《機器人技術(shù)-建模、仿真及應(yīng)用》課件 第1、2章 緒論、機器人運動學(xué)

ROBOT機器人技術(shù)——建模、仿真及應(yīng)用緒論第一章

目錄PART.1PART.4PART.3PART.21.1機器人的定義1.2機器人的分類1.3機器人基礎(chǔ)知識1.4機器人的主要研究內(nèi)容注：本書后續(xù)所有仿真程序基于2016b版MATLAB，需安裝RoboticsToolbox（機器人工具箱）機器人的定義PART.1概念在發(fā)展，定義在變化，關(guān)于機器人有多種定義國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（InternationalOraganizationforStandardization,IOS）

機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NationalBureauofStandards,NBS）一種能夠進行編程，并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置。機器人的定義概念在發(fā)展，定義在變化，關(guān)于機器人有多種定義日本工業(yè)機器人協(xié)會（JapaneseIndustrialRobotAssociation，JIRA）

工業(yè)機器人是一種帶有存儲器件和末端執(zhí)行器的通用機械，它能夠通過自動化的動作替代人類勞動。GB/T12643---2013<<機器人與機器人裝備詞匯>>

機器人是具有兩個或兩個以上可編程的軸，以及一定程度的自主能力，可在其工作環(huán)境內(nèi)運動以執(zhí)行預(yù)期的任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)。機器人的定義機器人特征如下:動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)，在工作中可以不依賴于人的干預(yù)機器人的定義機器人的分類PART.2機構(gòu)形式/運動形態(tài)分類驅(qū)動方式分類控制器信息輸入/示教方法用途分類直角坐標(biāo)機器人直角坐標(biāo)機器人定義：直角坐標(biāo)型機器人手部空間位置的改變是通過沿3個互相垂直軸線的移動來實。優(yōu)點：位置精度高、控制簡單、避障性好。缺點：結(jié)構(gòu)較龐大、動作范圍小、靈活性差。圓柱坐標(biāo)機器人圓柱坐標(biāo)機器人定義：機器人手臂的運動系由垂直立柱內(nèi)的伸縮和沿著立柱的升降兩個直線運動，以及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動復(fù)合而成。優(yōu)點：位置精度高、控制簡單、避障性好。缺點：結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)計復(fù)雜移動軸。機構(gòu)形式/運動形態(tài)分類定義：球坐標(biāo)型機器人手臂的運動由一個移動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即手臂沿軸的伸縮、繞軸的俯仰和繞軸的回轉(zhuǎn)。優(yōu)點：占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊等。缺點：避障性差、平衡性差等定義：

