第4章机器人雅可比矩阵课件

首先来看一个两自由度的首先来看一个两自由度的平面机械手，如图平面机械手，如图3-17所示。所示。图图3-17两自由度平面机械手两自由度平面机械手容易求得容易求得将其微分得将其微分得写成矩阵形式写成矩阵形式首先来看一个两自由度的平面机械手，如图3-171假设关节速度为假设关节速度为，手爪速度为，手爪速度为。简写成简写成：dx=Jd。式中式中J就称为机械手的雅可比（就称为机械手的雅可比（Jacobian）矩阵矩阵，它由函数，它由函数x，y的偏微分组成，反映了关节微小位移的偏微分组成，反映了关节微小位移d与手部（手爪）微小运与手部（手爪）微小运动动dx之间的关系。之间的关系。对对dx=Jd两边同除以两边同除以dt，得得可以更一般的写成可以更一般的写成。假设关节速度为2因此机械手的雅可比矩阵定义为它的操作空间速度与关节空因此机械手的雅可比矩阵定义为它的操作空间速度与关节空间速度的线性变换。间速度的线性变换。（或（或v）称为手爪在操作空间中的广义速度，称为手爪在操作空间中的广义速度，简称操作速度，简称操作速度，为关节速度。为关节速度。J若是若是6n的偏导数矩阵，它的第的偏导数矩阵，它的第i行第行第j列的元素为列的元素为：式中，式中，x代表操作空间，代表操作空间，q代表关节空间。代表关节空间。因此机械手的雅可比矩阵定义为它的操作空间速度3若令若令J1，J2分别为上例中雅可比矩阵的第一列矢量和第二列分别为上例中雅可比矩阵的第一列矢量和第二列矢量，即矢量，即可以看出，可以看出，雅可比矩阵的每一列表示其它关节不动而某一关节以雅可比矩阵的每一列表示其它关节不动而某一关节以单位速度运动产生的端点速度。单位速度运动产生的端点速度。由由，可以看出，可以看出，J阵的值随手爪位置阵的值随手爪位置的不同而不同，即的不同而不同，即1和和2的改变会导致的改变会导致J的变化。的变化。若令J1，J2分别为上例中雅可比矩阵的第一列4对于关节空间的某些形位，机械手的雅可比矩阵的秩减少，对于关节空间的某些形位，机械手的雅可比矩阵的秩减少，这些形位称为操作臂（机械手）的这些形位称为操作臂（机械手）的奇异形位。奇异形位。上例机械手雅可比上例机械手雅可比矩阵的行列式为：矩阵的行列式为：det(J)=l1l2s2当当2=0或或2=180时，机械手时，机械手的雅可比行列式为的雅可比行列式为0，矩阵的秩为，矩阵的秩为1，因此处于奇异状态。在奇异形位，因此处于奇异状态。在奇异形位时，时，机械手在操作空间的自由度将机械手在操作空间的自由度将减少。减少。对于关节空间的某些形位，机械手的雅可比矩阵的5只要知道机械手的雅可比只要知道机械手的雅可比J是满秩的方阵，相应的关节速度即是满秩的方阵，相应的关节速度即可求出，即可求出，即。上例平面上例平面2R机械手的逆雅可比机械手的逆雅可比于是得到与末端速度于是得到与末端速度相应的关节速度：相应的关节速度：显然，当显然，当2趋于趋于0（或（或180）时，机械手接近奇异形位，相应的关）时，机械手接近奇异形位，相应的关节速度将趋于无穷大。节速度将趋于无穷大。只要知道机械手的雅可比J是满秩的方阵，相应的64.1.2 微分变换微分变换 为了补偿机器人为了补偿机器人末端执行器位姿与目标物体之间的误差末端执行器位姿与目标物体之间的误差，以，以及解决及解决两个不同坐标系之间的微位移关系两个不同坐标系之间的微位移关系问题，需要讨论机器人问题，需要讨论机器人杆件在作微小运动时的位姿变化。杆件在作微小运动时的位姿变化。一一.