机器人运动学坐标变换.ppt

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1、第3章 机器人运动学,3.1 机器人的位姿描述3.2 齐次变换及运算3.3 机器人运动学方程3.4 机器人微分运动 习题,第3章 机器人运动学,运动学研究的问题：手在空间的运动与各个关节的运动之间的关系。正问题：已知关节运动，求 手的运动。逆问题：已知手的运动，求 关节运动。,数学模型：手的运动位姿变化位姿矩阵M 关节运动参数变化关节变量qi，i=1，n运动学方程：M=f(qi)，i=1，n正问题：已知qi，求M。逆问题：已知M，求qi。,第3章 机器人运动学,3.1.1 机器人位姿的表示 机器人的坐标系,3.1 机器人的位姿描述,第3章 机器人运动学,机器人位姿的表示机器人的位姿主要是指机器

2、人手部在空间的位置和姿态，有时也会用到其它各个活动杆件在空间的位置和姿态。,3.1 机器人的位姿描述,第3章 机器人运动学,3.1.1 机器人位姿的表示位置可以用一个31的位置矩阵来描述。,3.1 机器人的位姿描述,第3章 机器人运动学,3.1.1 机器人位姿的表示姿态可以用坐标系三个坐标轴两两夹角的余弦值组成33的姿态矩阵来描述。,3.1 机器人的位姿描述,第3章 机器人运动学,3.1.1 机器人位姿的表示 例：右图所示两坐标系的姿态为：,3.1 机器人的位姿描述,第3章 机器人运动学,3.1.2 机器人的坐标系手部坐标系参考机器人手部的坐标系，也称机器人位姿坐标系，它表示机器人手部在指定坐

3、标系中的位置和姿态。机座坐标系参考机器人机座的坐标系，它是机器人各活动杆件及手部的公共参考坐标系。杆件坐标系参考机器人指定杆件的坐标系，它是在机器人每个活动杆件上固定的坐标系，随杆件的运动而运动。绝对坐标系参考工作现场地面的坐标系，它是机器人所有构件的公共参考坐标系。,3.1 机器人的位姿描述,第3章 机器人运动学,3.1.2 机器人的坐标系手部坐标系h机座坐标系0 杆件坐标系i i=1，n绝对坐标系B,3.1 机器人的位姿描述,第3章 机器人运动学,直角坐标变换 齐次坐标变换,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,坐标之间的变换关系：平移变换旋转变换,3.2 齐次变换及

4、运算,第3章 机器人运动学,1、平移变换 设坐标系i和坐标系j具有相同的姿态，但它俩的坐标原点不重合，若用 矢量表示坐标系i和坐标系j原点之间的矢量，则坐标系j就可以看成是由坐标系i沿矢量 平移变换而来的，所以称矢量 为平移变换矩阵，它是一个31的矩阵，即：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,1、平移变换 若空间有一点在坐标系i和坐标系j中分别用矢量 和 表示，则它们之间有以下关系：称上式为坐标平移方程。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换 设坐标系i和坐标系j的原点重合，但它俩的姿态不同，则坐标系j就可以看成是由坐标系i旋转变换

5、而来的，旋转变换矩阵比较复杂，最简单的是绕一根坐标轴的旋转变换，下面以此来对旋转变换矩阵作以说明。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换绕z轴旋转角 坐标系i和坐标系j的原点重合，坐标系j的坐标轴方向相对于坐标系i绕轴旋转了一个角。角的正负一般按右手法则确定，即由z轴的矢端看，逆时钟为正。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换绕z轴旋转角 若空间有一点p，则其在坐标系i和坐标系j中的坐标分量之间就有以下关系：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换绕z轴旋转角 若补齐所缺的有些项，再作适当

6、变形，则有：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换绕z轴旋转角 将上式写成矩阵的形式，则有：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换绕z轴旋转角 再将其写成矢量形式，则有：称上式为坐标旋转方程，式中：p点在坐标系i中的坐标列阵（矢量）；p点在坐标系j中的坐标列阵（矢量）；坐标系j变换到坐标系i的旋转变换矩阵，也称为方向余弦矩阵。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换 旋转变换矩阵，也称为方向余弦矩阵，是一个33的矩阵，其中的每个元素就是坐标系i和坐标系j相应坐标轴夹角的余弦值，它表明坐标系

7、j相对于坐标系i的姿态（方向）。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换绕x轴旋转角的 旋转变换矩阵为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换绕y轴旋转角的 旋转变换矩阵为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换旋转变换矩阵的逆矩阵 旋转变换矩阵的逆矩阵既可以用线性代数的方法求出，也可以用逆向的坐标变换求出。以绕z轴旋转角为例，其逆向变换即为绕z轴旋转-角，则其旋转变换矩阵就为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,2、旋转变换旋转变换矩阵的逆矩阵 比较以下两式：结