SCARA型機器人手臂的前端結(jié)構(gòu)采用在二維空間內(nèi)能任意移動的自由度。SCARA型機器人更能簡單地實現(xiàn)二維平面上的動作，常用于裝配作業(yè)中。特征：垂直方向剛性高，水平面內(nèi)剛性低等。球坐標(biāo)機器人球坐標(biāo)機器人SCARA型機器人SCARA型機器人機構(gòu)形式/運動形態(tài)分類定義：球坐標(biāo)型機器人手臂的運動由一個移動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即手臂沿軸的伸縮、繞軸的俯仰和繞軸的回轉(zhuǎn)。優(yōu)點：占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊等。缺點：避障性差、平衡性差等。關(guān)節(jié)型機器人機構(gòu)形式/運動形態(tài)分類并聯(lián)型機器人關(guān)節(jié)型機器人并聯(lián)型機器人定義：球坐標(biāo)型機器人手臂的運動由一個移動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即手臂沿軸的伸縮、繞軸的俯仰和繞軸的回轉(zhuǎn)。優(yōu)點：占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊等。缺點：避障性差、平衡性差等。驅(qū)動形式氣力驅(qū)動式液力驅(qū)動式定義：以壓縮空氣來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。優(yōu)點：空氣來源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。缺點：空氣具有可壓縮性，使得工作速度的穩(wěn)定性較差。氣力驅(qū)動式定義：利用液體在封閉系統(tǒng)內(nèi)傳遞壓力來產(chǎn)生力和運動。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)且動作靈敏等。缺點：對密封的要求較高，不宜在高、低溫場合工作，且制造精度要求高，成本高。液力驅(qū)動式定義：電力驅(qū)動式機器人利用各種電動機產(chǎn)生的力和力矩，直接或通過減速機構(gòu)驅(qū)動機器人。優(yōu)點：無環(huán)境污染、易于控制、運動精度高、成本低、驅(qū)動效率高等優(yōu)點。定義：由各種新技術(shù)如壓電、靜電、記憶合金驅(qū)動器以及人工肌肉驅(qū)動器等對機器人進行驅(qū)動。電力驅(qū)動式電力驅(qū)動式新型驅(qū)動方式驅(qū)動形式人工肌肉驅(qū)動器控制器信息輸入/示教方法示教機器人可變程序機器人固定程序機器人程控機器人智能機器人按照預(yù)先設(shè)定好的順序、條件、位置，逐步完成各個階段的預(yù)設(shè)任務(wù)，但是要更改預(yù)先設(shè)定的條件非常不方便。按照預(yù)先設(shè)定好的順序、條件、位置，逐步完成各個階段的預(yù)設(shè)任務(wù)，并且可以很方便地更改預(yù)先的設(shè)定程序。預(yù)先由人對機器人的機械臂及機械手或生產(chǎn)工具的動作進行示教，并將作業(yè)的順序、位置等信息記錄下來，在工作時再將記錄信息讀取，由機械臂及機械手或生產(chǎn)工具完成相關(guān)作業(yè)。操作人員并不是對機器人進行手動示教，而是向機器人提供運動程序，使得機器人執(zhí)行給定的任務(wù)，其控制方式與數(shù)控機床一樣。智能機器人能夠基于傳感信息來獨立檢測其工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自我決策能力，執(zhí)行相應(yīng)的工作任務(wù)。用途分類工業(yè)機器人工作站IndustrialRobotWorkingStation