变换的微分变换的微分假设一变换的元素是某个变量的函数，对该变换的微分就是假设一变换的元素是某个变量的函数，对该变换的微分就是该变换矩阵各元素对该变量的偏导数所组成的变换矩阵乘以该变该变换矩阵各元素对该变量的偏导数所组成的变换矩阵乘以该变量的微分量的微分。4.1.2微分变换为了补偿机器人末端执行7若它的元素是变量若它的元素是变量x的函数，则变换的函数，则变换T的微分为的微分为:例如给定变换例如给定变换T为：为：若它的元素是变量x的函数，则变换T的微分为:例如给定变换T为8二二.微分运动微分运动所以得所以得设机器人某一杆件相对于基坐标系的位姿为设机器人某一杆件相对于基坐标系的位姿为T，经过微运动经过微运动后该杆件相对基坐标系的位姿变为后该杆件相对基坐标系的位姿变为T+dT，若这个微运动是若这个微运动是相对相对于基坐标系（静系）进行的于基坐标系（静系）进行的(左乘左乘)，总可以用微小的平移和旋转总可以用微小的平移和旋转来表示，即来表示，即二.微分运动所以得设机器人某一杆件相对于基9根据齐次变换的相对性，若微运动是根据齐次变换的相对性，若微运动是相对某个杆件坐标系相对某个杆件坐标系i（动系）动系）进行的进行的(右乘右乘)，则则T+dT可以表示为可以表示为则相对基系有则相对基系有dT=0T，相对相对i系有系有dT=Ti。这里这里的下标不同是由的下标不同是由于微运动相对不同坐标系进行的。于微运动相对不同坐标系进行的。所以得所以得令令为微分算为微分算子子根据齐次变换的相对性，若微运动是相对某个杆件坐标系i（动系）10三三.微分平移和微分旋转微分平移和微分旋转由于微分旋转由于微分旋转0，所以所以sind，cos1，Vers0，将将它们代入旋转变换通式它们代入旋转变换通式(p27)中得微分旋转表达式中得微分旋转表达式:微分平移变换与一般平移微分平移变换与一般平移变换一样，其变换矩阵为变换一样，其变换矩阵为:于是得微分算子于是得微分算子三.微分平移和微分旋转由于微分旋转0，11四四.微分旋转的无序性微分旋转的无序性当当0时，有时，有sind，cos1若令若令x=dx，y=dy，z=dz，则绕三个坐标轴则绕三个坐标轴(p16)的微分旋转矩阵分别为的微分旋转矩阵分别为略去高略去高阶无穷阶无穷小量小量四.微分旋转的无序性当0时，有sin12两者结果相同，可见这里两者结果相同，可见这里左乘与右乘等效左乘与右乘等效左乘与右乘等效左乘与右乘等效。同理可得同理可得结论：结论：结论：结论：微分旋转其结果与转动次序无关，这是与有限转动（一般旋微分旋转其结果与转动次序无关，这是与有限转动（一般旋微分旋转其结果与转动次序无关，这是与有限转动（一般旋微分旋转其结果与转动次序无关，这是与有限转动（一般旋转）的一个重要区别。转）的一个重要区别。转）的一个重要区别。转）的一个重要区别。两者结果相同，可见这里左乘与右乘等效。同理可得结论：13若若Rot（x，y，z）和和Rot（x，y，z）表示两表示两个不同的微分旋转，则两次连续转动的结果为：个不同的微分旋转，则两次连续转动的结果为：上式表明：上式表明：上式表明：上式表明：任意两个微分旋转的结果为绕每个轴转动的元素的代任意两个微分旋转的结果为绕每个轴转动的元素的代数和，即微分旋转是可加的。数和，即微分旋转是可加的。若Rot（x，y，z）和Rot（x14kxd=x，kyd=y，kzd=z所以有所以有由等效转轴和等效转角与由等效转轴和等效转角与等效，等效，有有即即kxd=x，kyd=y，kzd=15将它们代入将它们代入得得因此因此可以看成由可以看成由和和两个矢量组成，两个矢量组成，叫叫微分转动矢量微分转动矢量，叫叫微分平移矢量微分平移矢量。