仿人机器人原理与设计 运动学与动力学分析
机器人运动学和动力学分析及控制
机器人运动学和动力学分析及控制引言随着科技的不断进步，机器人在工业、医疗、军事等领域发挥着越来越重要的作用。
而机器人的运动学和动力学是支撑其运动和控制的重要理论基础。
本文将围绕机器人运动学和动力学的分析及控制展开讨论，探究其原理与应用。
一、机器人运动学分析1. 关节坐标和笛卡尔坐标系机器人运动学主要涉及的两种坐标系为关节坐标系和笛卡尔坐标系。
关节坐标系描述机器人每个关节的转动，而笛卡尔坐标系则描述机器人末端执行器在三维空间中的位置和姿态。
2. 正运动学和逆运动学正运动学问题是指已知机器人每个关节的位置和姿态，求解机器人末端执行器的位置和姿态。
逆运动学问题则是已知机器人末端执行器的位置和姿态，求解机器人每个关节的位置和姿态。
解决机器人正逆运动学问题对于实现精确控制非常重要。
3. DH参数建模DH参数建模是机器人运动学分析中的重要方法。
它基于丹尼尔贝维特-哈特伯格(Denavit-Hartenberg, DH)方法，将机器人的每个关节看作旋转和平移运动的连续组合。
通过矩阵变换，可以得到机器人各个关节之间的位置和姿态关系。
二、机器人动力学分析1. 动力学基本理论机器人动力学研究的是机器人在力、力矩作用下的运动学规律。
通过牛顿-欧拉方法或拉格朗日方程，可以建立机器人的动力学模型。
动力学模型包括质量、惯性、重力、摩擦等因素的综合考虑，能够描述机器人在力学环境中的行为。
2. 关节力和末端力机器人动力学分析中的重要问题之一是求解机器人各个关节的力。
关节力是指作用在机器人各个关节上的力和力矩，它对于机器人的稳定性和安全性具有重要意义。
另一个重要问题是求解末端执行器的力，这关系到机器人在任务执行过程中是否能够对外界环境施加合适的力。
3. 动力学参数辨识为了建立精确的机器人动力学模型，需要准确测量机器人的动力学参数。
动力学参数包括质量、惯性、摩擦等因素。
动力学参数辨识是通过实验方法，对机器人的动力学参数进行测量和估计的过程。
机械工程中的机器人运动学与动力学分析
机械工程中的机器人运动学与动力学分析一、引言机器人技术是当代科技进步的重要组成部分，它在制造业、医疗、农业等领域发挥着重要作用。
而机器人的运动学和动力学是研究和控制机器人运动的基础。
本文将介绍机器人运动学和动力学的概念、基本原理以及在机械工程中的应用。
二、机器人运动学分析1. 机器人运动学的定义机器人运动学是研究机器人的位置和姿态如何受到机器人关节角度的控制而发生变化的学科。
它研究机器人工作空间、逆运动学和正运动学等关键问题。
2. 正运动学分析正运动学是以机器人关节角度为输入，求解机器人末端执行器的位置和姿态的过程。
通过正运动学分析可以得到机器人在工作空间中的具体位置，从而为机器人路径规划、碰撞检测等问题提供依据。
3. 逆运动学分析逆运动学是指已知机器人末端执行器的位置和姿态，求解机器人关节角度的过程。
逆运动学分析是机器人控制中的关键问题，根据机器人末端执行器的期望位置和姿态，可以确定适合的关节角度，实现机器人精确控制。
4. 关键问题与挑战机器人运动学分析中存在一些关键问题和挑战，比如奇异点的存在、运动学不精确性、冗余性等。
这些问题需要通过合适的数学模型和算法来解决，以提高机器人的运动精度和可靠性。
三、机器人动力学分析1. 机器人动力学的定义机器人动力学是研究机器人运动和力学特性之间关系的学科。
它通过建立数学模型和方程，描述机器人的运动和力学特性，为机器人的运动控制和力矩控制提供基础。
2. 运动学与动力学的关系机器人的运动学和动力学是紧密相关的，运动学描述了机器人的几何特性和关节角度，而动力学则描述了机器人的转动和运动受到外界力和力矩的影响。
3. 动力学分析的基本原理机器人动力学分析基于牛顿定律和欧拉-拉格朗日方程的基本原理，通过建立机器人的动力学模型，求解机器人在受到外力和力矩作用下的运动学和动力学特性。
4. 动力学分析的应用机器人动力学分析在机器人控制和路径规划中有着广泛的应用。
通过动力学分析可以预测机器人在不同工作条件下的力矩特性，优化机器人的控制策略，提高机器人的运动精度和稳定性。
机器人运动学与动力学分析