由一臺或兩臺機器人所構(gòu)成的生產(chǎn)體系。工業(yè)機器人工業(yè)機器人：工業(yè)機器人主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，進行焊接、噴漆、裝配、搬運、檢驗等作業(yè)。工業(yè)機器人生產(chǎn)線IndustrialRobotProductionLine由若干機器人工作站和物流系統(tǒng)組成，完成多項復(fù)雜作業(yè)的生產(chǎn)體系。用途分類焊接機器人噴涂機器人搬運機器人工業(yè)機器人用途分類服務(wù)機器人跳舞機器人福娃機器人清掃機器人服務(wù)機器人：服務(wù)機器人是除工業(yè)機器人之外，服務(wù)人類非生產(chǎn)性活動的機器人總稱。用途分類服務(wù)機器人救援機器人導(dǎo)盲機器人醫(yī)療機器人水下機器人CanadaArm太空機械臂軍用機器人機器人基礎(chǔ)知識PART.3機器人的基本術(shù)語機器人的結(jié)構(gòu)機器人的主要技術(shù)參數(shù)機器人的控制機器人的基本術(shù)語世界坐標(biāo)系一般是指建立在地球上的笛卡兒角坐標(biāo)系，也稱為大地坐標(biāo)系?；鴺?biāo)系也稱為基坐標(biāo)系，一般用于描述機器人操作臂，是指建立在機器人不運動的基座上的坐標(biāo)系通常用作描述機器人各關(guān)節(jié)運動及末端位姿的參考坐標(biāo)系。關(guān)節(jié)坐標(biāo)系是設(shè)定在機器人關(guān)節(jié)中的坐標(biāo)系，在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下機器人各軸可實現(xiàn)單獨正向或反向運動。工具坐標(biāo)系是用來定義工具中心點的位置和工具姿態(tài)的坐標(biāo)系，其原點定義在工具中心點，但軸的方向定義因生產(chǎn)廠商而異。工件坐標(biāo)系也稱為用戶坐標(biāo)系，是用戶對每個工作空間進行定義的直角坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系以基坐標(biāo)系為參考，通常建立在工件或工作臺上。坐標(biāo)變換是指將一個點的坐標(biāo)描述從一個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個坐標(biāo)系下的過程。在機器人的運動學(xué)中，坐標(biāo)變換非常重要，通常用于兩個相鄰連桿之間的位姿轉(zhuǎn)換。世界坐標(biāo)系基座坐標(biāo)系關(guān)節(jié)坐標(biāo)系工具坐標(biāo)系工件坐標(biāo)系坐標(biāo)變換機器人的基本術(shù)語機器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)機器人移動關(guān)節(jié)定義：移動關(guān)節(jié)又稱移動副、滑動關(guān)節(jié)，是使兩個連桿的組件中的一件相對于另一件做直線運動的關(guān)節(jié)，兩個連桿之間只做相對移動。機器人移動關(guān)節(jié)機器人轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)定義：轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)又稱轉(zhuǎn)動副，是使連續(xù)兩個連桿的組成件中的一個相對于另一個繞固定軸線轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，兩個連桿之間只做相對轉(zhuǎn)動。按照軸線的方向，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可分為回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和擺動關(guān)節(jié)。操作臂末端執(zhí)行器手腕機器人的機構(gòu)機器人的基本術(shù)語關(guān)節(jié)空間是機器人關(guān)節(jié)變量所構(gòu)成的數(shù)學(xué)意義上的空間集合。機器人工作空間有兩層含義。一層是數(shù)學(xué)意義上，指機器人工作空間變量所構(gòu)成的空間集合。另一層含義是幾何層面上，指機器人運動描述參考點所能達到的空間的集合，它是由操作臂的連桿尺寸、關(guān)節(jié)運動范圍和構(gòu)型決定的。額定負(fù)載是指機器人在規(guī)定的性能范圍內(nèi)末端機械接口處能夠承受的最大負(fù)載量。該指標(biāo)反映了機器人搬運重物的能力，通常用來表示機械臂的承載力。分辨率是指機器人每個關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)的最小移動距離或最小轉(zhuǎn)動角度。該指標(biāo)反映了機器人關(guān)節(jié)傳感器的檢測精度及關(guān)節(jié)的運動精度。定位精度是指機器人執(zhí)行指令設(shè)定位姿與實際到達位姿的一致程度。在機器人的技術(shù)指標(biāo)中，定位精度通常用重復(fù)定位精度來表示。