机器人坐标系统ppt课件.ppt

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1、机器人技术机器人技术2022-8-31第三章 机器人坐标系统 张远辉张远辉 机械电子所机械电子所 2014第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-32 机器人是个复杂的运动系统，它的每一个机器人是个复杂的运动系统，它的每一个动作都是各个元部件共同作用的结果。动作都是各个元部件共同作用的结果。第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线

2、组成中一个重要组成部分2022-8-333.1 位置与姿态位置与姿态 3.2 正交坐标系正交坐标系 3.3 运动坐标表示运动坐标表示 3.4 齐次坐标变换齐次坐标变换 3.5 机器人坐标系统机器人坐标系统 为了系统地、精确地描述各个元部件的作用以及它们为了系统地、精确地描述各个元部件的作用以及它们之间的关系，需要引入一套机器人坐标系统。之间的关系，需要引入一套机器人坐标系统。 第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-34 要全面地确定一个物体在

3、三维空间中的状态需要有三个位置自由度要全面地确定一个物体在三维空间中的状态需要有三个位置自由度和三个姿态自由度。前者用来确定物体在空间中的具体方位，后者则是和三个姿态自由度。前者用来确定物体在空间中的具体方位，后者则是确定物体的指向。我们将物体的六个自由度的状态称为物体的位姿。确定物体的指向。我们将物体的六个自由度的状态称为物体的位姿。 如果如果H H为手坐标系，用以描述为手坐标系，用以描述手的姿态，那再加上手的位置就手的姿态，那再加上手的位置就构成了手的位姿。构成了手的位姿。 3.1 位置与姿态位置与姿态 一般姿态的描述可以用一般姿态的描述可以用横滚横滚（Roll）、）、俯仰俯仰（Pitch

4、）和）和侧摆侧摆（Yaw）三轴的转角来实现。）三轴的转角来实现。 绕坐标系绕坐标系H H各轴转动各轴转动yawProllpitchHXHZHYH第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-35从二维坐标系说起从二维坐标系说起ijBnoHP如果已知P点在H坐标系下的坐标为1,1T, 则P在B下的坐标?第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统

5、接线组成中一个重要组成部分2022-8-36ijBnoHP坐标系重合的情况（旋转）11HP ?BP 第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-37正交基之间的变换xyinnnj xyioooj 1 1?niPoj 第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-38带入后1 11 11 1xyxyxyxy

6、innjnnniooojiooj 1 1?xyxynnoo坐标写成列向量?1?1xxyynono 第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-39旋转矩阵R?1?1xxyynono xxBHBHHyynoPPRPno第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-310仅仅只有平移ijBnoHPH坐标系的原

7、点，在B坐标系中的坐标是a,bT ，则第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-311仅仅只有平移ijBnoHP11HP ?BP BHaPPb 第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-312先平移+后旋转ijBnoHnoHHHHHPRPBHaPPb BHHHaPRPb 第三章第三章 机器人坐标系统

8、机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-313先旋转+后(相对于B平移a,b)ijBnoHnoB()BBHBBHBBBaaPRPRRPbb BBBBPRP?BHPPHBBBaPPRb 第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-314有加法和乘法-整合BBHHaPRPb 11001BBHHaRPPb BHT第三章第三章 机器人

9、坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3153.2 正交坐标系正交坐标系3.2.1 正交坐标系及矢量的基础知识正交坐标系及矢量的基础知识 右图是所谓的正交坐右图是所谓的正交坐标系标系B(x,y,z)B(x,y,z)，用来表示，用来表示机器人的基坐标，机器人的基坐标，其中其中 , , 分别分别是三个是三个坐标轴的单位向量坐标轴的单位向量。 B B系中有另外一个坐标系中有另外一个坐标系系H H（x xH，yH，zH），用来），用来表示手坐标表示手坐标, 其中其中 ,

