【ARM 机器人动力学与运动学基础】 在机器人技术中,ARM 通常指的是机械臂,是一种具有多个连杆和关节的可编程设备,用于执行各种任务。本讲义主要涉及了ARM机器人的运动学和配置参数,这对于理解机器人操作至关重要。 1. **运动学**: 运动学是研究机械系统运动的分支,不考虑作用力和动力学效应。在ARM机器人中,它涉及到如何从关节坐标(Joint Coordinates)转换到操作坐标(Operational Coordinates),即末端执行器(End-Effector)的位置和姿态。 2. **变换与表示**: 变换通常指将一个坐标系中的点转换到另一个坐标系的过程。在机器人中,这涉及到关节坐标到操作坐标的变换,以及不同坐标系之间的旋转和平移。 3. **空间描述**: ARM机器人的每个链接(Link)和关节(Joint)都有其空间描述,包括位置和方向。链接通过关节连接,形成连杆结构。常见的关节类型有回转关节(Revolute Joint,1 DOF)和滑动关节(Prismatic Joint,1 DOF)。 4. **任务描述**: 对于ARM机器人,任务描述通常涉及如何通过控制其关节来实现特定的目标位置或姿态,如拾取和放置物体。 5. **配置参数**: 配置参数是一组描述系统完整配置的位置参数。对于n个移动链接的ARM,如果所有关节都是1DOF的,那么需要6个配置参数(3个位置,3个方向)。如果有冗余自由度(Redundancy),则参数数量会有所不同。 6. **广义坐标(Generalized Coordinates)**: 广义坐标是一组独立的配置参数,它们是描述机器人状态的最简形式。对于n个移动链接的非冗余ARM,通常需要6个广义坐标。冗余自由度的ARM会有超过6个广义坐标,但系统仍受一定数量的约束。 7. **冗余自由度(Degrees of Redundancy)**: 当ARM的自由度超过完成任务所需的最低限度时,就会出现冗余自由度。这允许机器人有多种不同的运动方式来达到相同的目标,为优化其他性能指标(如能耗、速度或精度)提供了可能性。 8. **末端执行器配置参数**: 末端执行器配置参数是完全指定其相对于固定原点位置和姿态的一组参数。对于非冗余系统,这通常包括10n+{0}个参数,其中n是链接数量。 9. **操作坐标(Operational Coordinates)**: 操作坐标是描述末端执行器独立于关节坐标的操作自由度的参数。这些坐标反映了实际任务中的运动需求,比如末端执行器的位姿。 10. **欧几里得空间与笛卡尔坐标系**: ARM机器人的运动描述通常在三维欧几里得空间中进行,使用笛卡尔坐标系来表示位置和方向。每个链接和关节都有自己的坐标系,通过旋转矩阵(Rotation Matrix)描述相对关系。 总结,ARM机器人的运动学是其核心理论之一,它涉及到链接和关节的几何变换、自由度计算、坐标表示以及如何通过控制关节运动来实现末端执行器的精确定位。理解这些概念对于设计、控制和分析机器人系统至关重要。
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