機(jī)器人操作臂運(yùn)動學(xué).ppt

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1、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ),,第三章 操作臂運(yùn)動學(xué) 課程的基本要求: 熟練掌握機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解的D-H矩陣方法，掌握運(yùn)動學(xué)反解的基本原理。理解機(jī)器人運(yùn)動的二個(gè)描述空間。 背景知識 機(jī)器人運(yùn)動學(xué) 機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué) 關(guān)節(jié)空間與操作空間,3.1 連桿參數(shù)和連桿坐標(biāo)系 Denavit - Hartenberg Parameters,第三章 操作臂運(yùn)動學(xué),連桿的描述,n自由度機(jī)械臂--n個(gè)單自由度關(guān)節(jié)與n-1個(gè)零長度連桿組成的模型。 只考慮具有單自由度關(guān)節(jié)的操作器。 連桿編號由固定基座開始： 固定基座連桿0 第一個(gè)運(yùn)動體連桿1 ,通常為了能在三維空間定位末端執(zhí)行器，最少要求有6個(gè)關(guān)節(jié)。,連桿坐標(biāo)系 關(guān)節(jié) 1 是垂

2、直于肩, 關(guān)節(jié) 2 經(jīng)過肩水平線, 關(guān)節(jié) 3 是在肘部。關(guān)節(jié) 4, 5 & 6 是在手腕上，初始位置關(guān)節(jié)4 和關(guān)節(jié)6 共同沿著前臂,關(guān)節(jié)5 垂直于關(guān)節(jié)4 和關(guān)節(jié)6。,連桿坐標(biāo)系,Specification of Base & Final link frames,Base frame,is fixed at the base.,Final frame,is fixed at the gripper.,首、末連桿,參數(shù)/變量: , a , d, ,基本思想：每個(gè)關(guān)節(jié)分配一個(gè)坐標(biāo)系。用D-H參數(shù)，描述框i相對于前一個(gè)框i-1的位姿需要4個(gè)參數(shù),D-H參數(shù),Z(i - 1),X(i -1),Y(i

3、-1),( i - 1),a(i - 1 ),Z i,Y i,X i,a i,d i, i,,1） ai-1 定義: ai-1 兩個(gè)關(guān)節(jié)軸線公垂線的長度. 關(guān)節(jié)軸是圍繞它發(fā)生旋轉(zhuǎn)的有向空間直線，在圖中是 Zi-1和 Zi 軸。,Zi - 1,Xi -1,Yi -1, i - 1,ai - 1,Z i,Y i,X i,a i,d i, i,可視化方法：想象一個(gè)圓柱面圍繞軸Z(i-1) 擴(kuò)展 當(dāng)圓柱面剛剛觸及軸 i 時(shí)，圓柱的半徑等于a(i-1)。 圖示方法： 若已經(jīng)定義了坐標(biāo)系, 公垂線通常是X(i-1) 軸.因此 a(i-1) 恰是沿著X(i-1)從框i-1 到框i 的位移 如果連桿是移動關(guān)節(jié)

4、, 那么 a(i-1) 是變量，而不是參數(shù),連桿參數(shù)a(i-1) 的識別方法：,,2) (i-1) 定義: 使關(guān)節(jié)軸平行時(shí)，繞公垂線旋轉(zhuǎn)的角度. 按右手規(guī)則確定正向旋轉(zhuǎn)。 繞X(i-1) 軸旋轉(zhuǎn)使 Z(i-1) 指向Zi 軸的方向,3) di 定義: 為了使公垂線a(i-1)和公垂線ai與Zi的交點(diǎn)對起，沿Zi 軸所需的位移。 即，沿Zi 對準(zhǔn)X(i-1) 和 Xi 軸.,,4) i 為了對準(zhǔn)X(i-1) 軸和Xi 軸，繞Zi 軸所需轉(zhuǎn)動的角度,,,連桿的描述參數(shù),為了運(yùn)動學(xué)建模的目的，一個(gè)連桿由兩個(gè)數(shù)字來確定，這兩個(gè)數(shù)字規(guī)定了空間這兩個(gè)軸線的相對位置。 連桿長度 連桿扭轉(zhuǎn)角(twist),,