10、 , 分别是分别是H系系三个坐标轴的单位向量。三个坐标轴的单位向量。 ijknoazyxBHHzHxHyanoijkP端点端点P P相对于机器人手坐标系相对于机器人手坐标系H H及基座坐标系及基座坐标系B B的定位的定位第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3163.2.1.1 正交坐标系的性质正交坐标系的性质 kjiaaaooonnnaonzyxzyxzyx单位矢量单位矢量 , , 在基坐标系中可表示为在基坐标系中可表示为no a 根据矢量

11、点积和叉积的性质，对于相互正交的单位矢根据矢量点积和叉积的性质，对于相互正交的单位矢量量 ， ， 有有ona 对于单位矢量对于单位矢量 , , 也有同样的性质。也有同样的性质。 ijkaononanao1aaoonn0naaoon第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-317 令矩阵令矩阵 R称为正交坐标变换矩阵。称为正交坐标变换矩阵。 zyxzyxzyxTaaaooonnnRzyxnnnnzyxoooozyxaaaa当用列向量表示单位矢量时，

12、有当用列向量表示单位矢量时，有zzzyyyxxxaonaonaonaonR于是，变换矩阵于是，变换矩阵R可以表示为：可以表示为：当用矩阵表示两个矢量的点乘时，有当用矩阵表示两个矢量的点乘时，有0onooonnnononononTzyxzyxzzyyxx第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3183.2.1.2 正交坐标变换矩阵正交坐标变换矩阵R R的性质的性质 显然显然TTTzyxzyxzyxTaonaaaooonnnR由上式可得由上式可得

13、从而可得结论：正交变换矩阵为正交矩阵。从而可得结论：正交变换矩阵为正交矩阵。 于是可得于是可得IaaoanaaooonoanonnnaonaonRRTTTTTTTTTTTTT1000100011- RRT第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3193.2.1.3 正交坐标变换矩阵的几何意义正交坐标变换矩阵的几何意义 , 上式可写成上式可写成其中其中 kjiRaonT 1- RRT考虑到考虑到aonRkji 上式表明正交坐标变换矩阵上式表明正交

14、坐标变换矩阵R实现了由手坐标系实现了由手坐标系H到基到基坐标系坐标系B的正交坐标变换，它可以将一组的正交坐标变换，它可以将一组3个相互正交的单个相互正交的单位矢量变换为另一组位矢量变换为另一组3个相互正交的单位矢量，每一组单位个相互正交的单位矢量，每一组单位矢量均代表了一个正交坐标系。这也说明了将矩阵矢量均代表了一个正交坐标系。这也说明了将矩阵R称为正称为正交坐标变换矩阵的原因。在机器人学中经常要用到这种正交交坐标变换矩阵的原因。在机器人学中经常要用到这种正交坐标变换。坐标变换。第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成

15、输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3203.2.2 位置的描述位置的描述 一旦建立起一个坐标系，我们就可以用一旦建立起一个坐标系，我们就可以用3 3维的位置矢量来确维的位置矢量来确定该空间内任一点的位置定该空间内任一点的位置 。其中，。其中，x x、y y、z z是是p p点在笛卡尔坐标系的三个坐标轴上坐标分量。用这种方法可以点在笛卡尔坐标系的三个坐标轴上坐标分量。用这种方法可以很容易地表示出手坐标（原点）在基坐标系中的空间位置。很容易地表示出手坐标（原点）在基坐标系中的空间位置。TzyxP 3.2.3 姿态的描述姿态的描述 物体的姿态可由某个固接在物

16、体上的坐标系来描述。设在物体的姿态可由某个固接在物体上的坐标系来描述。设在空间中除了有参考坐标系空间中除了有参考坐标系B B外，还有物体质心上的一个笛卡尔正外，还有物体质心上的一个笛卡尔正交坐标系交坐标系H H，且，且H H系与此物体的空间位置关系是固定不变的，那系与此物体的空间位置关系是固定不变的，那么就可以么就可以H H系的三个坐标轴的单位矢量相对于系的三个坐标轴的单位矢量相对于B B系的方向来表示系的方向来表示H H系和系和B B系的姿态。系的姿态。 第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主

