机器人学导论阅读笔记 3 -- 操作臂运动学

黄杰, 2013-06-07
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操作臂运动学涉及所有与运动有关的几何参数和时间参数。本章重点:将操作臂关节变量作为自变量,描述操作臂末端执行器的位置和姿态与操作臂基座之间的函数关系。

连杆描述

设计操作臂时,通常优先选择仅具有一个自由度的关节作为连杆的连接方式。典型的操作臂具有 5 或 6 个关节。

一个连杆的运动参数,可以用两个参数来描述:

关于连杆连接的描述

注意:

连杆参数

每个连杆都可以用 4 个运动学参数来描述。两个用来描述连杆本身,另外两个用来描述连杆之间的连接关系。

那么,对于转动关节,是一个变量(关节角)三个常量;对于移动关节,也是一个变量(连杆偏距)三个常量。这叫做「Denavit-Hartenberg 参数」。

对连杆附加坐标系的规定

在每个连杆上定义一个固连坐标系({i}),用来描述相邻连杆之间的相对位置关系。

如何建立连杆坐标系?P53 ~ 54

例题:

RPR 型

3R 型

操作臂运动学

推导出相邻连杆间坐标系变换的一般形式,然后求出连杆 n 相对于连杆 0 的位置和姿态。

公式:

连续的连杆变化:

驱动器空间、关节空间和笛卡尔空间

对工业机器人来说,并非每个运动关节都是直接由某种驱动器来驱动(有时是两个驱动器以差动方式驱动一个关节,有时用直线驱动器通过四连杆机构来驱动)。

由于测量操作臂位置的传感器常常安装在驱动器上,因此进行某些计算时必须把关节矢量表示成一组驱动器矢量,即驱动器矢量。

一个操作臂的位置、姿态描述有 3 种表示方法:

  1. 驱动器空间描述
  2. 关节空间描述
  3. 笛卡尔空间描述

在进行机器人设计或分析时,都必须确定驱动器位置和关节位置的对应关系。

举例

坐标系的标准命名

工具的定位

机器人首要功能之一是计算出工具坐标系{T}相对于工作台坐标系{S}的变换矩阵,这便是某些机器人系统中的 WHERE 函数,用来计算手臂的位置。

计算问题

在实际应用中,求解运动学方程所需的时间是必须考虑的。主要耗时的是计算超越函数(正弦、余弦)。与其利用标准库中的函数来计算,不如把结果以表的形式放在内存中。