5、,,n,連桿連接參數(shù)的描述,中間連桿 兩條連桿之間的偏置 兩條連桿之間的關(guān)節(jié)角,,,,,對于運(yùn)動鏈兩端，按習(xí)慣約定,首、末連桿,d1和d6以及1和6的確定方法如下。 若關(guān)節(jié)1是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，則1是可變的，稱為關(guān)節(jié)變量，規(guī)定1 0為連桿1的零位。習(xí)慣約定d10,若關(guān)節(jié)1是移動關(guān)節(jié)，則d1是可變的，稱為關(guān)節(jié)變量，規(guī)定d1=0為連桿1的零位。習(xí)慣約定10。 上面的約定對于關(guān)節(jié)6同樣適用。,連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量,每個(gè)連桿由四個(gè)參數(shù) 來描述， 描述連桿i-1本身的特征， 描述連桿i-1與連桿i之間的聯(lián)系。對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i僅 是關(guān)節(jié)變量，其他三個(gè)參數(shù)固定不變；對于移動關(guān)節(jié)i，僅 是關(guān)節(jié)變量，其他三個(gè)參數(shù)

6、因定不變。這種描述機(jī)構(gòu)運(yùn)動的方法首先是Denavit和Hartenberg提出來的，稱為D-H方法。,,一個(gè)6關(guān)節(jié)的機(jī)器人，用18個(gè)參數(shù)可以完全表示它的運(yùn)動學(xué)中固定部分，而用6個(gè)關(guān)節(jié)變量描述運(yùn)動學(xué)變動部分。,,關(guān)節(jié)變量,,連桿i-1幾何特征,連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量,i-1從zi-1到zi沿xi-1旋轉(zhuǎn)的角度 ai-1 從zi-1到zi沿xi-1測量的距離 di從xi-1到xi沿zi測量的距離 i從xi-1到xi沿zi旋轉(zhuǎn)的角度,3.1連桿變換和運(yùn)動學(xué)方程,連桿變換,連桿變換可以看成是坐標(biāo)系i經(jīng)以下四個(gè)子變換得到的：,,,,用4個(gè)參數(shù)對準(zhǔn)兩個(gè)關(guān)節(jié)的軸線,因?yàn)檫@些子變換都是相對于動坐標(biāo)系描述的，按照“

7、從左向右”的原則得到,連桿變換矩陣,（The Denavit-Hartenberg Matrix）,連桿變換矩陣,,D-H參數(shù)矩陣,與齊次變換矩陣一樣， D-H參數(shù)矩陣是從一個(gè)坐標(biāo)系到下一個(gè)坐標(biāo)系的變換。用一系列D-H參數(shù)矩陣相乘，最終的結(jié)果是從某個(gè)坐標(biāo)系到初始坐標(biāo)系的變換。,連桿變換依賴于四個(gè)參數(shù)，其中只有一個(gè)是變化的。以下用qi表示第i個(gè)關(guān)節(jié)變量,手臂變換運(yùn)動學(xué)方程,手臂變換矩陣,Denavit-Hartenberg Link Parameter Table,表的用途: 1) 描述機(jī)器人的變量和參數(shù) 2) 通過變量的數(shù)值描述機(jī)器人的狀態(tài),i-1從zi-1到zi沿xi-1旋轉(zhuǎn)的角度ai-1從

8、zi-1到zi沿xi-1測量的距離 di從xi-1到xi沿zi測量的距離 i從xi-1到xi沿zi旋轉(zhuǎn)的角度,This is a translation by a0 followed by a rotation around the Z1 axis,This is a translation by a1 and then d2 followed by a rotation around the X1 and Z2 axis,,例,(P. 51, 第3.1題),y3,x3,The Situation: You have a robotic arm that starts out aligned

9、with the xo-axis. You tell the first link to move by 1 and the second link to move by 2. The Quest: What is the position of the end of the robotic arm?,1,2,兩關(guān)節(jié)機(jī)器人,,,,,,,,,,,X2,X3,Y2,Y3,,,,,,1,2,3,1,2,3,Example Problem: You are have a three link arm that starts out aligned in the x-axis. Each link ha

10、s lengths l1, l2, l3, respectively. You tell the first one to move by 1 , and so on as the diagram suggests. Find the Homogeneous matrix to get the position of the yellow dot in the X0Y0 frame.,,,,,X1,Y1,,,X0,Y0,The position of the yellow dot relative to the X3Y3 frame is (l1, 0). Multiplying H by t

11、hat position vector will give you the coordinates of the yellow point relative the the X0Y0 frame.,,,,,,,,,,,X2,X3,Y2,Y3,,,,,,1,2,3,1,2,3,,,,,X1,Y1,,,X0,Y0,H = Rz(1 ) * Tx1(l1) * Rz(2 ) * Tx2(l2) * Rz(3 ),i.e. Rotating by 1 will put you in the X1Y1 frame. Translate in the along the X1 axis by l1.