分别表示为。分别表示为和和合称为合称为微分运动矢量微分运动矢量，可表示为，可表示为将它们代入得因此可以看成由和两个矢16解：解：例：已知一个坐标系例：已知一个坐标系A，相对固定系的微分平相对固定系的微分平移矢量移矢量，微分旋转矢量，微分旋转矢量，求微分变换，求微分变换dA。解：例：已知一个坐标系A，相对固定系的微分平移矢量17五五五五.两坐标系之间的微分关系两坐标系之间的微分关系两坐标系之间的微分关系两坐标系之间的微分关系因为因为将它们代入前面的方程将它们代入前面的方程现在讨论现在讨论i系和系和j系之间的微分关系。不失一般性，假定系之间的微分关系。不失一般性，假定j系就系就是固定系（基系）是固定系（基系）0系。系。五.两坐标系之间的微分关系因为将它们代入前面的方程现在讨18整理得到：整理得到：整理得到：19得得其中其中上式简写成上式简写成得其中上式简写成20对于任何三维矢量对于任何三维矢量，其反对称矩阵，其反对称矩阵定义为：定义为：相应地，任意两坐标系相应地，任意两坐标系A和和B之间广义速度的坐标变换为：之间广义速度的坐标变换为：对于任何三维矢量21例：例：知坐标系知坐标系A及相对于固定系的微分平移矢及相对于固定系的微分平移矢量量，微分旋转矢量，微分旋转矢量，求，求A系中等价的微分平移矢量系中等价的微分平移矢量dA和微分旋转矢量和微分旋转矢量A。解：解：因为已知因为已知，可以根据前面的公式求得，可以根据前面的公式求得dA和和A。也也可根据与它一样的另一组表达式（写法不同）求解，即可根据与它一样的另一组表达式（写法不同）求解，即求得求得，代入代入代入代入例：知坐标系A及相对于固定系的微分平移矢量224.2机器人的静力学机器人的静力学机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力和和力矩力矩，统称为，统称为末端广义（操作）力矢量末端广义（操作）力矢量。记为。记为n个关节的驱动力（或力矩）组成的个关节的驱动力（或力矩）组成的n维矢量维矢量称为关节力矢量称为关节力矢量y0 x0存在怎样的关系存在怎样的关系4.2机器人的静力学机器人与外界环境相互23利用虚功原理，令各关节的虚位移为利用虚功原理，令各关节的虚位移为qi，末端执行器相应末端执行器相应的虚位移为的虚位移为D。根据虚位移原理，各关节所作的虚功之和与末端根据虚位移原理，各关节所作的虚功之和与末端执行器所作的虚功应该相等，即执行器所作的虚功应该相等，即简写为简写为:又因为又因为,所以得到所以得到与与之间的关系之间的关系式中式中称为称为机械手的力雅可比。它表示在静态平衡状态下，机械手的力雅可比。它表示在静态平衡状态下，操作力向关节力映射的线性关系。操作力向关节力映射的线性关系。利用虚功原理，令各关节的虚位移为qi，末24若若J是是关节空间关节空间向向操作空间操作空间的映射（微分运动矢量），则的映射（微分运动矢量），则把把操作空间的广义力矢量操作空间的广义力矢量映射到映射到关节空间的关节力矢量关节空间的关节力矢量。关节空间关节空间操作空间操作空间雅可比雅可比J力雅可比力雅可比JT若J是关节空间向操作空间的映射（微分运动矢量25若已知若已知则有则有T00T若已知则有T00T26BAABJTJ根据前面导出的两坐标系根据前面导出的两坐标系A和和B之间广义速度的坐标变换之间广义速度的坐标变换关系，可以导出关系，可以导出A和和B之间广义操作力的坐标变换关系。之间广义操作力的坐标变换关系。