机械臂运动学方程
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机械手臂的运动学公式推导
1. 仿人机器人手臂模型
● 仿人机器人的手臂有6个自由度,肩部(shoulder )3个,肘
部(elbow )2个,腕部(wrist )1个,如图1所示。 ● 机器人手臂的几何尺寸(mm ):
上臂长度:216 小臂长度:173.5
● 关节的运动范围(右手):如表1所示。
表1 关节运动范围
⑴ 参考坐标系
为了对仿人机器人进行控制,同时也便于描述机器人的动作状态,
必须建立适当的初始坐标系。我们设定机器人手臂的初始姿态:大臂从肩垂直向下,小臂向前平伸,与大臂成
90。
参考坐标系(实验室坐标系)的设定以机器人本身的初始位置与实验室坐标系相一致的原则设定,如图2所示。
X 轴:以机器人初始(状态)位置的右侧方向作为实验室坐标系的X 轴; y 轴:设定y 轴使其为右手系坐标系,即正前方为y 轴正向。
Z 轴:以机器人初始(状态)位置的上方向作为实验室坐标系的Z 轴;按D-H 坐标建立的方法,各个关节的轴线与各关节坐标系的Z 轴共线.
(2) 关节坐标系
各关节坐标系的建立如图3所示。
1
2 3 4 5 6
图1 手臂模型 X 5 X
O
Z Y
图2 参考坐标系
X 3 O 3 Z 3
Y 3Z 4 O 4
Y 4X 4
O 5
Z 5Y 5Z 6 O 6
Y 6 X 6 X 1 O 1 Z 1
Y 1 Y 2 O 2 X 2Z 2shoulder 1、2、3
elbow wrist 4、5 6 图3 关节坐标系
(3)连杆参数
连杆参数列表如表2所示。
表2 连杆参数
连杆之间的齐次变换矩阵为:
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎢
⎢⎣⎡---=----------10
00
0111
1111111i i i i i i i i c d c s c s s s d s c c c s a s c T i i i i i i i i
i i i αααααααα
从而可以确定:
⎥⎥
⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=10000100
000011
11
01c s s c T ⎥⎥
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=1000
000100
00
2222
12
c s s c T ⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎣⎡---=100
0010000330332
3c s l s c T ⎥⎥
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=1000
000100
00
4444
3
4c s s c T
⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢
⎢⎣⎡---=10
00
0010000551554
5c s l s c T ⎥⎥
⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=100
000100
006666
5
6c s s c T
T T T T T T T 5
6453423
120106
= =
[ (((cos(t1)*cos(t2)*cos(t3)+sin(t1)*sin(t3))*cos(t4)+cos(t1)*sin(t2)*sin(t4))*cos(t5)-(-cos(t1)*c os(t2)*sin(t3)+sin(t1)*cos(t3))*sin(t5))*cos(t6)-(-(cos(t1)*cos(t2)*cos(t3)+sin(t1)*sin(t3))*sin(t4)+cos(t1)*sin(t2)*cos(t4))*sin(t6),
-(((cos(t1)*cos(t2)*cos(t3)+sin(t1)*sin(t3))*cos(t4)+cos(t1)*sin(t2)*sin(t4))*cos(t5)-(-cos(t1)*cos (t2)*sin(t3)+sin(t1)*cos(t3))*sin(t5))*sin(t6)-(-(cos(t1)*cos(t2)*cos(t3)+sin(t1)*sin(t3))*sin(t4)+c
os(t1)*sin(t2)*cos(t4))*cos(t6),
-((cos(t1)*cos(t2)*cos(t3)+sin(t1)*sin(t3))*cos(t4)+cos(t1)*sin(t2)*sin(t4))*sin(t5)-(-cos(t1)*cos(t
2)*sin(t3)+sin(t1)*cos(t3))*cos(t5), (-(cos(t1)*cos(t2)*cos(t3)+sin(t1)*sin(t3))*sin(t4)+cos(t1)*sin(t2)*cos(t4))*l1-cos(t1)*sin(t2)*l0] [ (((sin(t1)*cos(t2)*cos(t3)-cos(t1)*sin(t3))*cos(t4)+sin(t1)*sin(t2)*sin(t4))*cos(t5)-(-sin(t1)*co s(t2)*sin(t3)-cos(t1)*cos(t3))*sin(t5))*cos(t6)-(-(sin(t1)*cos(t2)*cos(t3)-cos(t1)*sin(t3))*sin(t4)+s in(t1)*sin(t2)*cos(t4))*sin(t6),
-(((sin(t1)*cos(t2)*cos(t3)-cos(t1)*sin(t3))*cos(t4)+sin(t1)*sin(t2)*sin(t4))*cos(t5)-(-sin(t1)*cos(t 2)*sin(t3)-cos(t1)*cos(t3))*sin(t5))*sin(t6)-(-(sin(t1)*cos(t2)*cos(t3)-cos(t1)*sin(t3))*sin(t4)+sin(
t1)*sin(t2)*cos(t4))*cos(t6), -((sin(t1)*cos(t2)*cos(t3)-cos(t1)*sin(t3))*cos(t4)+sin(t1)*sin(t2)*sin(t4))*sin(t5)-(-sin(t1)*cos(t2
)*sin(t3)-cos(t1)*cos(t3))*cos(t5), (-(sin(t1)*cos(t2)*cos(t3)-cos(t1)*sin(t3))*sin(t4)+sin(t1)*sin(t2)*cos(t4))*l1-sin(t1)*sin(t2)*l0] [((-sin(t2)*cos(t3)*cos(t4)+cos(t2)*sin(t4))*cos(t5)-sin(t2)*sin(t3)*sin(t5))*cos(t6)-(sin(t2)*cos(t
3)*sin(t4)+cos(t2)*cos(t4))*sin(t6), -((-sin(t2)*cos(t3)*cos(t4)+cos(t2)*sin(t4))*cos(t5)-sin(t2)*sin(t3)*sin(t5))*sin(t6)-(sin(t2)*cos(t3
)*sin(t4)+cos(t2)*cos(t4))*cos(t6), -(-sin(t2)*cos(t3)*cos(t4)+cos(t2)*sin(t4))*sin(t5)-sin(t2)*sin(t3)*cos(t5), (sin(t2)*cos(t3)*sin(t4)+cos(t2)*cos(t4))*l1-cos(t2)*l0] [0,0,0,1]
⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-==-1000010000cos sin 00sin cos 1
1
11
1
0110θθ
θθT
T ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---==-100000100cos 0sin 0sin 0cos 2
2
2
211221θθ
θθT
T ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----==-10000100cos 0sin 0sin 0cos 03
3
3
31
23
32
l T
T θθ
θθ
⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---==-10
00100cos 0sin 0sin 0cos 4
4
4
41
3443θθ
θθT
T