8、论：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,3、联合变换 设坐标系i和坐标系j之间存在先平移变换，后旋转变换，则空间任一点在坐标系i和坐标系j中的矢量之间就有以下关系：称上式为直角坐标系中的坐标联合变换方程。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,3、联合变换 若坐标系i和坐标系j之间是先旋转变换，后平移变换，则上述关系是应如何变化？,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,例：已知坐标系B的初始位置与坐标系A重合，首 先坐标系B沿坐标系A的x轴移动12个单位，并沿坐标系A的y轴移动6个单位，再绕坐标系 A的z轴旋转30，求平移变

9、换矩阵和旋转变换 矩阵。假设某点在坐标系B中的矢量为：，求该点在坐标系A中的矢量？,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,解：由题意可得平移变换矩阵和旋转变换矩阵分别为：，则：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,直角坐标变换,1、齐次坐标的定义 空间中任一点在直角坐标系中的三个坐标分量用 表示，若有四个不同时为零的数与三个直角坐标分量之间存在以下关系：则称 是空间该点的齐次坐标。,齐次坐标变换,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,1、齐次坐标的定义齐次坐标的性质.空间中的任一点都可用齐次坐标表示；.空间中的任一点的直角坐标是单值的，但其对应的齐次坐标

10、是多值的；.k是比例坐标，它表示直角坐标值与对应的齐次坐标值之间的比例关系；.若比例坐标k=1，则空间任一点(x,y,z)的齐次坐标为(x,y,z,1)，以后用到齐次坐标时，一律默认k=1。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）若坐标系j是i先沿矢量平移，再绕z轴旋转角得到的，则空间任一点在坐标系i和坐标系j中的矢量和对应的变换矩阵之间就有，写成矩阵形式则为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）再用坐标分量等式表示，则有：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2

11、、齐次变换矩阵（D-H矩阵）引入齐次坐标，补齐所缺各项，再适当变形，则有：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）再将其写成矩阵形式则有：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）由此可得联合变换的齐次坐标方程为：式中，齐次坐标变换矩阵，它是一个44的矩阵。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）齐次坐标变换矩阵的意义若将齐次坐标变换矩阵分块，则有：意义：左上角的33矩阵是两个坐标系之间的旋转变换 矩阵，它描述了姿态关系；右上角的31矩阵是

12、两个坐标系之间的平移变换矩阵，它描述了位置 关系，所以齐次坐标变换矩阵又称为位姿矩阵。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）齐次坐标变换矩阵的意义齐次变换矩阵的通式为：式中，j的原点在i中的坐标分量；j的x轴对i的三个方向余弦；j的y轴对i的三个方向余弦；j的z轴对i的三个方向余弦。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）单独的平移或旋转齐次坐标变换矩阵 平移变换的齐次矩阵为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）单独的平移或旋转齐次坐

13、标变换矩阵 旋转变换的齐次矩阵为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）单独的平移或旋转齐次坐标变换矩阵 同理可得：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）联合变换与单步齐次变换矩阵的关系观察以下三个齐次变换矩阵的关系：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）联合变换与单步齐次变换矩阵的关系经观察可得：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）联合变换与单步齐次变换矩阵的关系 任何一个齐次

14、坐标变换矩阵均可分解为一个平移变换矩阵与一个旋转变换矩阵的乘积，即：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）联合变换与单步齐次矩阵的关系 当空间有n个坐标系时，若已知相邻坐标系之间的齐次变换矩阵，则：由此可知，建立机器人的坐标系，将机器人手部在空间的位姿用齐次坐标变换矩阵描述出来，从而建立机器人的运动学方程。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）相对变换 坐标系之间多步齐次变换矩阵等于每次单独变换的齐次变换矩阵的乘积，而相对变换则决定这些矩阵相乘的顺序，其分为左乘和右乘：.若坐标系之间的变

15、换是始终相对于原来的参考坐标系，则齐次坐标变换矩阵左乘；.若坐标系之间的变换是相对于当前新的坐标系，则齐次坐标变换矩阵右乘。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）相对变换 例：已知坐标系B是绕坐标系A的zA轴旋转90，再绕A的xA轴旋转90，最后沿矢量：平移得到的，求坐标系A与坐标系B之间的齐次坐标变换矩阵。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）相对变换解：由题意可知满足左乘原则，即有：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）相对变换解

16、：若满足右乘原则，则有：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）逆变换 已知i通过先平移，后旋转变成j，则变换矩阵为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）逆变换逆变换时：变换顺序颠倒；先平移，后旋转先旋转，后平移。变换参数取反。旋转（）（-），平移（px，py，pz）（-px，-py，-pz）。,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）逆变换 则j到i的变换矩阵为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换

