第4章机器人逆运动学ppt课件.ppt
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1、 逆运动学逆运动学:已知工具坐标系相对于工作台坐标系的期望位置已知工具坐标系相对于工作台坐标系的期望位置和姿态,计算一系列满足期望要求的关节角和姿态,计算一系列满足期望要求的关节角 为求出要求的关节角以放置相对于工作台坐标系为求出要求的关节角以放置相对于工作台坐标系S的工的工具坐标系具坐标系T,可将这个问题分为两部分,可将这个问题分为两部分:首先,进行坐标变换求出相对于基坐标系首先,进行坐标变换求出相对于基坐标系B的腕部坐标的腕部坐标系系 W.应用逆运动学求关节角应用逆运动学求关节角.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.1 4.1 概述概述概
2、述概述 求解运动方程时,可以从求解运动方程时,可以从求解运动方程时,可以从求解运动方程时,可以从 开始求解。开始求解。开始求解。开始求解。根据式:根据式:根据式:根据式:两边同时乘两边同时乘两边同时乘两边同时乘 ,有:有:有:有:由此求解由此求解由此求解由此求解 ;再两边同时乘再两边同时乘再两边同时乘再两边同时乘 ,有:,有:,有:,有:由此求解由此求解由此求解由此求解 。依次类推,便可以求解各个关节角度,但通常不需要全部递推过程便依次类推,便可以求解各个关节角度,但通常不需要全部递推过程便依次类推,便可以求解各个关节角度,但通常不需要全部递推过程便依次类推,便可以求解各个关节角度,但通常不需
3、要全部递推过程便可利用等式两边对应项求解。可利用等式两边对应项求解。可利用等式两边对应项求解。可利用等式两边对应项求解。第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.1 4.1 概述概述概述概述1.解的存在性解的存在性 解是否存在的问题完全取决于操作臂的工作空间解是否存在的问题完全取决于操作臂的工作空间.灵巧工作空间灵巧工作空间:机器人的末端执行器能够从各个方向到达机器人的末端执行器能够从各个方向到达的空间区域的空间区域.可达工作区间可达工作区间:机器人至少从一个方向上有一个方位可以达机器人至少从一个方向上有一个方位可以达到的空间到的空间.第四章第四章
4、第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 例例:考虑一个两连杆操作臂考虑一个两连杆操作臂.如果如果 ,则可达工作空间是半径为则可达工作空间是半径为 的圆,而灵巧工作空的圆,而灵巧工作空间仅是单独的一点,即原点。如果间仅是单独的一点,即原点。如果 ,则不存在灵巧工作空间,则不存在灵巧工作空间,而可达工作空间为一外径为而可达工作空间为一外径为 ,内径为,内径为 的圆环。在可达的圆环。在可达工作空间内部,末端执行器有两种可能的方位,在工作空间的边界上只能工作空间内部,末端执行器有两种可能的方位,在工作空间的边界上只能一种可能的方
5、位。一种可能的方位。第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 当一个操作臂少于当一个操作臂少于6自由度时,它在三维空间内不能达到自由度时,它在三维空间内不能达到全部位姿全部位姿.-操作臂的工作空间是一个子空间操作臂的工作空间是一个子空间.-更简单的操作臂的工作空间是这个子空间的子集更简单的操作臂的工作空间是这个子空间的子集.对于少于对于少于6个自由度的操作臂来说,给定一个确定的一般个自由度的操作臂来说,给定一个确定的一般目标坐标系,什么是最近的可达目标坐标系?目标坐标系,什么是最近的可达目标坐标系?一般来说,工
6、具坐标系的变换与操作臂的正逆运动学无一般来说,工具坐标系的变换与操作臂的正逆运动学无关,所以一般常去研究腕部坐标系关,所以一般常去研究腕部坐标系W的工作空间。对于一个的工作空间。对于一个给定的末端执行器,定义工具坐标系给定的末端执行器,定义工具坐标系T,给定目标坐标系,给定目标坐标系G,去计算相应的腕部坐标系,去计算相应的腕部坐标系W。第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 例例:试着描述三连杆操作臂试着描述三连杆操作臂 的子空间的子空间.利用连杆参数求得操作臂的运动学方程为利用连杆参数求得操作臂的运动学方程
7、为:这里这里 和和 是满足约束的任意变量是满足约束的任意变量,因此,因此,子空间就建立了子空间就建立了.连杆长度和关节的限位决定了操作臂的工作连杆长度和关节的限位决定了操作臂的工作空间空间.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 例例:试描述下图两自由度操作臂试描述下图两自由度操作臂 的子空间的子空间.已知已知:这里这里 可以取任意值可以取任意值.它的方位是确定的,因为它的方位是确定的,因为 的方向取的方向取决于决于 它的姿态受限,它的姿态受限,总是向下,而总是向下,而 的方的方向是叉乘求得。向是叉乘求得。第
8、四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 2.多重解多重解 一个具有一个具有3个旋转关节的平面操作臂,由于从任何方位均可到达工作个旋转关节的平面操作臂,由于从任何方位均可到达工作空间内的任何位置,因此在平面中有较大的灵巧工作空间(给定适当的连空间内的任何位置,因此在平面中有较大的灵巧工作空间(给定适当的连杆长度和大的关节运动范围)杆长度和大的关节运动范围).系统最终只能选择一个解,比较合理的选择应当是取系统最终只能选择一个解,比较合理的选择应当是取“最短行程最短行程”解解.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学
9、操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 最短行程的确定:最短行程的确定:计算最短行程需要加权,使得选择侧重于移动小连杆而不计算最短行程需要加权,使得选择侧重于移动小连杆而不是移动大连杆是移动大连杆.在存在障碍的情况下,最短行程发生干涉,这时选择较长在存在障碍的情况下,最短行程发生干涉,这时选择较长行程。行程。第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 解的个数取决于操作臂的关节数量,它也是连杆参数和关节运动范围解的个数取决于操作臂的关节数量,它也是连杆参数和关节运动范