17、接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-321第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-322 假设假设 为为H H坐标系中某轴的单位向量，即它在坐标系中某轴的单位向量，即它在B B坐标系的方坐标系的方向可以向可以 与与B B系三轴夹角的余弦值为分量加以表达，见下图。系三轴夹角的余弦值为分量加以表达，见下图。 ll 因此正交坐标变换矩阵因此正交坐标变换矩阵R R为一方向余弦矩阵，也被称之为为一方向余弦矩阵，也被称之为旋转矩阵（具体含

18、义将在后面小节中阐述）。旋转矩阵（具体含义将在后面小节中阐述）。 故有故有kjillllcoscoscosaonaonaoncoscoscoscoscoscoscoscoscos 根据前面的推导可得根据前面的推导可得aonR jlxyzkBllli 矢量的方向矢径表示矢量的方向矢径表示第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3233.3 运动坐标表示运动坐标表示 3.3.1 平动的坐标表示平动的坐标表示 设手坐标系设手坐标系H H与基坐标系与基

19、坐标系B B具具有相同的姿态，但有相同的姿态，但H H系坐标原系坐标原点与点与B B系的原点不重合。用矢系的原点不重合。用矢量量 来描述来描述H H系相对于系相对于B B系的位系的位置（如右图所示），称置（如右图所示），称 为为H H系相对于系相对于B B系的平移矢量。如系的平移矢量。如果点果点p p在在H H系中的位置为系中的位置为 ，那，那么它相对于么它相对于B B系的位置矢量系的位置矢量可由矢量相加得出，即可由矢量相加得出，即rrrp0称其为称其为坐标平移方程坐标平移方程。0r0rrprr0rHxPHzyxHyHzBpr 表示移动的坐标变换表示移动的坐标变换第三章第三章 机器人坐标系统机

20、器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-324 下面以绕下面以绕z z轴轴转动转动 角为例来角为例来研究绕坐标轴转研究绕坐标轴转动某个角度的表动某个角度的表示法。设示法。设H系从系从与与B系相重合的系相重合的位置绕位置绕B系的系的z轴轴转动角转动角 ，H系系与与B系的关系如系的关系如右图所示。右图所示。zz3.3.2 转动的坐标表示转动的坐标表示 (1) (1) 绕坐标轴转动某个角度的表示法绕坐标轴转动某个角度的表示法 naHxxyzHzHyHB,ozz H H系相对系相对

21、B B系绕系绕z z轴转动轴转动zz角的坐标关系角的坐标关系第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-325 若将若将H系的系的3个单位矢量表示在个单位矢量表示在B系中，则有系中，则有100a0sincoszzn，-0cossinzzo，实现两个坐标系之间的转动关系的矩阵，又叫转动矩阵实现两个坐标系之间的转动关系的矩阵，又叫转动矩阵R，可表示为可表示为-1000cossin0sincoszzzzaonR 上面的分析说明了上面的分析说明了R矩阵可以

22、用来表示绕坐标轴的转动，矩阵可以用来表示绕坐标轴的转动，这表征了这表征了R矩阵的另一种几何意义。矩阵的另一种几何意义。第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-326 设设B系与系与H系的系的z轴相重合，轴相重合，B系绕系绕z轴转动角轴转动角 就得就得H系，系，如下图所示。如下图所示。 z(2) (2) 两个坐标系的投影之间的关系两个坐标系的投影之间的关系xyHy),(HBzzzHxyxA CuPv 矢径矢径BPBP在在H H系与系与B B系的投

23、影关系系的投影关系O第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-327已知矢径已知矢径 在在H系三轴投影分别为系三轴投影分别为u,v,w。则由上图可知。则由上图可知OPzzvuACOCAOxsincos-zzvuycossinwz 由上式可见，由上式可见，R矩阵可以将矢径在手坐标系上的投影矩阵可以将矢径在手坐标系上的投影变换到该矢径在基坐标系上的投影，这表征了变换到该矢径在基坐标系上的投影，这表征了R矩阵的又矩阵的又一种几何意义。一种几何意义。-w

