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BOB半岛机械臂运动学(一)
时间: 2023-12-02浏览次数:
 BOB半岛输入的向量中元素按顺序分别为theta,d,a,alpha。第五个元素σ可选,表明该机械臂可转动(σ=0)还是平动(σ=1),若未指定σ数值则默认为σ=0(转动)。其中theta为关节角BOB半岛,表示连杆i-1与连杆间夹角(也即第i-1个关节的x轴线与第i个关节x轴线所成夹角),为转动关节变量,d(i)为第i-1个关节的x轴线与第i个关节轴线交点及第i个关节的x轴线与第i个关节轴线

  BOB半岛输入的向量中元素按顺序分别为theta,d,a,alpha。第五个元素σ可选,表明该机械臂可转动(σ=0)还是平动(σ=1),若未指定σ数值则默认为σ=0(转动)。其中theta为关节角BOB半岛,表示连杆i-1与连杆间夹角(也即第i-1个关节的x轴线与第i个关节x轴线所成夹角),为转动关节变量,d(i)为第i-1个关节的x轴线与第i个关节轴线交点及第i个关节的x轴线与第i个关节轴线交点之间的距离,为移动关节变量,α(i)为第i-1个关节轴线与第i个关节轴线所成角度,a(i)为第i-1个关节轴线与第i个关节轴线公垂线距离(这是规定坐标系定义在连杆起始端,若定义坐标系在连杆末端则这些参数意义相应改变,下面的例子将坐标系定义在连杆末端)。括号中R表示该连杆的关节为转动关节。

  所求为当q=0.5时连杆的4x4齐次变换矩阵(q由σ决定,当为转动关节时q=θ,当为移动关节时q=d)。

  机器人的结构字符串为RR,表示有两个转动关节,还为机器人取了名字,它在任何图形显示机器人时都会出现。

  它将直接执行上述指令,将该机器人定义在Matlab工作空间,并创建名为p2的SerialLink对象。

  SerialLink对象是使用机器人工具箱的关键,也同Link对象一样含有许多方法和特性,比如:

  接下来机械臂可以工作了,在正向运动学的计算中使用fkine方法,在下面的例子中,q1=q2=0:

  该方法返回的是代表机器人第二个连杆坐标系位姿的齐次变换T2,而用以下指令可以画出机器人的图形:

  图中包含了机器人的名字(planar 2 link是使用mdl_planar2创建的平面双臂机器人默认的名字),末端连杆的坐标系(即这里的T2),所有的关节及他们的轴线,及机器人投影在地面的影子。

  指令mdl_puma560还会在工作区创建大量关节坐标向量,它们代表一些典型的机器人位形:

  我们可以定义一个工具变换,将默认的连杆6的坐标系{6}原点移动或转动,下面展示将T6坐标系沿着z轴延伸200mm:

  因为Puma560是一种包含一个球腕的六轴机器人(在最后一个关节处连接末端执行器),故可使用ikine6s方法来计算其逆运动学的封闭解。要实现位姿T,所需的关节坐标为:

  这个解不同于标准关节坐标,但是通过p560.fkine(qi)进行正向运动学求解会发现所得到的位姿也是T,这说明同一位姿会对应不同的关节坐标解。一般来说有8组不同的关节坐标解对应相同的末端执行器位姿(面朝前后、肘关节在上在下、腕关节翻转或不翻转)。

  我们在这里解释一下BOB半岛,puma560机器人各个关节对应人体的不同部位:腰部1轴,肩部2轴,大臂3轴(肘),小臂4轴,腕关节5,6轴,如下所示:

  该puma机器人肩关节相对腰部有个水平偏移,所以一组坐标解对应的机械臂在腰部左侧,另一组就对应在右侧,它们分别被称为左手/右手运动学位形,我们可以人为规定获得右手位形解:

  它也就是标准坐标,肘关节在上的右手位形。(puma560的肘转动角相差π是没有差别的)

  由于关节转角的机械限制以及连杆之间可能发生的碰撞,并非所有8个解在物理上都能实现BOB半岛,例如:

  现要把它放在一个能在xy平面移动的平台上,模仿一个安装在车辆上的机器人,我们可以直接使用一种速记语法从D-H参数中创建SerialLink对象:

  D-H符号系统要求移动关节产生沿局部坐标z轴方向的平移,基座变换将该z轴旋转为世界坐标的x轴方向BOB半岛。这个机器人的关节坐标即为其x和y坐标位置。我们通过:

  发现齐次变换矩阵中的旋转子矩阵为单位矩阵,意味着该平台坐标系与世界坐标系平行,且x和y方向上的位移即为我们所要求的。

  如果我们把Puma机器人安装在平台顶部的高大底座上,在此之前我们在创建平台时增加了底座,但基座变换只能存在于一个运动链的开始,而现在这个变换是在关联后的八轴机器人的关节2和关节3之间,因此需要通过先设置Puma的d(1)参数从而实现底座添加:

  我们可以使用通用的数值解方法找到这个冗余机械臂的逆运动学解。例如,将末端执行器移动到(0.5,1.0,0.7),并且使工具在xz平面中指向下方,其笛卡尔位姿为

  我们可用可操作性来反映机械臂上的工具在各个笛卡尔方向上所能移动的难易程度,如六轴机器人的可操作性为

  这两个位姿位于xy平面内且末端执行器朝下BOB半岛,与之对应的初始及最终关节向量分别为:

  通过在q1、q2两个位形间的平滑插值就能得到一个关节空间轨迹,使用jtraj这个函数


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