不同廠家對最大工作速度規(guī)定內(nèi)容不同，有的廠家定義為工業(yè)機器人主要自由度上最大的穩(wěn)定速度，有的廠家定義為手臂末端最大的合成速度。關(guān)節(jié)空間工作空間額定負(fù)載分辨率定位精度最大工作速度機器人的控制伺服系統(tǒng)是控制機器人的位姿和速度等使其跟隨目標(biāo)值變化的控制系統(tǒng)。在機器人的早期階段，需要采用專用的計算機編程語言編寫機器人的控制程序。離線編程是機器人作業(yè)方式的信息記憶過程與作業(yè)對象不發(fā)生直接關(guān)系的編程方式。在線編程是讓機器人在執(zhí)行任務(wù)的過程中記住運動參數(shù)及軌跡的一種編程方式。在線編程最常用的方式是人工示教。機器人采用傳感器感知自己和周圍環(huán)境，因此機器人傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。點位控制是機器人的一種典型控制方式，可控制機器人從一個位姿運動到下一個位姿伺服系統(tǒng)機器人語言離線編程在線編程傳感器點位控制連續(xù)控制軌跡協(xié)調(diào)控制連續(xù)軌跡控制是一種比點位控制更復(fù)雜的控制方式，它能夠控制機器人的機械接口在指定的軌跡上按照編程規(guī)定的位姿和速度移動協(xié)調(diào)控制是對多個機器人而言的，該控制方式可以協(xié)調(diào)控制多個手臂或多臺機器人同時進行某種作業(yè)。機器人的主要研究內(nèi)容PART.4機器人系統(tǒng)組成不同類型的機器人的機械、電氣和控制結(jié)構(gòu)千差萬別，但是一個機器人系統(tǒng)通常由3部分、6個子系統(tǒng)組成。3部分分別是機械部分、傳感部分和控制部分，6個子系統(tǒng)分別是機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、感知系統(tǒng)，以及機器人環(huán)境交互系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容機器人機構(gòu)是用來將輸入的運動和力轉(zhuǎn)換成期望的力和運動并輸出的機構(gòu)。機器人機構(gòu)按工作空間可分為平面機構(gòu)和空間機構(gòu)，按剛度可分為剛性機構(gòu)和柔性機構(gòu)。機器人機構(gòu)研究主要體現(xiàn)在機器人本體機構(gòu)的構(gòu)型、尺度、速度、負(fù)載能力及機構(gòu)剛度的設(shè)計等方面。機器人的執(zhí)行機構(gòu)實際上是一個多剛體系統(tǒng)，基于機器人數(shù)學(xué)描述方法，機器人運動學(xué)主要研究機器人的位置、速度、加速度及其他位置變量的高階導(dǎo)數(shù)，包括正運動學(xué)和逆運動學(xué)兩大類問題。機器人動力學(xué)是研究機器人產(chǎn)生預(yù)定運動需要的力，這方面的研究需要建立機器人動力學(xué)方程，即建立作用于機器人各機構(gòu)的力或力矩及其位置、速度、加速度關(guān)系的方程。機器人動力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓力學(xué)、拉格朗日力學(xué)等。機器人感知是通過不同的傳感器來實現(xiàn)，分內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。機器人感知主要研究專用傳感器的研制及傳感器信息的處理方法和技術(shù)。機器人控制以機器人的運動學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)，主要研究內(nèi)容有機器人控制方式和機器人控制策略。機器人常用的控制包括位置控制、力控制，以及力位混合控制等。機器人機構(gòu)機器人運動學(xué)機器人動力學(xué)機器人感知機器人控制課后習(xí)題Last1.1請給出工業(yè)機器人的定義，并說明工業(yè)機器人有哪幾種分類方法。1.2簡述工業(yè)機器人由哪些子系統(tǒng)構(gòu)成。1.3簡述虛擬和仿真的區(qū)別與聯(lián)系，以及虛擬實驗室的優(yōu)點和缺點。1.4簡述工業(yè)機器人的控制過程有什么特點。1.5工業(yè)機器人已經(jīng)發(fā)展為獨特形態(tài)的機械電子程序一體化的工業(yè)設(shè)備，簡述你認(rèn)為它在未來智慧工廠的應(yīng)用情景。習(xí)題ENDROBOT機器人技術(shù)——建模、仿真及應(yīng)用機器人運動學(xué)第二章目錄數(shù)學(xué)基礎(chǔ)PART.1運動學(xué)分析PART.2數(shù)學(xué)基礎(chǔ)PART.1位置與位姿齊次變化仿真實例數(shù)學(xué)基礎(chǔ)位置描述對于直角坐標(biāo)系{A}，空間任一點的位置可用3×1階的列矢量來表示(也稱位置矢量)：式中：Px、Py、Pz是點P在坐標(biāo)系{A}中的三個位置坐標(biāo)分量。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)位置描述向量可以由3個起始和終止的坐標(biāo)來表示。P=（