24、vuRwvuzyxzzzz1000cossin0sincos于是有于是有（）（）第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-328(3) (3) 具有转动关系的两个矢量的投影之间的关系具有转动关系的两个矢量的投影之间的关系 设矢量设矢量 在坐标系在坐标系Bxy的投影为的投影为u，v，w；将矢量；将矢量 绕绕z轴转动轴转动 角，得到矢量角，得到矢量 ，设矢量，设矢量 在同一坐标系的在同一坐标系的投影为投影为x, y, z，如下图所示。，如下图所示。

25、OQzOQPO PO xyHy),(HBzzHxyuPvxQ关系具有转动关系的两个矢量的投影之间的投影关系具有转动关系的两个矢量的投影之间的投影O第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-329 如果注意到如果注意到 在在x,y轴的投影相当于轴的投影相当于 在在 轴的投轴的投影，再对比页和页的两个图所示的相同几何关系，影，再对比页和页的两个图所示的相同几何关系，便可得式（）相同结果，只是此时的便可得式（）相同结果，只是此时的u，v，w与与x，y，

26、z同前面讨论的情况的几何含义不同。这时矩阵同前面讨论的情况的几何含义不同。这时矩阵R用来表示用来表示具有转动关系的两个矢量在同一坐标系中的投影之间的关具有转动关系的两个矢量在同一坐标系中的投影之间的关系，这表征了系，这表征了R矩阵的最后一种几何意义。矩阵的最后一种几何意义。 至此，归纳了至此，归纳了R矩阵的四种几何意义，这对于认识矩阵的四种几何意义，这对于认识R矩矩阵的本质，研究机器人的坐标系统很有帮助。阵的本质，研究机器人的坐标系统很有帮助。PQHHyx ,第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的

27、主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3303.3.3 复合运动的坐标表示复合运动的坐标表示 设设H相对于相对于B的位置的位置矢量为矢量为 ，由，由H H到到B B的坐标变换矩阵是的坐标变换矩阵是 。 在在H H中有一点中有一点P P ，点，点P P 相对于相对于H H 的位置矢量的位置矢量为为 ，如右，如右图所示。图所示。 基坐标系基坐标系B和手坐和手坐标系标系H 的原点不重合，的原点不重合，而且两坐标系的姿态也而且两坐标系的姿态也不相同的情况。不相同的情况。Tcbar 0THwvur aonR zyxBHr0rHzHxHyanoPPAuvwHr 表示转动和移动的坐标变换表

28、示转动和移动的坐标变换第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-331Tpzyxr 对于任意一点对于任意一点P P在在B B和和H H系中的描述有以下的关系系中的描述有以下的关系HprRrr0其中，其中，是是 p 点相对点相对于于B B系的位置矢量。系的位置矢量。 至此，我们由浅入深地介绍了物体的基本宏观运动在坐标系中的表示至此，我们由浅入深地介绍了物体的基本宏观运动在坐标系中的表示方法，这是我们学习机器人复杂运动的最基本的数学工具。在后续章节中

29、方法，这是我们学习机器人复杂运动的最基本的数学工具。在后续章节中会频繁地用到。会频繁地用到。HcprRrrrr00 再由式（再由式（3-9），可得复合变换），可得复合变换HcrRr 可把上式看成坐标旋转和坐标平移的复合变换。实际上，规定一个过可把上式看成坐标旋转和坐标平移的复合变换。实际上，规定一个过渡坐标系渡坐标系C C，使，使C C的坐标原点与的坐标原点与H H系重合，而系重合，而C C的姿态和的姿态和B B系保持一致。根据系保持一致。根据式式（）可得由（）可得由H系到过渡坐标系系到过渡坐标系C的坐标变换为的坐标变换为其中，其中，是点是点P 在在C中的位置矢量。中的位置矢量。cr第三章第三