机器人运动学与动力学分析随着科技的不断进步，机器人在现代社会中发挥着越来越重要的作用。
机器人的运动学与动力学是研究机器人运动和力学的重要分支，对于机器人的设计和控制具有重要意义。
通过运动学与动力学分析，可以深入探讨机器人的运动规律、力学特性以及动作控制等方面的问题。
首先，机器人运动学分析是研究机器人运动规律和姿态变化的学科。
在机器人的运动学分析中，我们可以通过分析机器人的关节角度和运动变换方程来描述机器人末端执行器的位置与姿态。
运动学分析可以帮助我们了解机器人在不同关节角度下的工作空间范围、姿态变化以及机器人末端执行器的运动轨迹等信息。
这些信息对于机器人的路径规划、避障以及动作控制等方面具有重要意义。
其次，机器人的动力学分析是研究机器人运动过程中受到的力学特性和动态响应的学科。
在机器人的动力学分析中，我们可以研究机器人的惯性特性、组成部分的质量分布以及施加给机器人的外部力和力矩等。
动力学分析可以帮助我们了解机器人系统的惯性特性、质量均衡以及机器人在外部力作用下的响应情况。
这对于机器人的平衡控制、力矩分配以及动作协调等方面具有重要意义。
在机器人运动学与动力学分析中，还涉及到机器人的运动控制问题。
运动控制是指通过对机器人的运动学和动力学特性进行分析，设计合适的控制方法来实现机器人的运动目标。
通过运动控制，我们可以使机器人在给定的轨迹下实现精确的位置和姿态控制，从而实现具体的任务需求。
运动控制的核心是设计合适的控制算法和机器人的执行机构，以实现机器人的动作执行和力学特性的优化。
机器人运动学与动力学分析的结果可以应用于多个领域。
在工业领域，机器人的运动学与动力学分析可以应用于自动化生产线和装配过程中的机器人操作控制，提高生产效率和质量。
在医疗领域，机器人的运动学与动力学分析可以应用于手术机器人的运动控制和手术操作，实现更精确和安全的手术过程。
在军事领域，机器人的运动学与动力学分析可以应用于无人作战系统和侦察机器人的运动规划和动作控制，提高军事作战的效率和准确性。
机器人运动学与动力学建模与分析
机器人运动学与动力学建模与分析摘要：机器人运动学与动力学建模与分析是机器人研究领域的重要内容。
本文将从机器人运动学和动力学的基本概念入手，介绍机器人的运动规划和控制方法，重点讨论了机器人建模和分析的方法。
通过对机器人运动规划和控制的研究，可以提高机器人的精准度和效率，为实现自主化、智能化的机器人应用提供理论基础。
1.引言随着科技的飞速发展，人工智能、机器学习等领域的成果不断涌现，智能化、自主化的机器人应用已逐渐深入到生产、生活、科研等各个领域。
机器人技术的研究与开发已成为当今世界科技竞争的焦点之一。
在这一背景下，对于机器人运动规划和控制方法的研究显得尤为重要。
本篇文章将围绕机器人运动学建模、姿态描述、动力学建模、运动规划方法和运动控制方法等方面进行深入探讨，以期为机器人领域的研究提供一定的理论参考。
2.机械臂运动学建模2.1旋转关节2.1.1旋转关节坐标系为了便于分析机器人运动，首先需要建立旋转关节的坐标系。
旋转关节坐标系主要包括基座坐标系、关节坐标系和末端执行器坐标系。
基座坐标系固定于机器人基座，用于描述机器人基座的相对位置和姿态；关节坐标系随关节转动而变化，用于描述关节的转动状态；末端执行器坐标系与末端执行器相连，用于描述末端执行器的位置和姿态。
2.1.2旋转关节角度表示旋转关节的角度表示采用旋转矩阵进行描述。
旋转矩阵包括三个旋转分量：绕x轴旋转的θx，绕y轴旋转的θy，以及绕z轴旋转的θz。
旋转矩阵可以表示为：R = [cos(θz) cos(θy) sin(θz) sin(θy),sin(θz) cos(θy) + cos(θz) sin(θy),cos(θz) sin(θy) + sin(θz) cos(θy)]2.1.3旋转关节正逆解正解：给定末端执行器的位姿，求解旋转关节的角度。
逆解：给定旋转关节的角度，求解末端执行器的位姿。
2.2 平移关节平移关节主要用于实现机器人在三维空间中的平移运动。
机器人运动学与动力学分析及控制研究
机器人运动学与动力学分析及控制研究近年来，机器人技术一直在飞速的发展，机器人的使用越来越广泛，特别是在工业领域。