17、矩阵（D-H矩阵）逆变换,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）逆变换,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）逆变换 若齐次变换矩阵为：则：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,2、齐次变换矩阵（D-H矩阵）逆变换 若齐次变换矩阵为：,3.2 齐次变换及运算,第3章 机器人运动学,齐次坐标变换,3.3.1 运动学方程建立步骤 1、建立坐标系 2、确定参数 3、相邻杆件的位姿矩阵 4、建立方程3.3.2 运动学方程的解,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运

18、动学方程建立步骤,运动学方程的模型：M=f(qi)，i=1，n M机器人手在空间的位姿 qi机器人各个关节变量,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,1、建立坐标系 机座坐标系0 杆件坐标系i i=1，2，n 手部坐标系h,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,1、建立坐标系机座坐标系0建立原则：z轴垂直，x轴水平，方向指向手部所在平面。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,1、建立坐标系杆件坐标系i，i=1，2，n 建立原则：z轴与关节轴线重合，x轴与两关节轴线的 距离重合，方向指向下一个杆件。杆件坐标系有两种：第一种：

19、z轴与i+1关节轴线重合；第二种：z轴与i关节轴线重合。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,1、建立坐标系杆件坐标系i第一种坐标系：z轴与i+1关节轴线重合。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,1、建立坐标系杆件坐标系i第二种坐标系：z轴与i关节轴线重合。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,1、建立坐标系手部坐标系h 在第一种杆件坐标系下，h与n坐标系重合。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,1、建立坐标系手部坐标系h 在第二种杆件坐标系下，h与n坐标系的方向

20、保持一致。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,2、确定参数杆件几何参数（不变）I、杆件长度li：两关节轴线的距离。II、杆件扭角i：两关节轴线的夹角。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,2、确定参数关节运动参数I、关节平移量di：相邻杆件的长度在关节轴线上的距离。II、关节回转量i：相邻杆件的长度在关节轴线上的夹角。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,2、确定参数关节运动参数关节变量：di平移关节；i回转关节。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位

21、姿矩阵第一种坐标系 建立坐标系i-1、i。试分析i-1i的变换过程。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第一种坐标系I、i-1i变换过程a、Trans（0，0，di）；b、Rot（z，i）；c、Trans（li，0，0）；d、Rot（x，i）。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第一种坐标系 II、单步齐次变换矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第一种坐标系 III、相邻杆件的位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动

22、学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第一种坐标系 III、相邻杆件的位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第一种坐标系注意：特例！,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第二种坐标系 建立坐标系i-1、i。试分析i-1i的变换过程。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第二种坐标系I、i-1i变换过程a、Trans（li-1，0，0）；b、Rot（x，i-1）；c、Trans（0，0，di）；d、Rot（z，i）。,3.3 机

23、器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第二种坐标系 II、单步齐次变换矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第二种坐标系 III、相邻杆件的位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,3、相邻杆件位姿矩阵第二种坐标系 III、相邻杆件的位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,4、建立方程,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,例：已知三自由度平面关节机器人如图所示，设机器人杆件1、2、3的长度为l1

24、，l2，l3。建立机器人的运动学方程。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（1）建立坐标系(第一种)a、机座坐标系0 b、杆件坐标系i c、手部坐标系h（与末端杆件坐 标系n重合）,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（2）确定参数,3,2,1,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（3）相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（3）相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（3）相邻杆件位

25、姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（4）建立方程将相邻杆件位姿矩阵依次相乘，则有：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（4）建立方程若用矩阵形式表示，则为：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（4）建立方程若用方程组形式表示，则为：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（1）建立坐标系(第二种)a、机座坐标系0 b、杆件坐标系i c、手部坐标系h（与末端杆件坐 标系n方向 一致）,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程

26、建立步骤,解：（2）确定参数,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（3）相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（3）相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（3）相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（3）相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（4）建立方程将相邻杆件位姿矩阵依次相乘，则有：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步

27、骤,解：（4）建立方程若用矩阵形式表示，则为：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,解：（4）建立方程若用方程组形式表示，则为：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,运动学方程建立步骤,运动学方程的模型：M0h=f(qi)，i=1，n正问题：已知关节变量qi的值，求手在空间的位姿M0h。逆问题：已知手在空间的位姿M0h，求关节变量qi的值。,3.3.2 运动学方程的解,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,1、运动学方程的正解 正问题：已知关节变量qi的值，求手在空间的位姿M0h。正解特征：唯一性。用处：检验、校准机器人。,3.3 机器人运