30、章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3323.4 齐次坐标变换齐次坐标变换 3.4.1 齐次坐标的定义和性质齐次坐标的定义和性质 3.4.1.1 齐次坐标的概念 用四个数所组成的列向量用四个数所组成的列向量 来表示三维空间中来表示三维空间中的一点的一点 ，这两个坐标向量之间的关系是，这两个坐标向量之间的关系是 ， ， 则则 称为三维空间点称为三维空间点 的齐次坐标。通常的齐次坐标。通常情况下取情况下取w=1, ,则则 的齐次坐标表示为的齐次坐标表示为

31、 。 TwzyxU Tcba)(wxa wyb wzc TwzyxTcba)(Tcba)(Tcba)1(第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3333.4.1.2 齐次坐标的性质齐次坐标的性质 （1）齐次坐标的不唯一性 所谓不唯一性是指某点的齐次坐标有无穷多点，不是所谓不唯一性是指某点的齐次坐标有无穷多点，不是单值确定的。例如单值确定的。例如 是某点的齐次坐标，则是某点的齐次坐标，则 也是该点的齐次坐标。也是该点的齐次坐标。 TwzyxTwz

32、yx（2）齐次坐标的原点和坐标轴 根据齐次坐标的定义，齐次坐标根据齐次坐标的定义，齐次坐标 表示坐表示坐标原点，而标原点，而 ， ， 分分别表示别表示OX轴、轴、OY轴和轴和OZ轴的无穷远点，即表示直角坐轴的无穷远点，即表示直角坐标的标的OX轴、轴、OY轴和轴和OZ轴。轴。T1000T0001T0010T0100第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-334TwzyxaaaaATwzyxbbbbB TwzyxrrrrR a= 常量标量常量标量设

33、设TwzyxaaaaaaATwzwzwywywxwxbbaabbaabbaaBA1wwzzyyxxbabababaBATwzyxrrrrBARwwwxyyxzzxxzyyzzyxbarbabarbabarbabar-,则有则有其中，其中，wzyxaaaaA/222（）（）第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3353.4.2 齐次变换和齐次矩阵齐次变换和齐次矩阵 在引入齐次坐标之后，现在我们来看如何用齐次坐标来在引入齐次坐标之后，现在我们来看

34、如何用齐次坐标来表示上一节中所讲的内容。在上一节的最后我们曾用笛卡尔表示上一节中所讲的内容。在上一节的最后我们曾用笛卡尔标系统表示出了物体复合运动，最后我们得出了标系统表示出了物体复合运动，最后我们得出了 的结论，它表示了的结论，它表示了 由到由到 的变换。现在我们利用齐次坐的变换。现在我们利用齐次坐标来表示出上式：标来表示出上式： HprRrr0Hrpr11010HprrRr11101wvuAwvucbaRzyx第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分20

35、22-8-336 A A矩阵称为矩阵称为齐次矩阵齐次矩阵（Homogeneous matrix）, ,在机器在机器人学中是个重要的术语，它将转动和移动组合在一个人学中是个重要的术语，它将转动和移动组合在一个4 44 4矩阵中。矩阵中。 其中其中 为为33的转动矩阵，的转动矩阵， 为为13的零的零阵阵 ， 为表示移动的为表示移动的31的列阵。接下来我们将的列阵。接下来我们将利用齐次矩阵来表示物体的运动。利用齐次矩阵来表示物体的运动。 33R310Tcba103133cbRaA式中式中旋转矩阵旋转矩阵平移矢量平移矢量透视变量透视变量比例因子比例因子齐次矩阵齐次矩阵齐次矩阵用途很广，更一般形式为：齐

36、次矩阵用途很广，更一般形式为：第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3373.4.2.1 利用齐次矩阵表示平移变换 设向量设向量 ，要和向量要和向量 相加得相加得V，即，即 （）（）TwzyxU Tcbakcjbi aP1PUV欲求一变换矩阵欲求一变换矩阵H，使得，使得U经过经过H变换之后变成向量变换之后变成向量V，即，即 （）（）考虑到式考虑到式（）（）和式和式（）（）等效，根据式（）可知等效，根据式（）可知UcbaTransV),( 平移

