在课程3.1,介绍了利用Denavit-Hartenberg方法(D-H方法)建立坐标系,并给出连杆
的四元参数组合
,最终通过齐次变换建立末端执行器与基座之间的变换关系。
在课程3.2中,将以Stanford Scheinman Arm为实例完成计算,以加深理解。
【建立坐标系】
机器人抽象出的多连杆模型如下,图中标出了固定的基座系{0}和最后一个转动关节的坐标系{6},从基座至末端顺次为:转动关节1,转动关节2,移动关节3,转动关节4,转动关节5,转动关节6。
多连杆模型
接下来,对连杆建立坐标系并求解D-H参数,具体步骤见斯坦福机器人导论课程总结-3.1。
建立坐标系,求解D-H参数
结合建立的坐标系,这里强调一些注意事项:
- 是 和 的公垂线。如果 和 相交时,则规定 垂直于 和 所在的平面,方向可自拟。例如, 和 相交, 垂直于所交平面,方向朝上或者朝下(本例中 指向下方)。
- 一旦坐标系建立,多连杆就抽象为了多个坐标系。这时候可以完全忽略多连杆的结构,直接套每个D-H参数的定义求解四元组 即可。例如 时, 与 轴线相交,故 ;从 绕 旋转至 角度为90度,故 ; 沿 移动至 距离为常数 ,故 ; 绕 旋转至 角度为变量 ,故 。
- 当关节3、4、5、6的轴线相交于同一点,定义该点为坐标系{3}、{4}、{5}、{6}的原点,可以简化运算过程。值得一提的是,关节3、4、5都处于同一平面且与关节6相互垂直,这种耦合设计在工业机器人中十分常见。
【齐次变换】
坐标系{i}变换至坐标系{i-1}的过程,通过旋转矩阵和偏移量构造齐次变换,同时利用旋转矩阵和欧拉角的关系描述姿态信息。
齐次变换见:斯坦福机器人导论课程总结-1
旋转矩阵与欧拉角关系见:斯坦福机器人导论课程总结-2
因此,连杆n相对于基座(连杆0)的位置和姿态信息便可以通过正运动计算得到:
正运动计算过程
【位姿向量】
上述
矩阵可以描述为如下形式,其中
为3x1列向量,包含位置信息;
分别为3x1列向量,
包含姿态信息。
位置和姿态信息向量