10、围的函数的函数.例子例子:PUMA 到达一个确定目标有到达一个确定目标有8个不同的解个不同的解.图中给出了其中的图中给出了其中的4个个解解.它们对于末端手部运动来说具有相同的位姿。对于图中所示的每一个它们对于末端手部运动来说具有相同的位姿。对于图中所示的每一个解存在另外一种解,解存在另外一种解,其中最后三个关节变为另外一种位形:其中最后三个关节变为另外一种位形:由于关节运动的限制,由于关节运动的限制,这这8个解中的某些解是不能实现的个解中的某些解是不能实现的.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 通常,连杆
11、的非零参数越多,达到某一特定目标的方式也越多通常,连杆的非零参数越多,达到某一特定目标的方式也越多.以一个具有以一个具有6个旋转关节的操作臂为例,解的最大数目与等于零的连杆个旋转关节的操作臂为例,解的最大数目与等于零的连杆长度参数的数目相关。非零参数越多,解的最大数目就越大长度参数的数目相关。非零参数越多,解的最大数目就越大.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 3.解法解法 与线性方程组不同,非线性方程组没有通用的求解方法,与线性方程组不同,非线性方程组没有通用的求解方法,我们把操作臂的全部求解方法分成两
12、大类:我们把操作臂的全部求解方法分成两大类:封闭解封闭解:封闭解是指基于解析形式的算法,或者指对于不封闭解是指基于解析形式的算法,或者指对于不高于四次的多项式不用迭代便可完全求解。可将封闭解的高于四次的多项式不用迭代便可完全求解。可将封闭解的求解方法分为两类:代数解法和几何解法求解方法分为两类:代数解法和几何解法.数值解法数值解法:数值解具有迭代性质,所以比封闭解法的求解数值解具有迭代性质,所以比封闭解法的求解速度慢得多。通常,数值解的计算也依赖于解的解析形式,速度慢得多。通常,数值解的计算也依赖于解的解析形式,一般不用数值解来求解运动学问题,对运动方程的数值迭一般不用数值解来求解运动学问题,
13、对运动方程的数值迭代本身已形成一个完整的研究领域代本身已形成一个完整的研究领域.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 关于运动学逆解的几个结论关于运动学逆解的几个结论:所有包含转动关节和移动关节的串联型所有包含转动关节和移动关节的串联型6自由度操作臂都自由度操作臂都是可解的,但这种解一般是数值解是可解的,但这种解一般是数值解.对于对于6自由度操作臂来说,只有在特殊情况下才有解析解。自由度操作臂来说,只有在特殊情况下才有解析解。这种存在解析解(封闭解)的操作臂具有如下特性:存在这种存在解析解(封闭解)的操作臂
14、具有如下特性:存在几个正交关节轴或者有多个几个正交关节轴或者有多个 为为0或或 .具有具有6个旋转关节的操作臂存在封闭解的充分条件个旋转关节的操作臂存在封闭解的充分条件(sufficient condition)是相邻的三个关节轴线相交于)是相邻的三个关节轴线相交于一点一点.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.2 4.2 可解性可解性可解性可解性 为了介绍运动学方程的求解方法,这里用两种不为了介绍运动学方程的求解方法,这里用两种不同方法对一个简单的平面三连杆操作臂进行求解同方法对一个简单的平面三连杆操作臂进行求解.第四章第四章第四章第四章:操
15、作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.3 4.3 代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法 1.代数解法代数解法 该操作臂的运动方程为该操作臂的运动方程为:第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.3 4.3 代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法 研究的是平面操作臂研究的是平面操作臂,通过确定三个量通过确定三个量 就可以容易确定目标点就可以容易确定目标点的位置的位置:.所有可达目标点均位于上式描述的子空间内所有可达目标点均位于上式描述的子空间内.第四章第四章第
16、四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.3 4.3 代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法 得到四个非线性方程得到四个非线性方程:上式有解的条件是上式有解的条件是 的值必须在的值必须在-1和和+1之间。在这个之间。在这个解法中,可用这个约束来检查解是否存在。如果约束条件不解法中,可用这个约束来检查解是否存在。如果约束条件不满足满足,则操作臂离目标点太远则操作臂离目标点太远.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.3 4.3 代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法代
17、数解法和几何解法 假设目标点在工作空间内,则假设目标点在工作空间内,则:上式是多解的,可以选择正或者负上式是多解的,可以选择正或者负.第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.3 4.3 代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解法和几何解法 为便于计算引入新的变量引入新的变量:式中式中:为了求解这种形式的方程,进行变量代换为了求解这种形式的方程,进行变量代换:令令 那么那么 于是有于是有 第四章第四章第四章第四章:操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学操作臂逆运动学 4.3 4.3 代数解法和几何解法代数解法和几何解法代数解
18、法和几何解法代数解法和几何解法 得到得到 最后,我们解出最后,我们解出:总之,用代数解法求解运动学方程是求解操作臂的基本方法之一,在求解方程时,总之,用代数解法求解运动学方程是求解操作臂的基本方法之一,在求解方程时,解的形式已经确定。可以看出,对于许多常见的几何问题,经常会出现几种形式解的形式已经确定。可以看出,对于许多常见的几何问题,经常会出现几种形式的超越方程。的超越方程。注:超越方程:等号两边至少有一个含有未知数的初等超越函数式的方程。如指注:超越方程:等号两边至少有一个含有未知数的初等超越函数式的方程。如指数方程、对数方程、三角方程、反三角方程等。具有未知量的对数函数、指数函数方程、对
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