12、Rotating by 2 will put you in the X2Y2 frame. and so on until you are in the X3Y3 frame.,,Slight variation on the last solution: Make the yellow dot the origin of a new coordinate X4Y4 frame,,,,,,,,,,,X2,X3,Y2,Y3,,,,,,1,2,3,1,2,3,,,,,X1,Y1,,,X0,Y0,,X4,Y4,H = Rz(1 ) * Tx1(l1) * Rz(2 ) * Tx2(l2) *

13、Rz(3 ) * Tx3(l3) This takes you from the X0Y0 frame to the X4Y4 frame. The position of the yellow dot relative to the X4Y4 frame is (0,0).,We are interested in two kinematics topics Forward Kinematics (angles to position) What you are given: The length of each link The angle of each joint What you

14、can find: The position of any point (i.e. its (x, y, z) coordinates) Inverse Kinematics (position to angles) What you are given:The length of each link The position of some point on the robot What you can find:The angles of each joint needed to obtain that position,,3.4 PUMA560機(jī)器人運(yùn)動學(xué),PUMA560機(jī)器人關(guān)節(jié)空間

15、運(yùn)動,PUMA560連桿坐標(biāo)系,,則工具相對于工作站的位姿為,I n v e r s e K i n e m a t i c s From Position to Angles,A Simple Example,, 1,,,,X,Y,,,,,,S,Revolute and Prismatic Joints Combined,,(x , y),Finding 1:,More Specifically:,arctan2() specifies that its in the first quadrant,Finding S:,,,,,,,, 2,,,, 1,(x , y),,,,,,,l2,l1,

16、Inverse Kinematics of a Two Link Manipulator,Given:l1, l2 , x , y Find: 1, 2 Redundancy: A unique solution to this problem does not exist. Notice, that using the “givens” two solutions are possible. Sometimes no solution is possible.,,(x , y),,,,l2,l1,,,The Geometric Solution,,,,,,,,,,,,,l1,l2,,,,

17、 2, 1,,,,(x , y),Using the Law of Cosines:,Using the Law of Cosines:,Redundant since 2 could be in the first or fourth quadrant.,Redundancy caused since 2 has two possible values,,,,,The Algebraic Solution,,,,,,,,,,,,,l1,l2,,,, 2, 1,,,,,(x , y),Only Unknown,,,記：,有,We know what 2 is from the previous

18、 slide. We need to solve for 1 . Now we have two equations and two unknowns (sin 1 and cos 1 ),Substituting for c1 and simplifying many times,Notice this is the law of cosines and can be replaced by x2+ y2,,,,,,例如， PUMA 560存在8種運(yùn)動反解,3.6 腕部三軸相交時(shí)的封閉解,對于6個(gè)自由度的機(jī)器人而言運(yùn)動學(xué)反解非常復(fù)雜，一般沒有封閉解。 6個(gè)自由度的機(jī)器人具有封閉反解的兩個(gè)充分

19、條件(Pieper準(zhǔn)則) (1)三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸交于一點(diǎn)；(PUMA、Stanford),或 (2)三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸相互平行；(ASEA，MINIMOVER) 對于如PUMA560機(jī)器人，滿足條件(1) ，運(yùn)動學(xué)方程可分解為： (1)腕部位置的反解 (2)手腕方位的反解,,3.7運(yùn)動學(xué)反解的有關(guān)問題,運(yùn)動學(xué)方程的一般形式： n6, 6個(gè)未知數(shù)，12個(gè)方程，其中6個(gè)為獨(dú)立方程，存在以下問題： 解是否存在？ 是否唯一？ 是否可以寫成封閉解形式？ 如何求解？,一、解的存在性和工作空間,理論上，可達(dá)工作空間為一個(gè)圓環(huán)，其內(nèi)外半徑分別為l1l2和l1l2；靈活工作空間：若l1l2 ，原點(diǎn)；若l1l2 ，空集

