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机器人学-第3章-微分运动学(二)

上一章我们讨论了刚体的位姿描述、齐次变换,机器人各连杆间的位移关系,建立了机器人的运动学方程,研究了运动学逆解,建立了操作空间与关节空间的映射关系。 本章将在位移分析的基础上,进行速度分析,研究操作空间速度与关节空间速度之间的线性映射关系——雅可比矩阵(简称雅可比)。雅可比矩阵不仅用来表示操作空间与关节空间之间的速度线性映射关系,同时也用来表示两空间之间力的传递关系。 对于移动关节 对于转动关节 例:PUMA560的6个关节都是转动关节,其雅可比有6列。此处用矢量积法计算J(q) * 第3章 微分运动学与雅可比矩阵 ▲雅可比矩阵的定义 ▲微分运动与广义速度 ▲雅可比矩阵的构造法 ▲PUMA560机器人的雅可比矩阵 ▲逆雅可比矩阵 ▲力雅可比矩阵 4.1 雅可比矩阵的定义 把机器人关节速度向量 定义为: 式中, 为连杆i相对i-1的角速度或线速度。 手抓在基坐标系中的广义速度向量为: 式中, v为线速度,ω为角速度分量。 从关节空间速度向操作空间速度映射的线性关系称为雅可比矩阵,记为J,即: 4-3 在数学上,机器人终端手抓的广义位置(位姿)矢量P可写成: 上式对时间求导,有: 4-5 对照式4-3和式4-5,可知: 在机器人学中,J是一个把关节速度向量 变换为手爪相对基坐标的广义速度向量的变换矩阵。在三维空间运行的机器人,其J阵的行数恒为6(沿/绕基坐标系的变量共6个);列数则为机械手含有的关节数目。 对于平面运动的机器人来说,手的广义位置向量 均容易确定,可采用直接微分法求J,比较方便。 对于三维空间运行的机器人则不完全适用。从三维空间运行的机器人运动学方程,可以获得直角坐标位置向量 的显式方程,因此,J的前三行可以直接微分求得,但不可能找到方位向量 的一般表达式。找不出互相独立的、无顺序的三个转角来描述方位.绕直角坐标轴的连续角运动变换是不可交换的,而对角位移的微分与对角位移的形成顺序无关,故一般不能运用直接微分法来获得J的后三行。因此,常用构造性方法求雅可比J。 4.2 微分运动与广义速度 刚体或坐标系的微分运动包括微分移动矢量d和微分转动矢量 δ。前者由沿三个坐标轴的微分移动组成,后者由绕三个坐标轴的微分转动组成,即 或 或 刚体或坐标系的微分运动矢量 刚体或坐标系的广义速度 简写为: 其中,R是旋转矩阵 S(P)为矢量P的反对称矩阵 S(P)矩阵具有以下性质: 相应的,广义速度V的坐标变换为: 任意两坐标系A和B之间广义速度的坐标变换为: 4.3 雅可比矩阵的构造法 构造雅可比矩阵的方法有矢量积法和微分变换法,雅可比矩阵J(q)既可当成是从关节空间向操作空间的速度传递的线性关系,也可看成是微分运动转换的线性关系,即: 对于有n个关节的机器人,其雅可比矩阵J(q) 是6×n阶矩阵,其前三行称为位置雅可比矩阵,代表对手爪线速度v的传递比,后三行称为方位矩阵,代表相应的关节速度 对手爪的角速度ω的传递比。因此,可将雅可比矩阵J(q)分块,即: 式中,Jli和Jai分别表示关节i的单位关节速度引起手爪的线速度和角速度。 雅可比矩阵的求解(矢量积法): Jli的求法: (1) 第i关节为移动关节时 仅平移关节产生的线速度 设某时刻仅此关节运动、其余的关节静止不动,则: 设bi-1为zi-1轴上的单位矢量,利用它可将局部坐标下的平移速度di转换成基础坐标下的速度: 由于 所以 (2)第i个关节为转动关节时, 设某时刻仅此关节运动,其余的关节静止不动,仍然利用bi-1将zi-1轴上的角速度转化到基础坐标中去 仅旋转关节产生的线速度 矢量 起于Oi-1,止于On,所以由ωi产生的线速度为: 由于 所以 雅可比矩阵的求解:

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