中点的坐标相当于参考坐标系的变化,这时 需要右乘变换矩阵而不是左乘。
【复合变换的表示】
1. 2.
Example:
Rotation of degrees about the x-axis, Followed by a translation of [l1,l2,l3] (relative to the x-, y-, and z-axes respectively), Followed by a rotation of degrees about the y-axis.
Rotation Matrices
1 0 Rot ( x, ) 0 C 0 S 0 S C
齐次变换矩阵?
0 0 1 0 cos sin Rot x, 0 sin cos 0 0 0 0 sin cos 0 1 0 Rot y , sin 0 cos 0 0 0 cos sin 0 sin cos 0 Rot z , 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
the three unit vectors n, o, a are mutually perpendicular each unit vector’s length, represented by its directional cosines, must be equal to 1
These constraints translate into the following six constraint equations:
A transformation may be in one of the following forms: A pure translation A pure rotation about an axis A combination of translations and/or rotations
所谓逆变换就是将被变换的坐标系返回到原来的坐标系。
o
z
Hale Waihona Puke n ao方向余弦?
x
y
全局参考坐标系 Fx , y , z
nx F n y nz