PX

-OX

）

i

+（PY

-OY

）

j

+（

PZ

-OZ

）

k

若O為原點：式中：Px、Py、Pz是向量在坐標(biāo)系{A}中的三個位置坐標(biāo)分量。向量的3個分量也可寫成矩陣形式。(PX=cos

，PY=cos

，PZ=cos)（，，J為機械臂的雅可比矩陣（6×n矩陣））（為關(guān)節(jié)速度對末端執(zhí)行速度的3*n作用矩陣）雅可比矩陣取一個自由度為n的機械臂，其正運動學(xué)方程如下：（旋轉(zhuǎn)矩陣R和位移矢量P都是關(guān)于變量

的矩陣方程）將末端執(zhí)行器的線速度

和角速度

表示為所有關(guān)節(jié)速度

的函數(shù)：（為關(guān)節(jié)角速度對末端執(zhí)行速度的3*n作用矩陣）兩個方程的緊湊形式：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)矢量u、v、w的坐標(biāo)方向用齊次坐標(biāo)表示。例位置描述數(shù)學(xué)基礎(chǔ)姿態(tài)描述規(guī)定空間某剛體B的方位，設(shè)一坐標(biāo)系{B}與此剛體固連，物體相對于參考坐標(biāo)系{A}的姿態(tài)相對于參考坐標(biāo)系{A}的方向余弦組成的3×3矩陣旋轉(zhuǎn)矩陣：用矢量兩兩之間的余弦則表示為：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)姿態(tài)描述對應(yīng)于x、y或z軸做旋轉(zhuǎn)角為的旋轉(zhuǎn)變換，其旋轉(zhuǎn)矩陣分別為：旋轉(zhuǎn)矩陣應(yīng)具有以下幾個特點：1）3個主矢量兩兩垂直；2）9個元素中，只有3個是獨立的；3）3個單位主矢量滿足6個約束條件，即：4）旋轉(zhuǎn)矩陣為正交矩陣，并且滿足以下條件，即：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)齊次變化齊次坐標(biāo)是指在原有三維坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加一維坐標(biāo)而形成四維坐標(biāo)。如：空間點p的齊次坐標(biāo)為p=(4,6,8,w)4、6、8分別對應(yīng)p點在空間坐標(biāo)系中的x、y、z軸坐標(biāo)，w為其對應(yīng)的比例因子。p=（4,6,8,1）和p=(8,12,16,2）表示的是同一個p點。當(dāng)比例因子w≠0時p點的齊次坐標(biāo)的形式是不唯一的當(dāng)比例因子w=0時該齊次坐標(biāo)表示某一向量如：x=（1，0，0，0）表示坐標(biāo)系的x軸單位向量。y=（0，1，0，0）表示坐標(biāo)系的y軸單位向量。z=（0，0，1，0）表示坐標(biāo)系的z軸單位向量。對應(yīng)于x、y、z軸做轉(zhuǎn)角位

的旋轉(zhuǎn)變換，分別可得：數(shù)學(xué)基礎(chǔ)齊次變化平移齊次坐標(biāo)變換

對已知矢量

進行平移變換所得的矢量

為：

旋轉(zhuǎn)齊次坐標(biāo)變換Rot表示旋轉(zhuǎn)矩陣。齊次變換平移齊次變換動坐標(biāo)系{A}相對于固定坐標(biāo)系的X0、Y0、Z0軸作(–1，2，2)平移后到{A

}；動坐標(biāo)系{A}相對于自身坐標(biāo)系的X、Y、Z軸分別作(–1，2，2)平移后到{A

}。A的矩陣表達式如下。寫出坐標(biāo)系{A

}、{A

}的矩陣表達式。例齊次變換平移齊次變換動坐標(biāo)系{A}相對于固定坐標(biāo)系的X0、Y0、Z0軸作(–1，2，2)平移后到{A

}；動坐標(biāo)系{A}相對于自身坐標(biāo)系的X、Y、Z軸分別作(–1，2，2)平移后到{A

}。A的矩陣表達式如下。寫出坐標(biāo)系{A

}、{A

}的矩陣表達式。例動坐標(biāo)系{A}的平移變換算子：齊次變換旋轉(zhuǎn)齊次變換已知坐標(biāo)系中點U的位置矢量U=[7321]T，繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°，求旋轉(zhuǎn)變換后所得的點W。例數(shù)學(xué)基礎(chǔ)齊次變化平移與旋轉(zhuǎn)齊次坐標(biāo)組合變換根據(jù)平移齊次坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)齊次坐標(biāo)變換，空間某點由矢量