随着机器人的发展，机器人运动学与动力学分析及控制研究变得越来越重要。
本文将介绍机器人运动学、动力学分析与控制研究的现状以及未来发展趋势。
一、机器人运动学分析机器人运动学分析主要研究机器人的运动学特性，包括机器人的姿态、速度以及加速度等方面。
机器人运动学分析的目的是确定机器人的运动学参数，同时确定机器人工作空间的大小。
机器人运动学分析的方法主要有以下几种：1、直接求解法。
直接求解法是指通过物理意义来推导机器人的运动学方程。
这种方法计算效率较低，但是精度较高。
2、迭代法。
迭代法是通过迭代计算机器人的运动学方程，精度较高，但是计算效率较低。
3、牛顿-拉夫森法。
牛顿-拉夫森法是一种求解非线性方程组的方法，可以用于求解机器人运动学方程。
此方法计算速度比较快，但是相对精度较低。
机器人运动学分析的结果可以用于机器人的路径规划，动力学分析以及控制研究。
二、机器人动力学分析机器人动力学分析主要研究机器人的动力学特性，包括机器人的质量、惯性矩以及外力等方面。
机器人动力学分析的目的是确定机器人的动力学参数，同时确定机器人的力/力矩控制器和位置/速度控制器。
机器人动力学分析的方法主要有以下几种：1、拉格朗日方程法。
拉格朗日方程法是一种描述机器人运动的数学方法，可以用于求解机器人的动力学方程。
此方法计算效率较低，但是精度较高。
2、牛顿-欧拉法。
牛顿-欧拉法是机器人动力学分析中的一种方法，一般用于计算运动学链中的运动学角速度和角加速度，并根据牛顿和欧拉定理将牛顿和欧拉方程转换为轨迹方程。
此方法计算速度较快，但是精度相对较低。
机器人动力学分析的结果可以用于机器人的力/矩控制器的设计，位置/速度控制器的设计以及控制研究。
三、机器人控制研究机器人控制研究主要研究机器人的控制算法，包括力控制算法、位置/速度控制算法、逆动力学算法等方面。
机器人运动学与动力学分析
机器人运动学与动力学分析引言：机器人技术是当今世界的热门话题之一。
从生产领域到服务领域，机器人的应用越来越广泛。
而要实现机器人的精确控制和高效运动，机器人运动学与动力学分析是必不可少的基础工作。
本文将介绍机器人运动学与动力学分析的概念、方法和应用，并探讨其在现代机器人技术中的重要性。
一、机器人运动学分析机器人运动学分析是研究机器人运动的位置、速度和加速度等基本特性的过程。
运动学分析主要考虑的是机器人的几何特征和相对运动关系，旨在通过建立数学模型来描述机器人的运动路径和姿态。
运动学分析通常可以分为正逆解两个方面。
1. 正解正解是指根据机器人关节位置和机构参数等已知信息，计算出机器人末端执行器的位置和姿态。
正解问题可以通过利用坐标变换和关节运动学链式法则来求解。
一般而言，机器人的正解问题是一个多解问题，因为机器人通常有多个位置和姿态可以实现。
2. 逆解逆解是指根据机器人末端执行器的位置和姿态，计算出机器人关节位置和机构参数等未知信息。
逆解问题通常比正解问题更为复杂，因为存在多个解或者无解的情况。
解决逆解问题可以采用迭代法、几何法或者数值优化方法。
二、机器人动力学分析机器人动力学分析是研究机器人运动的力学特性和运动控制的基本原理的过程。
动力学分析主要考虑机器人的力学平衡、力学约束和运动方程等问题，旨在实现机器人的动态建模和控制。
1. 动态建模动态建模是研究机器人在外力作用下的力学平衡和运动约束的数学描述。
通过建立机器人的运动方程，可以分析机器人的惯性特性、静力学特性和动力学特性。
机器人的动态建模是复杂的，需要考虑关节惯性、关节力矩、摩擦因素等多个因素。
2. 控制策略机器人动力学分析的另一个重要应用是运动控制。
根据机器人的动态模型，可以设计控制策略来实现机器人的精确运动。
常见的控制方法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
通过合理选择控制策略和调节参数，可以实现机器人的平滑运动和高精度定位。
三、机器人运动学与动力学分析的应用机器人运动学与动力学分析在现代机器人技术中具有重要的应用价值。
机器人运动学与动力学分析
机器人运动学与动力学分析机器人已经成为现代技术中的重要组成部分，它们能够执行各种任务，从生产制造到医疗护理。
