机械臂学习笔记(2)

Reading material :
Introduction to Robotics: Mechanics and Control, 3rd Edition, John J. Craig

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Chapter 2 : Spatial descriptions and transformations

在笛卡尔坐标系中,路径是可以直接被用户定义的点直接规划的。但是笛卡尔坐标系中的点计算起来十分复杂,因为要在路径更新速率下求逆运动解。具体来讲,在笛卡尔坐标中的路径生成后,要用逆运动变换来求解轴转角。

2.1 Intro

通用坐标系来定义位置,方向和框架。

2.2 Descriptions:Positions,Orientations, and Frames

位置描述

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用一个3x1位置矢量描述,左上角是坐标系表示,各个矢量元素代表投影长度。

方向描述

机械臂学习笔记(2)_第1张图片

仅仅靠位置描述是不够的,比如在机械触手中间有一个点,我们需要一个方向向量来指定触手的朝向。
为了描述这个方向向量,我们在会在物体上建一个新坐标系,然后添加新坐标系与参考坐标系的位置描述。

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表述方法见上,新坐标系将会用旋转矩阵表示。矩阵每一列代表新坐标系方向向量在参考坐标系中的单位向量。几个重要关系见下:

变换矩阵可以理解为B的主轴在A各个主轴上的映射:
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框架变换的转置关系
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变换矩阵的正定性
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2.3 Mappings: changing descriptions from frame to frame

空间中的点本身不变,变的只是所处的框架,计算同一个点在不同框架下的描述是非常重要的,这个概念叫做映射。

平移映射

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旋转映射

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新向量 = 新基底x旧向量

一般映射

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补一个维度,因为三三矩阵无法描述平移量。
这种矩阵称为homogeneous transform。

2.4 操作符: 平移 旋转 和变形

平移

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旋转

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变形(平移+旋转)

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2.5 齐次变换的三种理解

  1. 是框架关系的描述。

  2. 是一种映射变换。

  3. 是一个变换操作符。

2.6 变换运算

复合变换

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机械臂学习笔记(2)_第2张图片

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逆变换

不要直接求逆,要充分利用结构的性质。
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2.7 变换等式

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Find the transform equation by finding the circle in graphical representation. And then get the equation for desired transformation.

机械臂学习笔记(2)_第4张图片

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2.8 方向表示

旋转矩阵也叫正交矩阵,其模为1。
9个数太浪费了,尝试着去减少变量的个数。
根据正交矩阵的性质和Cayley's formula,

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S矩阵应该有错误,(0,1)和(1,0)的sx应该是sz。
此处得出结论,有可能只用三个参数就将旋转变换表示出来。

问题在于旋转矩阵不方便用来指定方向因为需要用到九个参数,下面讨论只用三个参数的方向表示方法。

X-Y-Z 固定角

这种方法以如下方式描述框架{B}的方向:
从一个已知参考框架{A}开始,先绕XA转gamma角,再绕YA转beta角,再绕ZA转alpha角。

机械臂学习笔记(2)_第5张图片

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上式只对描述的旋转变换顺序成立 !

从X-Y-Z 固定角中求出旋转矩阵也是非常重要的。

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当beta = 正负九十度时,方程组变成不定方程。特例处理方式如下:

机械臂学习笔记(2)_第6张图片

Z-Y-X欧拉角

先绕ZB转alpha角,再绕YB转beta角,再绕ZB转gamma角。
每一次的旋转都是关于移动系统{B}操作的而不是固定的参考{A}。这类旋转的集合叫做欧拉角。

机械臂学习笔记(2)_第7张图片

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上式的结果与倒序绕着固定轴的结果一样。
所以提取旋转矩阵用到的数学表达式也一样。

Z-Y-Z欧拉角 (?)

旋转法则:
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等价旋转矩阵:
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角度提取:
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特例处理:
机械臂学习笔记(2)_第8张图片

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等价角-轴表示

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将{B}绕着向量A_K转theta按照右手系。

机械臂学习笔记(2)_第9张图片

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从等价矩阵中计算转角和轴:

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欧拉参数

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机械臂学习笔记(2)_第11张图片

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机械臂学习笔记(2)_第12张图片

教学(Taught and predefined orientations)

很多机器人系统中教学是常用的记录位置和方向的手段。 此时的机械手只是一个测量工具,记录的是单纯的数据而不是旋转矩阵,这大大方便了用户使用。

2.10 计算的考虑

如果要计算:

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方法一:
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则需要63次乘法,42次加法。

方法二:
机械臂学习笔记(2)_第13张图片
只需要27次乘法和18次加法

所以建议采取第二种计算方法。

也有例外,如果三个旋转矩阵关系一定并且有很多点要计算时,第一种方法更加有效率。

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