智能机器人技术——一阶运动学与静力学
本文最后更新于:2022年10月25日 凌晨
智能机器人技术作业记录
智能机器人技术——一阶运动学与静力学
一、计算/解答题, 请写出解题过程 (30 分)。
- 如下图所示有一处于初始位形的 RRP 机器人 (即讲义例 3 ), 求 (10 分):
写出各关节相对空间坐标系 \(\{s\}\) 的旋量坐标。求解当 \(\theta=\left(90^{\circ}, 90^{\circ}, 1\right)\) 时的正向运动学; 手绘此时的机器人, 标注 \(\{s\}\) 系和 \(\{b\}\) 系, 求解此时的空间雅克比 \(J_{s}\);
写出各关节相对末端坐标系 \(\{b\}\) 的旋量坐标。求解当 \(\theta=\left(90^{\circ}, 90^{\circ}, 1\right)\) 时的正向运动学, 确认与 a) 中结果相同; 求解此时的物体雅克比 \(J_{b}\) 。
此时的机器人如图所示:
初始位形M:
\[ M=\left[\begin{array}{cccc} -1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 1 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right] \]
相对空间坐标系 \(\{s\}\) 的旋量坐标为:
\[ \mathcal{S}_{i}:~\begin{array}{|c||c|c|} \hline i & \omega_{i} & v_{i} \\ \hline \hline 1 & (0,0,1) & (0, 0,0) \\ \hline 2 & (1,0,0) & (0, 2,0) \\ \hline 3 & (0,0,0) & (0, 1,0) \\ \hline \end{array}\\ \]
故当\(\theta=\left(90^{\circ}, 90^{\circ}, 1\right)\) 时的正向运动学PoE与空间雅克比 \(J_{s}\): \[ T=\left[\begin{array}{cccc} 0 & 0 & -1 & -3 \\ -1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 2\\ 0 & 0 & 0 & 1\\ \end{array}\right] \]
\[ J_{s}(\theta)=\left[\begin{array}{ccc} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & -2 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right] \]
使用到的函数如下:
1 |
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1 |
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初始位形M:
\[ M=\left[\begin{array}{cccc} -1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 3 \\ 0 & 1 & 0 & 2 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{array}\right] \]
相对空间坐标系 \(\{b\}\) 的旋量坐标为:
\[ \mathcal{B}_{i}:~\begin{array}{|c||c|c|} \hline i & \omega_{i} & v_{i} \\ \hline \hline 1 & (0,1,0) & (3, 0,0) \\ \hline 2 & (-1,0,0) & (0, 3,0) \\ \hline 3 & (0,0,0) & (0, 0,1) \\ \hline \end{array}\\ \]
故当\(\theta=\left(90^{\circ}, 90^{\circ}, 1\right)\) 时的正向运动学PoE与物体雅克比 \(J_{b}\):
\[ T=\left[\begin{array}{cccc} 0 & 0 & -1 & -3 \\ -1 & 0 & 0 & 0\\ 0 & 1 & 0 & 2\\ 0 & 0 & 0 & 1\\ \end{array}\right]\\(与a中结果相同)\\ J_{b}(\theta)=\left[\begin{array}{ccc} 0 & -1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 4 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right] \]
使用到的函数如下:
1 |
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1 |
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- 如下图所示有一处于初始位形的 RRRP 空间开链机器人, \(p\) 为\(\{b\}\) 系原点相对于 \(\{s\}\) 系的坐标, 求 (10 分):
- 试求当 \(\theta=(0,0, \pi / 2, L)\) 时的物体雅克比 \(J_{b}(\theta)\);
- 试求当 \(\theta=(0,0, \pi / 2, L)\) 且 \(\dot{\theta}=(1,1,1,1)\) 时的 \(\dot{p}\)。
相对空间坐标系 \(\{b\}\) 的旋量坐标为:
\[ \mathcal{B}_{i}:~\begin{array}{|c||c|c|} \hline i & \omega_{i} & v_{i} \\ \hline \hline 1 & (0,0,1) & (-L, 0,0) \\ \hline 2 & (1,0,0) & (0, 0,L) \\ \hline 3 & (0,0,1) & (0, 0,0) \\ \hline 4 & (0,0,0) & (0, 1,0) \\ \hline \end{array}\\ \]
使用JacobianBody(Blist, thetalist)计算得,当 \(\theta=(0,0, \pi / 2, L)\) 时的物体雅克比 \(J_{b}(\theta)\):
\[ J_{b}(\theta)=\left[\begin{array}{cccC} 0 & 0 & 0 &0\\ 0 & -1 & 0 &0\\ 1 & 0 & 1 &0\\ -L & 0 & -L&0 \\ L & 0 & 0 &1\\ 0 & L & 0&0 \end{array}\right] \]
当 \(\dot{\theta}=(1,1,1,1)\)时:
\[ \mathcal{V}_{b}=J_{b}(\theta) \dot{\theta}=\left[\begin{array}{c} \omega_{b} \\ v_{b} \end{array}\right] =\left[\begin{array}{c}0\\-1\\2\\-2L\\L+1\\L\end{array}\right]\\ \because R_{s b}=\left[\begin{array}{rrc} 0 & -1 & 0 \\ 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right] \\ \therefore \dot{p}=R_{s b} v_{b}=\left[\begin{array}{c} -L-1 \\ -2 L \\ L \end{array}\right] \]