20、。 實(shí)際上，還需要考慮關(guān)節(jié)角的限制，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)等。,例如，平面2R機(jī)械手,工作空間(Workspace)：不同關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角所達(dá)到的末端執(zhí)行器的所有形位的集合。是反解存在的區(qū)域（操作空間中）。 靈活(工作)空間(Dextrous Workspace)：機(jī)器人手爪能以任意方位到達(dá)的目標(biāo)集合。 可達(dá)(工作)空間(Reachable Workspace)：機(jī)器人手爪至少能以一個(gè)方位到達(dá)的目標(biāo)集合。,,,,工作空間,討論,（1）關(guān)節(jié)角取值范圍對工作空間的影響； （2）操作臂的自由度對工作空間的影響； （3）末端執(zhí)行器或工具坐標(biāo)系對工作空間的影響；,反解的唯一性和最優(yōu)解,機(jī)器人操作臂運(yùn)動學(xué)反解的數(shù)目決定于關(guān)

21、節(jié)數(shù)目、連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量的活動范圍。一般而言，非零連桿參數(shù)愈多，運(yùn)動學(xué)反解的數(shù)目愈多，例如PUMA 560。 最優(yōu)解：如何從多重解中選擇一個(gè)最優(yōu)解？最優(yōu)準(zhǔn)則？尋求方法？在避免碰撞的前提下，通常按“最短行程”準(zhǔn)則。使每個(gè)關(guān)節(jié)的移動量為最小。對于典型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)遵循“多移動小關(guān)節(jié)、少移動大關(guān)節(jié)”的原則。,,例如， PUMA 560存在8種運(yùn)動反解,三、求解方法,幾何解 解析解(analytical solution, closure solution) 封閉解法計(jì)算速度快，效率高 數(shù)值求解(numerical solution ) 在多重解情況下，難以算出所有的解,關(guān)節(jié)空間 n個(gè)自由度的操作臂的

22、末端位姿由n個(gè)關(guān)節(jié)變量所決定，這n個(gè)關(guān)節(jié)變量統(tǒng)稱為n維關(guān)節(jié)矢量，記為q，所有的關(guān)節(jié)矢量q構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間。 操作空間：末端抓手的位置和方位在直角坐標(biāo)空間中的描述；,3.8 關(guān)節(jié)空間和操作空間,關(guān)節(jié)空間和操作空間,操作空間 末端手爪的位姿x是在直角坐標(biāo)空間中描述的，即用操作空間來表示。其中位置用直角坐標(biāo)表示，而方位用齊次坐標(biāo)或者歐拉角、RPY角方法表示。運(yùn)動學(xué)方程 可以看成是由關(guān)節(jié)空間向操作空間的映射；而運(yùn)動學(xué)反解是由其映象求其關(guān)節(jié)空間中的原象。,關(guān)節(jié)空間,操作空間,,,運(yùn)動學(xué)正解,運(yùn)動學(xué)反解,二種描述空間,單個(gè)地看，不同的關(guān)節(jié)非常簡單。 它們的運(yùn)動容易理解和可視化。在左邊

23、的例子中，一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用來移動簡單的機(jī)械手末端操縱裝置。 在同一時(shí)刻，只有一個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動，以便你能容易地看見是由用棱柱型關(guān)節(jié) (黃色元件沿著紅色元件的線性運(yùn)動) 和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) (紅色元件相對基座回轉(zhuǎn)運(yùn)動)提供的獨(dú)立的運(yùn)動。 當(dāng)它們共同地工作的時(shí)候 , 這二個(gè)簡單的關(guān)節(jié)能產(chǎn)生更復(fù)雜的運(yùn)動, 如例子所示在操作空間的運(yùn)動。,關(guān)節(jié)空間運(yùn)動,操作空間運(yùn)動,作業(yè)：3.9,,各驅(qū)動器的位置統(tǒng)稱為驅(qū)動矢量S 驅(qū)動空間：驅(qū)動矢量S所構(gòu)成的空間,,,,,,,,x0,z0,z1,x1,,,,,,z2,x2,,,y2,y0,y1,,z3,,,x3,,z4,x4,z5,,x5,z6,,,,,,,x6,,作業(yè) 3.9,