BAABJTJ根据前面导出的27解：解：由前面的推导知由前面的推导知例例:如图如图3-18所示的平面所示的平面2R机械手，手爪端点与外界接触，手爪机械手，手爪端点与外界接触，手爪作用于外界环境的力为作用于外界环境的力为，若关节无摩，若关节无摩擦力存在，求力擦力存在，求力的等效关节力矩的等效关节力矩。所以得：所以得：图图3-18关节力和操作力关系关节力和操作力关系y0 x0解：由前面的推导知例:如图3-18所示的平面2R机械手，手28例：如图所示的机械手夹扳手拧螺丝，在腕部（例：如图所示的机械手夹扳手拧螺丝，在腕部（Os）装有力装有力/力力矩传感器，若已测出传感器上的力和力矩矩传感器，若已测出传感器上的力和力矩，求这时作用在螺钉上的力和力矩求这时作用在螺钉上的力和力矩。()例：如图所示的机械手夹扳手拧螺丝，在腕部（Os）装有力/29解：根据图示的相应位姿关系得解：根据图示的相应位姿关系得因此可得两坐标系的微分运动关系和静力传递关系为：因此可得两坐标系的微分运动关系和静力传递关系为：STST微分运动关系时：微分运动关系时：静力传递关系时：静力传递关系时：解：根据图示的相应位姿关系得因此可得两坐标系的微分运动关系和304.3.4.3.1Lagrange1Lagrange动力学动力学动力学动力学对于任何机械系统，拉格朗日函数对于任何机械系统，拉格朗日函数L定义为系统总的动能定义为系统总的动能K与总的势能与总的势能P之差，即之差，即L=K-P。这里，这里，L是拉格朗日算子；是拉格朗日算子；k是动是动能；能；P是势能。是势能。或或 利用利用Lagrange函数函数L，系统的动力学方程（称为第二类系统的动力学方程（称为第二类Lagrange方程）为：方程）为：表示动能，表示势能。表示动能，表示势能。4.3机器人的动力学机器人的动力学4.3.1Lagrange动力学对于31例：平面例：平面RP机械手如图所示，连杆机械手如图所示，连杆1和连杆和连杆2的质量分别为的质量分别为m1和和m2，质心的位置由质心的位置由l1和和d2所规定，惯性张量为（所规定，惯性张量为（z轴垂直纸面）：轴垂直纸面）：例：平面RP机械手如图所示，连杆1和连杆2的质量分别为m1和32解：解：连杆连杆1，2的动能分别为：的动能分别为：机械手总的动能为机械手总的动能为连杆连杆1，2的势能分别为的势能分别为机械手总的位能（势能）为机械手总的位能（势能）为解：连杆1，2的动能分别为：机械手总的动能为连杆1，2的势能33计算各偏导数计算各偏导数将以上结果代入将以上结果代入Lagrange方程方程得得计算各偏导数将以上结果代入Lagrange方程34附：就前面的附：就前面的1自由度机械手用自由度机械手用Lagrange法求解如下：法求解如下：总势能为总势能为代入代入Lagrange方程方程得得，与前面的，与前面的结结果一致。这里果一致。这里I=IZ=IC+mL2C解：解：总动能总动能（为广义坐标）为广义坐标）zmg附：就前面的1自由度机械手用Lagrange法求解如下：总势35.若若1自由度机械手为匀质连自由度机械手为匀质连杆，质量为杆，质量为m，长度为，长度为L，结，结果会怎样？果会怎样？.若若1自由度机械手为集中质量连杆，长度为自由度机械手为集中质量连杆，长度为L，集中质量，集中质量m在连在连杆末端杆末端L处，结果会怎样？处，结果会怎样？z.若1自由度机械手为匀质连杆，质量为m，长度为L，结果会怎36精品课件精品课件！精品课件！3737精品课件精品课件！精品课件！3838Class is over.Bye-bye!Classisover.Bye-bye!39