要了解机器人的运动和控制，我们需要分析机器人的运动学和动力学。
一、机器人运动学分析机器人运动学研究机器人在空间中的位置和姿态随时间的变化规律。
通过机器人的构造，可以确定机器人的运动学特征。
在运动学分析中，我们主要关注以下几个方面：1. 机器人的自由度：机器人的自由度是指机器人在物理空间中能够独立移动的自由方向数量。
例如，一个平面上的二自由度机器人可以进行平移和旋转运动。
2. 机器人的位姿：机器人的位姿包括位置和姿态。
位置表示机器人在空间中的位置坐标，姿态表示机器人在空间中的朝向。
3. 运动学链模型：运动学链模型用于描述机器人的运动学结构。
它由连续的刚性骨链和可变的关节连接组成。
通过分析这些链条的长度和角度变化，可以确定机器人的位姿。
4. 正逆运动学问题：正运动学问题是指根据机器人的关节角度计算出机器人的位姿。
逆运动学问题是指根据机器人的位姿计算出机器人的关节角度。
机器人的运动学分析为我们提供了了解机器人的位置和姿态变化规律的基础。
二、机器人动力学分析机器人动力学研究机器人在运动过程中所受到的力和力矩的变化规律。
了解机器人动力学对于控制机器人的运动和保证机器人的稳定性非常重要。
在动力学分析中，我们主要关注以下几个方面：1. 运动学约束：机器人的运动受到多个约束条件限制，如关节限制、位置限制等。
这些约束条件对机器人的运动学和动力学分析都会产生影响。
2. 动力学链模型：动力学链模型用于描述机器人的动力学结构。
它包括机器人的质量、惯性矩阵和外部力矩。
通过分析链条间的力和力矩传递，可以推导出机器人的运动学和动力学方程。
3. 运动学和动力学方程：机器人的运动学和动力学方程描述了机器人在外部力矩作用下的运动规律。
运动学方程描述了机器人的位移和速度关系，动力学方程描述了机器人的加速度和力矩关系。
机器人的动力学分析为我们提供了了解机器人在运动过程中受到的力和力矩变化规律的基础。
机器人运动学与逆向动力学分析研究
机器人运动学与逆向动力学分析研究几十年来，机器人技术在工业、医疗、服务等领域得到了广泛应用。
在这个领域中，机器人的运动学和逆向动力学分析是两个基础且关键的研究方向。
本文将深入探讨机器人运动学与逆向动力学分析的主要内容和研究方法。
一、机器人运动学分析机器人运动学分析是指通过对机器人手臂或其他可移动部件的运动进行建模和分析，以确定其末端执行器的位姿。
在机器人运动学分析中，通常采用欧拉角、四元数等方式表示位姿，以及关节角度表示机器人的关节运动状态。
1. 机器人前向运动学机器人前向运动学是指根据机器人的关节角度和连杆长度，计算机器人的末端执行器位置和姿态的过程。
前向运动学可以通过几何方法或变换矩阵的方式进行计算。
几何方法是利用关节角度和连杆长度的几何关系进行计算，而变换矩阵则通过矩阵乘法的方式实现位置和姿态的计算。
2. 机器人逆向运动学机器人逆向运动学是指通过给定末端执行器的位姿，求解机器人的关节角度和连杆长度的过程。
逆向运动学是一个复杂而困难的问题，因为在机器人的运动学链中存在多个解或无解的情况。
为了解决这个问题，常用的方法包括几何法、解析法和数值方法。
几何法是通过几何关系和三角学方法求解逆向运动学问题，解析法则通过数学推导分析建立解析解，数值方法则通过迭代求解逆向运动学问题。
二、机器人逆向动力学分析机器人逆向动力学分析是指根据机器人的力和力矩输入，计算机器人的关节力和力矩的过程。
逆向动力学分析是机器人控制和路径规划的基础，能够帮助确定机器人的动作轨迹和控制参数。
1. 动力学方程建立机器人逆向动力学分析的第一步是建立机器人的动力学方程，即机器人的运动学方程和动力学方程的组合。
运动学方程描述机器人各个连杆之间的位姿关系，动力学方程则描述机器人在受力作用下的运动规律。
2. 关节力和力矩计算基于建立的动力学方程，可以通过数学计算求解机器人各个关节的力和力矩。
这些力和力矩是机器人受力作用下各个关节所需要产生的，用于保持机器人平衡和完成所需任务。
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1
0
b
y
ybw源自 y/w
b
0 0 1 c z z cw z / w c