描述，其中i、j、k分別為x、y、z軸上的單位矢量，然后對應(yīng)于x、y、z軸做轉(zhuǎn)角為的旋轉(zhuǎn)變換，分別可得：齊次變換復(fù)合變換已知坐標(biāo)系中點U的位置矢量U=[7321]T，將此點繞Z軸旋轉(zhuǎn)90°，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)90°，最后再作4i-3j+7k的平移，求變換后所得的點E。例數(shù)學(xué)基礎(chǔ)仿真實例平移坐標(biāo)變換實例T0=transl(0,0,0)T1=transl(1,2,1)trplot(T0,'color','r')holdontrplot(T1,'color','g')axis([-33-33-33])tranimate(T0,T1)例代碼：坐標(biāo)系由原點(0,0,0)分別沿x、y、z軸平移1、2、1個單位。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)仿真實例平移坐標(biāo)變換實例T0=rotz(0)T0=rotz(0)T1=rotz(pi/4)trplot(T0,'color','r')axis([-11-11-11]);oldontranimate(T0,T1,'color','b')例代碼：坐標(biāo)系在原點位置繞z軸旋轉(zhuǎn)45°。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)仿真實例先平移再旋轉(zhuǎn)實例T0=transl(0,0,0)T1=transl(1,2,1)trplot(T0,'color',‘r’)；holdon；trplot(T1,'color','g')axis([-33-33-33])tranimate(T0,T1)T2=T1T3=T2*trotz(pi/2)trplot(T2,'color','r')holdontrplot(T3,'color','g')axis([-33-33-33])tranimate(T2,T3)平移旋轉(zhuǎn)例代碼：坐標(biāo)系從原點位置(0,0,0)先分別沿著x、y、z軸平移1、2、1個單位，再繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)仿真實例先旋轉(zhuǎn)再平移實例T0=trotz(0)T1=trotz(pi/2)trplot(T0,'color','r’);holdon；trplot(T1,'color','g')tranimate(T0,T1)T2=T1T3=transl(1,2,1)*T2trplot(T2,'color','r’);holdon；trplot(T3,'color','g')axis([-33-33-33])tranimate(T2,T3)平移旋轉(zhuǎn)例代碼：坐標(biāo)系從原點位置(0,0,0)先繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再分別沿著x、y、z軸平移1、2、1個單位。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)仿真實例旋轉(zhuǎn)和平移同時進行實例T1=transl(0,0,0)T2=transl(1,2,1)T3=trotz(pi/2)T4=T2*T3trplot(T1,'color','r')holdontrplot(T4,'color','g')axis([-33-33-33])tranimate(T4,'color','b')例代碼：坐標(biāo)系從原點位置分別沿著x、y、z軸平移1、2、1個單位，同時繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°。運動學(xué)分析PART.2正運動學(xué)分析D-H參數(shù)法正運動學(xué)仿真逆運動學(xué)分析逆運動學(xué)仿真運動學(xué)分析正運動學(xué)分析機器人本體，是機器人賴以完成作業(yè)任務(wù)的執(zhí)行機構(gòu)。機械臂多采用關(guān)節(jié)式機械結(jié)構(gòu)，一般具有6個自由度，其中3個用來確定末端執(zhí)行器的位置，另外3個則用來確定末端執(zhí)行裝置的方向。機械臂上的末端執(zhí)行裝置可以根據(jù)操作需要換成焊槍、吸盤、扳手等作業(yè)工具。運動學(xué)分析D-H參數(shù)法連桿n坐標(biāo)系（簡稱n系）坐標(biāo)原點位于i關(guān)節(jié)軸線上，是關(guān)節(jié)i的關(guān)節(jié)軸線與i-1和i關(guān)節(jié)軸線公垂線的交點；Z軸與i關(guān)節(jié)軸線重合；X軸與公垂線重合，從關(guān)節(jié)i-1指向關(guān)節(jié)i；Y軸按右手螺旋法則確定。運動學(xué)分析D-H參數(shù)法每個連桿可以由四個參數(shù)所描述名稱含義“

”號性質(zhì)轉(zhuǎn)角以

方向看，

和

之間的夾角右手法則常量長度沿著

方向，

和

之間的距離與

正向一致常量關(guān)節(jié)角以

方向看，

和

之間的夾角右手法則轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)為變量移動關(guān)節(jié)為常量距離沿著

方向，

和

之間的距離沿

正向為正轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)為常量移動關(guān)節(jié)為變量在D-H法分析中，連桿坐標(biāo)系

相對于

的變換

稱為連桿變換矩陣，連桿變換矩陣

相當(dāng)于坐標(biāo)系

經(jīng)過以下變換得到：運動學(xué)分析D-H參數(shù)法1)繞

軸旋轉(zhuǎn)，使得與平行，如圖a)所示；2)沿軸移動，使得與在同一直線上，如圖b）11所示；3)繞軸旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)到與平行，如圖c）所示；4)沿軸移動，使得連桿坐標(biāo)系的原點與的原點11重合，如圖d)所示。由此可得旋轉(zhuǎn)變換矩陣為：D-H法矩陣變換過程運動學(xué)分析D-H參數(shù)法如圖所示的平面三連桿機構(gòu)，已知手臂長

、和，關(guān)節(jié)變量、和，試求末端執(zhí)行器位姿矩陣。例i1000200300解：建立機械臂各桿的坐標(biāo)系，列出D-H參數(shù)。運動學(xué)分析D-H參數(shù)法如圖所示的平面三連桿機構(gòu)，已知手臂長