28、动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,2、运动学方程的逆解逆问题：已知手在空间的位姿M0h，求关节变量qi的值。逆解特征分三种情况：多解、唯一解、无解。多解的选择原则：最接近原则。计算方法：递推逆变换法，即,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,例：已知四轴平面关节SCARA机器人如图所示，试计算：（1）机器人的运动学方程；（2）当关节变量取qi=30，-60，120，90T时，机器人手部的位置和姿态；（3）机器人运动学逆解的数学表达式。,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（1）运动学方程

29、a、建立坐标系（第一种）机座坐标系0 杆件坐标系i 手部坐标系h,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（1）运动学方程b、确定参数,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（1）运动学方程 c、相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（1）运动学方程 c、相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（1）运动学方程 c、相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动

30、学方程的解,解：（1）运动学方程 c、相邻杆件位姿矩阵,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（1）运动学方程d、建立方程,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（2）已知qi=30，-60，120，90T，代入（1）中的运动学方程，则得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式已知运动学方程，用通式表示为：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式 联立方程：,3.3 机器人运动学方程,第

31、3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式由上面（a）、（b）两式可得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式由上面（c）、（d）两式平方再相加可得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,2、运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式由上面（c）、（d）两式展开可得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式由上面两式可得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：

32、（3）逆解数学表达式由上面两式可得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式已知1，2可得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式最后由（e)式可得：,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,解：（3）逆解数学表达式,3.3 机器人运动学方程,第3章 机器人运动学,3.3.2 运动学方程的解,微分变换 雅可比矩阵,3.4 机器人微分运动,第3章 机器人运动学,设机器人运动链中某一杆件相对于机座坐标系的位姿为，经过微运动后该杆件的位姿变

33、为，若位姿是某个变量q的函数，则：若位姿是若干个变量的函数，则：,3.4.1 微分变换,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,已知一个2自由度机器人及其坐标系如图所示。若因杆件1下关节轴承装配或制造不当，使杆件1沿关节轴线有0.05单位的偏差，又由于两杆件的执行器运动不准确，旋转执行器使杆件1多转一个0.01rad的偏差角，移动执行器使杆件2移动了一个0.1单位的偏差距离。若杆件1的长度单位，试求当机器人关节变量取 单位时，机器人手部位姿的偏差。,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,由图示坐标系可得机器人手部的位姿为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器

34、人微分运动,3.4.1 微分变换,由已知条件可得：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,由已知条件可得：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,机器人手部位姿的偏差为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,1、微分变换矩阵微分平移变换矩阵：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,1、微分变换矩阵微分旋转变换矩阵：绕三根坐标轴旋转的微分变换矩阵分别为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,1、微分变换矩阵微分旋转变换矩阵：绕三根坐标轴旋转的微

35、分变换矩阵分别为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,1、微分变换矩阵微分旋转变换矩阵：绕三根坐标轴旋转的微分变换矩阵分别为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,1、微分变换矩阵微分旋转变换矩阵：上述三个微分旋转变换矩阵按任意顺序相乘，只要略去高阶微量，其结果均为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,1、微分变换矩阵综上所述，微分变换矩阵即为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,2、两坐标系间微分运动的关系 设任意两个坐标系i和j 之间的变换关系为Mij。若相

36、对于坐标系i进行的微运动用微分变换矩阵i表示，相对于坐标系j用j表示，即：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,2、两坐标系间微分运动的关系同理可得：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,3.4.1 微分变换,当所有关节均有微分运动时，它们在机器人坐标系n中引起的总微分变换矩阵则为：,雅可比矩阵,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,若将微分变换矩阵用微分运动矢量来表示，则上式就变化为：,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,雅可比矩阵,若令Jn为：,则称Jn为机器人的雅克比矩阵，它反映了机器人手部坐标系的微分运动与各关节微分运动的关系

37、，不同坐标系之间可以有不同的雅克比矩阵。,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,雅可比矩阵,雅可比矩阵构造的具体步骤为：,a.计算机器人相邻杆件的位姿矩阵；b.计算机器人各杆件相对于末端杆件的位姿矩阵：c.计算的各列元素，第i列元素由关节i的类型确定，最后得到机器人的雅可比矩阵。,第3章 机器人运动学,3.4 机器人微分运动,雅可比矩阵,习 题,什么是齐次坐标？与直角坐标有何区别？齐次变换矩阵的意义是什么?联合变换与单步变换的关系是什么？已知齐次变换矩阵，如何计算逆变换矩阵？机器人运动学解决什么问题?什么是正问题和逆问题？机器人的坐标系有哪些？如何建立？建立运动学方程需要确定哪些参数？如何辨别关节变量？第一种和第二种杆件坐标系下，相邻杆件位姿矩阵计算有何区别？机器人运动学方程的正解和逆解有何特征？各应用在什么场合？逆解如何计算？,第3章 机器人运动学,习 题,第3章 机器人运动学,习 题,第3章 机器人运动学,第3章完！,