第二章位姿描述和齐次变换精选PPT.ppt
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1、第二章位姿描述和齐次变换1第1页,本讲稿共44页第二章第二章 数学基础数学基础齐次坐标和齐次变换齐次坐标和齐次变换机器人可以用一个开环关节链来建模由数个驱动器驱动的转动或移动关节串联而成一端固定在基座上,另一端是自由的,安装工具,用以操纵物体人们感兴趣的是操作机末端执行器相对于固定参考坐标数的空间几何描述,也就是机器人的运动学问题。机器人的运动学即是研究机器人手臂末端执行器位置和姿态与关节变量空间之间的关系。u引言 机械臂抓举或机械臂抓举或搬运零件搬运零件.AVI第2页,本讲稿共44页运动学研究的问题Where is my hand?Direct KinematicsHERE!How do I
2、 put my hand here?Inverse Kinematics:Choose these angles!运动学正问题运动学正问题运动学正问题运动学正问题运动学逆问题运动学逆问题运动学逆问题运动学逆问题第3页,本讲稿共44页丹纳维特(Denavit)和哈顿贝格(Hartenberg)于1955年提出了一种矩阵代数方法解决机器人的运动学问题D-H方法具有直观的几何意义能表达动力学、计算机视觉和比例变换问题其数学基础即是齐次变换第4页,本讲稿共44页位姿的定义:2.1、刚体位姿描述刚体位姿描述刚体参考点的位置和刚体的姿态。姿态的描述方法:齐次变换法、矢量法、旋量法、四元数法等等。一、位置的
3、描述(位置矢量)在三维空间内,刚体有6个自由度:对于直角坐标系A,空间任一点p的位置可用3x1的列矢量Ap表示:第5页,本讲稿共44页式中PX,PY,PZ是点P在坐标系A中的三个位置坐标分量,如图2-1所示。第6页,本讲稿共44页u 齐次坐标表示:齐次坐标表示:齐次坐标表示:齐次坐标表示:如用四个数组成的如用四个数组成的(41)(41)列阵。列阵。表示三维空间直角坐标系表示三维空间直角坐标系A中点中点p,则列阵则列阵Px Py Pz 1T称为三维空间点称为三维空间点P的齐次坐标。的齐次坐标。第7页,本讲稿共44页必须注意,齐次坐标的表示不是唯一的。我们将其各元素同乘一非零因子w后,仍然代表同一
4、点P,即:式中:a=w px;b=w py;c=w pz第8页,本讲稿共44页二、方位的描述(旋转矩阵)2.1、刚体位姿描述(续)第9页,本讲稿共44页三、位姿的描述(固接坐标系)2.1、刚体位姿描述(续)旋转矢量位置矢量 机器人的一个连杆可以看作一个刚体。若给定了刚体上某机器人的一个连杆可以看作一个刚体。若给定了刚体上某一点的一点的位置位置位置位置和该刚体在空间的和该刚体在空间的姿态姿态姿态姿态,则这个则这个刚体在空间上是完全确定的。刚体在空间上是完全确定的。第10页,本讲稿共44页四、手爪坐标系2.1、刚体位姿描述(续)机器人手部的位置和姿态也可以用固连于手部的坐标系机器人手部的位置和姿态
5、也可以用固连于手部的坐标系BB的位姿的位姿来表示来表示,如图如图2-62-6所示。所示。坐标系坐标系B可以这样来确定可以这样来确定:取手部的中心点为原点取手部的中心点为原点OB:关节轴关节轴为为ZB轴轴,ZB轴的单位方向矢量轴的单位方向矢量O称称为为接近矢量接近矢量,指向朝外指向朝外;二手指的二手指的连线为连线为yB后轴后轴,yB轴的单位方向矢轴的单位方向矢量称为量称为姿态矢量姿态矢量,指向可任意选定指向可任意选定,xB轴与轴与yB后铀及后铀及ZB轴垂直轴垂直,X后轴后轴的单位方向矢量的单位方向矢量n为为法向矢量法向矢量,且且n=oa,指向符合右手法则。指向符合右手法则。第11页,本讲稿共44
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