機(jī)械臂模型及旋轉(zhuǎn)矩陣探究

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1、機(jī)械臂模型及旋轉(zhuǎn)矩陣探究東北大學(xué).人工智能研究所.劉穎機(jī)械臂模型及應(yīng)用機(jī)械臂的應(yīng)用機(jī)械臂研究現(xiàn)狀機(jī)械臂的模型機(jī)械臂的應(yīng)用機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。機(jī)械臂機(jī)器加載取放操作焊接機(jī)器加載噴漆檢測(cè)抽樣裝配操作機(jī)械制造醫(yī)療應(yīng)用危險(xiǎn)環(huán)境水下太空及遠(yuǎn)程機(jī)械臂研究近狀1、工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高精度、高速度

2、、高可靠性、便于操作和維修)。2、機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。3、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。4、虛擬顯示在機(jī)器人中的作用己從仿真、預(yù)演，發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)器人。5、當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制。幾個(gè)發(fā)展方向：機(jī)械臂研究近狀1、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制是控制方法與網(wǎng)絡(luò)結(jié)合成果，是控制領(lǐng)域嶄新而非常有前景的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖機(jī)械臂研究近狀2、車載

3、機(jī)械臂我國(guó)二期月球探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)之一是近距離、大比例尺形貌和地質(zhì)構(gòu)造研究。要完成這個(gè)科學(xué)目標(biāo)，要求月球車攜帶一些能完成就位探測(cè)的有效載荷儀器。當(dāng)月球車對(duì)目標(biāo)月巖或月壤進(jìn)行就位分析時(shí)，機(jī)械臂能夠完成就位有效載荷儀器的放置、定位、操作及撤離等操作?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制器硬件原理圖機(jī)械臂研究近狀3、空間柔性機(jī)械臂太空作業(yè)機(jī)械臂的研究工作最早丌始于前蘇聯(lián)的hnakod／Luna空I’日J(rèn)計(jì)劃，此后，美國(guó)、同本、歐洲等各國(guó)相繼丌展了空間機(jī)器人研究與丌發(fā)工作。當(dāng)自訂，艙外空間機(jī)械臂多安裝于航天飛機(jī)、國(guó)際空間站、太空實(shí)驗(yàn)艙和實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上，

4、具有有代表性的空間機(jī)械臂如下：1)航天飛機(jī)上機(jī)械臂目前投入使用比較典型的是加拿大1號(hào)臂，如圖卜1所示，加拿大臂山加拿大斯巴公司生產(chǎn)，安裝于美國(guó)航天飛機(jī)上，目前仍有3套航天飛機(jī)機(jī)械臂在使用。加拿大1號(hào)臂由強(qiáng)度極高的碳纖維材料制造，長(zhǎng)15．2m，直徑38cm，總質(zhì)量為410Kg，在無(wú)載荷條件下移動(dòng)速度可達(dá)600m吣，有載荷時(shí)移動(dòng)速度為60mm／s，無(wú)載荷時(shí)能移動(dòng)到距目標(biāo)點(diǎn)的精度范圍為±152mm，操作載荷質(zhì)量可達(dá)300looKg機(jī)械臂研究近狀2)國(guó)際空間站上機(jī)械臂在空間站艙外機(jī)械臂系統(tǒng)中，最具代表性的是國(guó)際空問(wèn)站美國(guó)艙段上的

5、加拿大和美國(guó)航天局(NASA)聯(lián)合研制的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)Mss(Mobileservicin2svstem）。航天飛機(jī)上的機(jī)械臂空間站上的機(jī)械臂機(jī)械臂研究近狀柔性機(jī)械臂1）、隨著宇航業(yè)及機(jī)器人業(yè)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多地采用由若干個(gè)柔性構(gòu)件組成的多柔體系統(tǒng)。柔性機(jī)械臂與剛性機(jī)械臂相比較，柔性機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)輕、載重與自重比高等特性，因而具有較低的能耗、較大的操作空間和很高的效率，其響應(yīng)快速而準(zhǔn)確，有著很多潛在的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域中有十分重要的地位。2）、由于柔性機(jī)械臂中包含有一些柔性單元(如柔性關(guān)節(jié)、柔性連桿等)，

6、其在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生扭曲、彈性、剪切等變形，從而給這類柔性機(jī)械臂的分析和控制帶來(lái)了許多困難。柔性臂建模方法介紹A、Newton—Euler法B、agrange方程或Hamilton原理C、Kane方法和虛位移原理D、模型辨識(shí)的方法機(jī)械臂的模型1、自由度XYZ如圖只沿X、Y、Z軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂是三自由度的。如果還能繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)那么就是六自由度的。機(jī)械臂的模型2、旋轉(zhuǎn)矩陣的一種理解已知向量op，有矩陣有xypo設(shè)op的長(zhǎng)度為r,輻角為機(jī)械臂的模型pP點(diǎn)在｛B｝系中為BP，｛B｝系原點(diǎn)在｛A｝系中可表示為機(jī)械臂的模型p(x

7、,y,0)xAyAzAxByBzB繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣如下：P點(diǎn)在｛A｝坐標(biāo)系中的可表示為：機(jī)械臂的模型機(jī)械臂的工作是由控制器指揮的，關(guān)節(jié)在每個(gè)位置的參數(shù)是預(yù)先記錄好的。當(dāng)機(jī)械臂執(zhí)行工作任務(wù)的時(shí)候，控制囂給出記錄好的位置數(shù)據(jù)，使機(jī)械臂按照預(yù)定的位置序列運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂的平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)是由關(guān)節(jié)電機(jī)控制關(guān)節(jié)的位移或轉(zhuǎn)角，其間并不涉及到控制力或控制力矩的大小，這是機(jī)械臂控制的一種傳統(tǒng)方法，我們也稱之為運(yùn)動(dòng)學(xué)控制。在這里建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的目的是為動(dòng)力學(xué)建模提供各臂之間的幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。機(jī)械臂的模型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)就是建立各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件

8、與末端執(zhí)行器空間的位置、姿態(tài)之間的關(guān)系，為運(yùn)動(dòng)控制提供分析的手段和方法。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)包括兩類問(wèn)題：(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)正問(wèn)題：給定機(jī)器人手臂、腕部等構(gòu)件的幾何參數(shù)及連接各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)變量求機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿。(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題：已知機(jī)器人各構(gòu)件的幾何參數(shù)和機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，求解