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1、机器人学导论v空间描述和变换v机械臂的运动学（正运动学和逆运动学）v机械臂的动力学（每个关节运动所需的力）v轨迹的生成v机械臂的设计v机械臂的控制第一章第一章 空间描述和变换空间描述和变换 1.1 1.1 引言引言操操作作臂臂运运动动学学正运动学：正运动学：逆运动学：逆运动学：关节变量关节变量末端执行末端执行器位姿器位姿末端执行末端执行器位姿器位姿关节变量关节变量杆件参数杆件参数杆件参数杆件参数1.2 1.2 描述：位置、姿态和坐标系描述：位置、姿态和坐标系 位置描述位置描述 一旦建立坐标系，就能用一一旦建立坐标系，就能用一个个3 3* *1 1的的位置矢量对世界坐标矢量对世界坐标系中的任何点
2、进行定位。因系中的任何点进行定位。因为在世界坐标系中经常还要为在世界坐标系中经常还要定义许多坐标系，因此在位定义许多坐标系，因此在位置矢量上附加一信息，标明置矢量上附加一信息，标明是在哪一坐标系中被定义的是在哪一坐标系中被定义的。 PAPB例如：例如： 表示矢量表示矢量P在在A坐标系中的表示。坐标系中的表示。 表示矢量表示矢量P在在B坐标系中的表示。坐标系中的表示。v姿态描述 位置描述只能表示空间的点。但对于末端执行器还需要描述其空间的姿态。例如在右图中矢量 可确定操作手指端之间的某点，但手的姿态不能确定。所以在右图中，如果已知坐标系B以某种方式固定在物体上，那么B相对于A中的描述就可以表示出
3、物体的姿态。PA用用 表示坐标系表示坐标系B主轴方向的单位矢量，当用坐标系主轴方向的单位矢量，当用坐标系A表表达时，它们被写成达时，它们被写成 ，3个矢量确定一个姿态。个矢量确定一个姿态。BBBZYX,BBBZYXAAA,旋转矩阵旋转矩阵R是坐标系是坐标系B相对于坐标系相对于坐标系A的表达。的表达。（这里仅仅考虑旋转变换）（这里仅仅考虑旋转变换）例题：如右图所示，坐标系例题：如右图所示，坐标系B B相对于坐相对于坐标系标系A A绕绕Z Z轴旋转轴旋转3030。这里。这里Z Z轴为由纸轴为由纸内指向纸面外，求：内指向纸面外，求：1.1.坐标系坐标系B B相对于相对于A A的旋转矩阵的旋转矩阵R
4、R（用单（用单位向量表示）？位向量表示）？2.2.已知已知 =0.0 =0.0；2.02.0；3.0,3.0,求求 ？ pBpA解：解：ABABABABABABABABABZZZYZXYZYYYXXZXYXX0cos90cos90cos90cos30cos60cos90cos120cos30cos坐标系的变换 完整描述上图中操作手位姿所需的信息为位置和姿态。机器人学中将此组合叫做坐标系。四个矢量为一组，一个矢量表示位置，另外三个矢量表示姿态。这就可以确定一个坐标系相对于其他坐标系的位姿了。例如：用 来描述坐标系B在坐标系A中的表达。其中 表示坐标系的原点相对于坐标系A原点的位置。 BORGAB
5、PRA和BORGAP这里坐标系这里坐标系B相对于坐标系相对于坐标系A不仅有旋转还有平移变换。图中已知不仅有旋转还有平移变换。图中已知 ，如何求如何求 ？PBPA 首先将 变换到一个中间坐标系，这个坐标系和A的姿态相同、原点和B的原点重合，可由左乘矩阵 得到。然后用矢量加法将原点平移，得到： 可以写成： 定义一个4*4的矩阵算子并使用了4*1位置矢量，这样可写成：PBRABBORGABABAPPRP1ORGBABABPPR例题：右图坐标系例题：右图坐标系B绕绕坐标系坐标系A的的Z轴旋转轴旋转30，沿，沿AX轴平移轴平移10个单位，再沿个单位，再沿Y轴平移轴平移5个单位。已个单位。已知知 ，求求
6、解：解：第二章 操作臂运动学v操作臂运动学研究的是手臂各连杆间的位移关系，速度关系和加速度关系。 本章只讨论静止状态下操作臂连杆位置和姿态。PUMA560机器人2.1 连杆参数与连杆坐标系的建立1.连杆参数的定义v1、连杆长度、连杆长度ai-1v 从 Zi-1轴到Zi轴的距离，沿Xi-1的方向为正。v2、扭角（连杆转角）、扭角（连杆转角）v Zi-1轴绕Xi-1 按逆时针方向旋转至与Zi轴平行时所转过的角度。（注：平行关节轴 为O）v3、连杆偏距、连杆偏距div 从公垂线ai-1与关节轴i的交点到公垂线ai与关节轴i的交点的有向距离，沿Zi的方向为正。v4、转角（关节角）、转角（关节角） Xi