、和，關(guān)節(jié)變量、和，試求末端執(zhí)行器位姿矩陣。例==運動學(xué)分析正運動學(xué)仿真調(diào)用MATLAB機器人工具箱，使用D-H參數(shù)法設(shè)置三連桿機械臂桿長分別為30、50、40；關(guān)節(jié)角、連桿偏距、連桿轉(zhuǎn)角都為0。例a1=30;a2=50;a3=40;L(1)=Link([00a10])L(2)=Link([00a20])L(3)=Link([00a30])robot=SerialLink(L)teach(robot)代碼：運動學(xué)分析正運動學(xué)仿真調(diào)用MATLAB機器人工具箱，使用D-H參數(shù)法設(shè)置三連桿機械臂連桿1的桿長為30，連桿轉(zhuǎn)角為90°，關(guān)節(jié)角為0°，連桿偏距為0；連桿2的桿長為50，連桿轉(zhuǎn)角為0，關(guān)節(jié)角為0°，連桿偏距為20；連桿3的桿長為40，連桿轉(zhuǎn)角都為0，關(guān)節(jié)角為0°，連桿偏距為0。例L_1=30;L_2=50;L_3=40;L(1)=Link([00L_1pi/2])L(2)=Link([020L_20])L(3)=Link([00L_30])Robot=SerialLink(L);teach(Robot)代碼：運動學(xué)分析逆運動學(xué)分析實質(zhì)：已知BTH求解θ，從而確定與末端位置有關(guān)的所有關(guān)節(jié)的位置——實際工程問題已知操作機桿件的幾何參數(shù)，給定操作機末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的期望位置和姿態(tài)（位姿），操作機能否使其末端執(zhí)行器達到這個預(yù)期的位姿？若能達到，那么操作機是否存在不同形態(tài)可滿足條件？逆向運動學(xué)逆運動學(xué)分析可解性解的存在問題取決于操作末端的工作空間（Workspace）工作空間：操作臂末端執(zhí)行器所能到達的范圍，取決于機器人結(jié)構(gòu)、桿件參數(shù)或手部位姿。工作域外逆解不存在具有轉(zhuǎn)動和移動關(guān)節(jié)的機器人，在單一串聯(lián)鏈中共有個6自由度或小于6個自由度時是可解的。通解是數(shù)值解，非解析表達式，是利用數(shù)值迭代原理求解得到，計算量比求解析解大得多。要使機器人有解析解，設(shè)計時就要使機器人的結(jié)構(gòu)盡量簡單，而且盡量滿足連續(xù)三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸交會于一點，或連續(xù)三個關(guān)節(jié)軸互相平行的充分條件。（Pieper準(zhǔn)則）逆向運動學(xué)多解性對于給定位置與姿態(tài)，具有多組解。造成運動學(xué)逆解多解是由于解反三角函數(shù)方程產(chǎn)生的。PUMA560機器人的四個逆解避免碰撞的一個可能實現(xiàn)的解逆運動學(xué)分析逆向運動學(xué)逆運動學(xué)分析求解方法逆解形式求解方法閉式解close-formsolution用解析函數(shù)式表示解求解速度快代數(shù)法幾何法數(shù)值解numericalsolution利用迭代性質(zhì)求解求解速度慢數(shù)值法逆向運動學(xué)逆運動學(xué)分析代數(shù)法根據(jù)正運動學(xué)分析，設(shè)機械臂腕關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)為姿態(tài)角

，機械臂執(zhí)行端坐標(biāo)為

。基于D-H坐標(biāo)系的機械臂運動學(xué)方程如下：平面三連桿機械臂代數(shù)法求逆運動學(xué)可知：逆向運動學(xué)逆運動學(xué)分析由矩陣兩邊對應(yīng)相等，結(jié)合上式，可得腕部坐標(biāo)

的表達式為：即：上式有解的條件是等式右邊值的區(qū)間為[-1,1]，如果此約束條件不滿足，則表明目標(biāo)點超出了機械臂的可達工作空間，其逆運動學(xué)方程無解。代數(shù)法逆向運動學(xué)逆運動學(xué)分析代數(shù)法假設(shè)目標(biāo)點在機械臂的工作空間內(nèi)，則：由式

和式

可得：上式的求解應(yīng)用了雙變量反正切公式，用

計算根據(jù)

和