37、变换就是用于两个向量的相加。平移变换就是用于两个向量的相加。第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-338 此变换矩阵有一性质就是它的每一个元素乘上一个非此变换矩阵有一性质就是它的每一个元素乘上一个非零的元素后不会改变这个变换。零的元素后不会改变这个变换。 wzyxcbawcwzbwyawxwzcwybwxaPUV100010001000111000100010001),(cbacbaTransH由此可知得由此可知得第三章第三章 机器人坐标系统

38、机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3393.4.2.2 利用齐次矩阵表示旋转变换 根据直角坐标和齐次坐标的关系，易得绕根据直角坐标和齐次坐标的关系，易得绕X，Y，Z轴轴旋转一个角的相应旋转变换是旋转一个角的相应旋转变换是 -10000cossin00sincos00001),(XRot-10000cos0sin00100sin0cos),(YRot-1000010000cossin00sincos),(ZRot第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接

39、线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-340例如，已知一个向量例如，已知一个向量U绕绕Z轴旋转轴旋转90变成变成V，则用旋，则用旋转矩阵表示为转矩阵表示为UZRotV)90,(0UXRotYRotV)90,()60,(00如，一个向量如，一个向量U 先后绕先后绕X、Y轴分别旋转轴分别旋转90、60得到得到V，用旋转矩阵表示为，用旋转矩阵表示为第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组

40、成中一个重要组成部分2022-8-3413.4.2.3 利用齐次矩阵表示旋转加平移变换 把上述两种变换结合起来用齐次矩阵表示，这时的齐把上述两种变换结合起来用齐次矩阵表示，这时的齐次变换矩阵就是次变换矩阵就是-10000cossin00sincos000011000100010001),(),(cbaXRotcbaTransH-1000cossin0sincos0001cba第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-342可见，在齐次变换矩阵中旋

41、转矩阵可见，在齐次变换矩阵中旋转矩阵 和和表示平移的列阵表示平移的列阵 确实是分离的。确实是分离的。-1000cossin0sincoszzzz1cba)90,()90,()90,()90,(0000XRotYRotYRotXRot注意，一般情况下注意，一般情况下第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3433.4.2.4 利用齐次矩阵表示手的转动和移动 手的转动可以表示为绕手的转动可以表示为绕X X轴的侧摆轴的侧摆 ，绕，绕Y Y轴的轴的俯仰

42、俯仰 和绕和绕Z Z轴横滚轴横滚 ，依次构成的复合转，依次构成的复合转动，采用简化符号动，采用简化符号 ，则有，则有),(xXRot),(yYRot),(zZRot),(xyzRPYsincos,sc-100000000001100000001000100001000000 xxxxyyyyzzzzcssccssccssc),(),(),(),(xyzXYZXRotYRotZRotRPY第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-344 上式表示了

43、手的转动运动。如果手除了转动运动以上式表示了手的转动运动。如果手除了转动运动以外还可做移动运动，只需将上式中齐次矩阵的第外还可做移动运动，只需将上式中齐次矩阵的第4 4列用表列用表示移动的矩阵块示移动的矩阵块 来代替，便可得到包括来代替，便可得到包括3 3个姿态转动和个姿态转动和3 3个平移的个平移的6 6自由度运动的齐次矩阵。自由度运动的齐次矩阵。Tcba1-1000000 xzxyyxzxyzxzxyzyzxzxyzxzxyzyzccscssccssccssscssscsccsssccc),(),(),(),(xyzXYZXRotYRotZRotRPY第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标

44、系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3453.4.3 齐次变换的性质齐次变换的性质 3.4.3.1 变换过程的相对性相对变换 前面所介绍的所有旋转和平移变换都是相对于参考坐标系前面所介绍的所有旋转和平移变换都是相对于参考坐标系B B系而言的。例如系而言的。例如 上述的变换过程是：手坐标系上述的变换过程是：手坐标系H首先绕着基坐标系首先绕着基坐标系B旋旋转转 ，然后平移，然后平移 。这种变换的顺序是从右向左进这种变换的顺序是从右向左进行的。行的。 这样的过程也可以以相反的顺序进行