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w
w
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The Army Armored Force Academy of PLA
2.3 Homogeneous Transformation of the Coordinate Frames 齐次坐标变换
1
Matrix Form：
A p ABT Bp
The Army Armored Force Academy of PLA
2.3 Homogeneous Transformation of the Coordinate Frames 齐次坐标变换
Homogeneous Transformation of Translation 空间中的某点用矢量ai+bj+ck描述，该点也可表示为：
正运动学是指根据仿人机器人的各关节角度求 各连杆的位姿，常用方法D-H方法。
逆运动学是指根据各连杆的位姿求解各连杆关 节的角度，即根据髋关节、膝关节和踝关节的位姿， 通过连杆间的几何位置等关系求解各关节的角度。
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2.1 Representation of Position and Attitude 位置和姿态的表示
A p B p ApBo
zB { B }
zA { A } oA
Ap
Bp
oB
yB
ApBo
yA
xB
xA The Army Armored Force Academy of PLA
2.2 Coordinate Transformation 坐标变换 • 旋转坐标变换 (Rotation Transform)
zC zB
{B}
zA
Ap
Bp
yB
{A}
oB
yC
ApBo
oA
yA
xC xB
xA
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2.3 Homogeneous Transformation of the Coordinate Frames 齐次坐标变换
齐次坐标就是将一个原本是 n 维的向量用一个 n+1 维向量来 表示。一个向量的齐次表示是不唯一的，比如齐次坐标[8,4,2]、 [4,2,1]表示的都是二维点[2,1]。
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《Principle and Design of Humanoid Robot》
第二章
仿人机器人的运动学与 动力学分析
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第二章主要内容：
1 仿人机器人的结构 2 仿人机器人的运动学分析
r11 r12 r13
A
B
R
A xB
A yB
A zB r21
r22
r23
r31 r32 r33
zA { A }
xB
oB
R A 1
B
BART ;
A B
R
1
Ap
oA
yA
xA
zB {B}
yB
The Army Armored Force Academy of PLA
关节名称 髋关节 膝关节 踝关节
人体的关节形式 球形关节
两方向转动关节 球形关节
替代方式 分解为三个十字交叉的转动关节
用一个转动副代替 分解为三个十字交叉的转动关节
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1.2 仿人机器人结构
自由度 DOF（Degrees of Freedom）
c s 0 0
Rot(z, ) s c 0 0
0 0 1 0
0
0 0 1
绕轴轴不变， 自轴取余弦； 余轴用sin( ) 符号看象限。
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[例]已知点 u=7i+3j+2k，将 u绕 z 轴旋转90°得到点 v，再 将点 v 绕 y轴旋转90°得到点w，求点v、w的坐标。
解：
c 90 s 90 0 0 7 3
v
Rot
z, 90
u
s