- 如下图所示有一处于初始位形的 PRPRRR 空间开链机器人, 此时基坐标系原点与末端坐标系原点之间距离为 \(L\), 求 (10 分):
空间雅克比 \(J_{S}\) 的前三列;
物体雅克比 \(J_{b}\) 的后两列;
初始位形时的 \(J_{S}(0)\);
初始位形时, 若在末端坐标系的 \(-\hat{z}_{b}\) 方向产生 \(100 \mathrm{~N}\) 的力, 需要关节提供多少力或力矩?
空间雅克比 \(J_{S}\) 的前三列:
\[ \begin{aligned} &\mathcal{V}_{s 1}(\theta): \quad \omega_{s 1}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right], v_{s 1}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 1 \end{array}\right] \\ &\mathcal{V}_{s 2}(\theta): \quad \omega_{s 2}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 1 \end{array}\right], q_{2}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right], v_{s 2}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right] \\ &\mathcal{V}_{s 3}(\theta): \quad \omega_{s 3}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right], v_{s 3}=e^{\hat{z} \theta_{2}}\left[\begin{array}{l} 0 \\ 1 \\ 0 \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} -\sin \theta_{2} \\ \cos \theta_{2} \\ 0 \end{array}\right] \end{aligned} \]
物体雅克比 \(J_{b}\) 的后两列:
\[ \begin{aligned} &\mathcal{V}_{b 6}(\theta): \quad \omega_{b 6}=\left[\begin{array}{l} 1 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right], q_{6}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right], v_{b 6}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right] \\ &\mathcal{V}_{b 5}(\theta): \quad \omega_{b 5}=e^{\hat{x}\left(-\theta_{6}\right)}\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 1 \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} 0 \\ \sin \theta_{6} \\ \cos \theta_{6} \end{array}\right], q_{5}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right], v_{b 5}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right] \end{aligned} \]
初始位形时θ=0,故$ J_{S}(0)$:
\[ \because \mathcal{S}_{i}:~\begin{array}{|c||c|c|} \hline i & \omega_{i} & v_{i} \\ \hline \hline 1 & (0,0,0) & (0, 0,1) \\ \hline 2 & (0,0,1) & (0,0,0) \\ \hline 3 & (0,0,0) & (0, 1,0) \\ \hline 4 & (0,1,0) & (0, 0,0) \\ \hline 5 & (0,0,1) & (L, 0,0) \\ \hline 6 & (1,0,0) & (0, 0,-L) \\ \hline \end{array}\\ \therefore J_{s}(0)=\left[\begin{array}{cccccc} 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & L & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & -L \end{array}\right] \]
\[ \begin{aligned} &\because r_{s b}=\left[\begin{array}{l} 0 \\ L \\ 0 \end{array}\right], f_{b}=\left[\begin{array}{c} 0 \\ 0 \\ -100 \end{array}\right]\\ &\therefore\mathcal{F}_{s}=\left[\begin{array}{c} m_{s} \\ f_{s} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} r_{s b} \times f_{b} \\ f_{b} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} -100 L \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ -100 \end{array}\right]\\ &\therefore \tau=J_{s}^{T}(0) \mathcal{F}_{s}\\ &=\left[\begin{array}{cccccc} 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & L & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & -L \end{array}\right]\left[\begin{array}{c} -100 L \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ -100 \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} -100 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \\ 0 \end{array}\right] \end{aligned} \]