45、，即从左向右进行。这样的过程也可以以相反的顺序进行，即从左向右进行。此时可以理解为首先手坐标系此时可以理解为首先手坐标系H在基坐标系在基坐标系B 中平移中平移 然后绕当前的手坐标系然后绕当前的手坐标系H的的 轴旋转轴旋转 。 ),(),(XRotcbaTransH kcjbi akcjbi aHX第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-346一般的变换过程可以分两种情况：一般的变换过程可以分两种情况： (1) 如果我们用一个描述平移和（或）旋转

46、的变换如果我们用一个描述平移和（或）旋转的变换C，左左乘一个坐标系的变换乘一个坐标系的变换T，那么产生的平移和（或）旋，那么产生的平移和（或）旋转就是相对于转就是相对于静止坐标系静止坐标系进行的。进行的。 (2) (2) 如果我们用一个描述平移和（或）旋转的变换如果我们用一个描述平移和（或）旋转的变换C，右右乘一个坐标系的变换乘一个坐标系的变换T，那么产生的平移和（或）旋，那么产生的平移和（或）旋转就是相对于转就是相对于运动坐标系运动坐标系进行的。进行的。 真是那么精彩吗真是那么精彩吗?第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，

47、从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3473.4.3.2 变换过程的可逆性逆变换 在机器人学中很多时候要用到齐次变换矩阵的逆阵，下面我们将导出在机器人学中很多时候要用到齐次变换矩阵的逆阵，下面我们将导出齐次变换矩阵的逆阵的求法。齐次变换矩阵的逆阵的求法。HprRrr0pTTHrRrRr-0由公式由公式易得易得-10R-0T1rRAT由此可见由此可见111010HHprArrRr将上两式表示成矩阵的形式，即将上两式表示成矩阵的形式，即-1110R-110TppTHrArrRr第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压

48、器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-3483.4.3.3 变换过程的封闭性-变换方程的建立 在解机器人运动学和动力学方程时，要经常解变换方程。在这些变在解机器人运动学和动力学方程时，要经常解变换方程。在这些变换方程里，一个坐标点往往要用两种或多种方式来描述。换方程里，一个坐标点往往要用两种或多种方式来描述。 （1） 机器人机器人 变换变换Z Z：参考坐标系：参考坐标系U U 基坐标系基坐标系B B 变换变换A A：基坐标系：基坐标系B B 手坐标系手坐标系H H 变换变换E E：手坐标系：手坐标系H H 加工工具

49、加工工具T T（2 2） 变位机变位机 变换变换P P：参考坐标系：参考坐标系U U 变位机变位机V V 变换变换Q Q：变位机：变位机V V 被加工件被加工件W WBUHAEPQWT 操作机坐标系及变换过程分析操作机坐标系及变换过程分析ZV第三章第三章 机器人坐标系统机器人坐标系统变电站电气主接线是指变电站的变压器、输电线路怎样与电力系统相连接，从而完成输配电任务。变电站的主接线是电力系统接线组成中一个重要组成部分2022-8-349 这种联系亦可由一有向变换图表述，见右图。这种联系亦可由一有向变换图表述，见右图。 右图中每一段弧表示一右图中每一段弧表示一个变换，由参考坐标系向外个变换，由参

50、考坐标系向外指向，封闭于物体的某一个指向，封闭于物体的某一个点。由于变换点。由于变换Z-A-EZ-A-E与与P-QP-Q具具有相同的起点与终点，故有有相同的起点与终点，故有 PQZAE 如果我们希望解上述方程，求出变换如果我们希望解上述方程，求出变换A A ，就必须对方程左乘，就必须对方程左乘 ，然，然后右乘后右乘 ，得到，得到 实际上，可以从封闭的有向变换图的任一变换开始列变换方程。从某实际上，可以从封闭的有向变换图的任一变换开始列变换方程。从某一变换弧开始，顺箭头方向为正方向，逆箭头方向为逆变换，一直连续列一变换弧开始，顺箭头方向为正方向，逆箭头方向为逆变换，一直连续列写到相邻于该变换弧为