90 0
c 90
0
0
3
7
0 1 0 2 2
• Rotation about an axis
1 0 0
R(x, ) 0
c
s
0 s c
c 0 s
R(
y,
)
0
1
0
s 0 c
c s 0 R(z, ) s c 0
0 0 1
yB
0
0
0
1
1
1
c 90 0 s 90 0 3 2
w Rot y,90 v
0
1
0
0
7 7
s 90 0 c 90 0 2 3
0
0
0
1
1
1
z
w o u x
The Army Armored Force Academy of PLA
仿人机器人原理与设计
Principle and Design of Humanoid Robot
主讲：张小明
《Principle and Design of Humanoid Robot》
课时安排：
第一章 仿人机器人概述 第二章 仿人机器人的运动学与动力学分析 第三章 仿人机器人的常用传感器 第四章 仿人机器人的执行器 第五章 仿人机器人的控制与轨迹规划 第六章 简单仿人机器人制作
zA zB
Bp yB
A
p
A B
R
B
p
o
yA
xA xB
The Army Armored Force Academy of PLA
2.2 Coordinate Transformation 坐标变换
• Rotation about an axis
Axp B xp cos A yp B xp sin
• Description of Position
px
A
p
p
y
pz
zA { A }
p
Ap
oA
yA
xA
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2.1 Representation of Position and Attitude
• Description of Orientation
2）踝关节侧翻角度不大， 保证稳定性。
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1.1 人体结构分析
关节名称
髋关节
膝关节 踝关节 （简化为2自由度）
运动名称 旋转（内旋/外旋）
前后伸/屈 内收/外展
伸/屈 内收/外展
屈/伸
运动范围 / ⁰ 外45 内45 前120 后15 内45 外45 前90 后0 左45 右45 前50 后50
yA { A }
{B} sinθ
p
xB
θ
oA
cosθ xA
绕z轴旋转θ
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2.2 Coordinate Transformation 坐标变换
• 复合变换 (Composite Transform)
A p BAR B p ApBo
v y
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若改变旋转次序，首先使 u 绕 y 轴旋转90°,再绕 z 轴旋转 90°,会使 u 变换至与 w 不同的位置w1。
1 0 0 a Trans(a,b, c) 0 1 0 b
0 0 1 c 0 0 0 1
对已知矢量 u=[x,y,z,w]T 进行平移变换所得的矢量 v 为：
1 0 0 a x x aw x / w a
v Trans(a,b, c) u 0
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1.2 仿人机器人结构
部位名称
肩
髋 膝 踝
关节自由度
俯仰 滚动 俯仰 滚动 偏摆 俯仰 俯仰 滚动
角度范围 / ⁰
-120 ~ 120 0 ~ 95
-100 ~ 45 -25 ~ 45 -45 ~ 45 0 ~ 130 -75 ~ 45 -45 ~ 45
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1.2 仿人机器人结构
仿人机器人的连杆模型二维视图
（忽略径向平面和侧向平面的耦合作用，分别研究）
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