7、-1轴绕Zi 按逆时针方向旋转至与Xi轴平行时所转过的角度。（当关节i为转动关节时，关节角是一个变量）1ii1i2.建立连杆坐标系的步骤第第1步步：确定坐标系的Z轴 以关节轴线作为Z轴，指向任意第第2步步：确定坐标系的原点 以Zi-1轴和Zi的公垂线在Zi-1轴的垂足作为i-1的原点Oi-1第第3步步：确定坐标系的X轴 以Zi-1轴和Zi的公垂线作为Xi-1轴其方向，由Zi-1轴指向Zi（如果Zi-1轴和Zi相交，规定X轴垂直于Zi-1轴和Zi所在的平面）。第第4步步：按照右手定则确定坐标系的Y轴注意：当第一个关节变量为0时，规定坐标系0和1重合，对于坐标系N，其原点和X轴的方向任选，但通常尽
8、量使连杆参数为0。 为了确定机器人各连杆之间相对运动关系，在各连杆上分别固接一个坐标系。与基座固接的坐标系记为0，与连杆i固接的坐标系记为i 。连杆i-2连杆i-1连杆i3.连杆坐标系的建立过程1iXi-1ai-1XiZiZi-1idi4.连杆变换 图中有图中有5个坐标系个坐标系i-1,R,Q,P,i。R由由i-1绕绕x轴旋转轴旋转i-1得得到到,Q由由R沿沿x轴方向平移轴方向平移ai-1得到得到,P由由R绕绕z轴旋转轴旋转i得到，得到，i由由P沿沿z轴方向平移轴方向平移di得到。得到。连杆坐标系i相对于i-1的变换i-1 iT 称为连杆变换。连杆变换 i-1 iT 可以看成是坐标系i经以下四
9、个子变换得到的： ),(),(),(),(111iiiiiidzTranszRotaxTransxRotT100001111111111iiiiiiiiiiiiiiiiiiicdcscsssdscccsascT尝试分别写出每步的变换过程。尝试分别写出每步的变换过程。 例题：下图为一个平面三杆操作臂，三个关节均为转动关节，例题：下图为一个平面三杆操作臂，三个关节均为转动关节，称为称为RRRRRR（3R3R）机构。尝试建立连杆坐标系和）机构。尝试建立连杆坐标系和D-HD-H参数表。参数表。 由于该操作臂位于一个平面上，因此由于该操作臂位于一个平面上，因此所有的轴相互平行，没有连杆偏距，即所有的轴相
10、互平行，没有连杆偏距，即di都为都为0。所有关节都是旋转关节，因此。所有关节都是旋转关节，因此但转角都为但转角都为0时，所有的时，所有的X轴一定在一条轴一定在一条直线上。直线上。图中所有关节轴都是平行的，图中所有关节轴都是平行的，因此所有的因此所有的 都为都为0。1i由上题的D-H表，计算各个连杆的变换矩阵。10000100001cos1sin001sin1cos01T10000100002cos2sin102sin2cos12LT10000100003cos3sin203sin3cos23LTTTTT23120103PUMA560机器人运动学问题图：PUMA560机械臂运动参数和坐标系分布建
11、立PUMA560的连杆参数表如下表所示：iai-1dii（变量）10001（90）2-900d22（0）30a203（-90）4-90a3d44（0）590005（0）6-90006（0）1i连杆参数值连杆参数值/mm a2=431.8 a3=20.32 d2=149.09 d4= 433.07PUMA560变换矩阵)()()()()()(65654543432321210106TTTTTTT将各个连杆变换矩阵相乘便得到PUMA560手臂变换矩阵什么是机器人运动学正解？什么是机器人运动学反解？操作臂运动学反解的方法可以分为两类：封闭解和数值解、在进行反解时总是力求得到封闭解。因为封闭解的计算速
12、度快，效率高，便于实时控制。而数值法不具有些特点为。操作臂的运动学反解封闭解可通过两种途径得到：代数解和几何解。一般而言，非零连杆参数越多，到达某一目标的方式也越多，即运动学反解的数目也越多。在从多重解中选择解时，应根据具体情况，在避免碰撞的前提下通常按“最短行程最短行程”准则来选择。同时还应当兼顾“多多移动小关节，少移动大关节移动小关节，少移动大关节”的原则。4 PUMA560机器人运动学反解-反变换法v由于 交于一点W,点W在基础坐标系中的位置仅与 有关。据此，可先解出 ，再分离出 ，并逐一求解。 v1.求1 654,zzz321,321,654,6111116165322161111000100001000000)(TpaonpaonpaoncsscTTTTTTzzzzyyyyxxxxoo211dpcpsyx)(2tan)(2tan222221dppdappayxxy有两个可能的解。反解的多解性5 PUMA560运动学反解-Pieper方法v对于6自由度的机器人而言，运动学反解非常复杂，一般没有封闭解。只有在某些特殊情况下才可能得到封闭解。不过，大多数工业机器人都满足封闭解的两个充分条件之一（Pieper准则）v （1）三个相邻关节轴交于一点v （2）三个相邻关节轴相互平行
