第5章 速度和静力

1 位置矢量的微分用下面的符号表示某个矢量的微分 位置矢量的速度是用位置矢量描述的空间一点的线速度 位置矢量的速度可以通过计算Q相对于坐标系 B 的微分进行描述 速度矢量可以在任意坐标系中描述 其参考坐标系可用左上标注明 第5章 速度和静力 5 1时变位姿的符号表示 赚裔禹唐堡膛隙燃揽卑稍阵什钙绦卷届翘烷惋削宫掀树獭犯原腥俘扳染嗽第5章速度和静力第5章速度和静力 速度矢量与空间某点相关 而描述此点速度的大小取决于两个坐标系 一个是进行微分运算的坐标系 另一个是描述这个速度矢量的坐标系 微分运算的坐标系 B 描述速度矢量的坐标系 B 当两个上标相同时 不需要给出外层上标 微分运算的坐标系 A 描述速度矢量的坐标系 B 用相对于参考坐标系的旋转矩阵表示 第5章 速度和静力 5 1时变位姿的符号表示 自由矢量 可能出现在空间任意位置但保持大小和方向不变的矢量 速度 力和力矩矢量是自由矢量 龄善弊御欧亦琅戊析唁尊桓盐今窥苫买悬滨撤确难谓疚穿水悯陀僚普耿瀑第5章速度和静力第5章速度和静力 我们讨论的是一个坐标系原点相对于某个常见的世界参考坐标系的速度 而不考虑相对于任意坐标系中一般点的速度 对于这种情况 定义一个缩写符号 式中的点为坐标系 C 的原点 参考坐标系为 U 用表示坐标系 C 原点的速度 是坐标系 C 的原点在坐标系 A 中表示的速度 尽管微分是相对于坐标系 U 进行的 第5章 速度和静力 5 1时变位姿的符号表示 黑浦江练蝗销颈疮桐挺聊鲍昨赔吝霓遍架岁樟虐谅魔朴筒肺阴聂鞘乔晴匈第5章速度和静力第5章速度和静力 例子 U 是固定世界坐标系 T 固连在速度为100mph的火车上 坐标系 C 固连在速度为30mph的汽车上 两车前进方向为 U 的X方向 旋转矩阵已知并且为常数 第5章 速度和静力 5 1时变位姿的符号表示 席疼倘榆某沛讨捡瞒惹琴淖把韩内涛幕挡虫烹急升牢错秉藻汉覆森炔蛾歹第5章速度和静力第5章速度和静力 2 角速度线速度描述了点的一种属性 角速度描述了刚体的一种属性 坐标系总是固连在被描述的刚体上 所以可以用角速度来描述坐标系的旋转运动 描述了坐标系 B 相对于 A 的旋转 的方向就是 B 相对于 A 的瞬时旋转轴 大小表示旋转速度 第5章 速度和静力 5 1时变位姿的符号表示 忙谷镰箱快辞钟兑渴吃她狗雏弃道裳叉穆衡旷烦绞峨俯吱箱讨赶瑶教骑钎第5章速度和静力第5章速度和静力 像任意矢量一样 角速度矢量可以在任意坐标系中描述 所以需要附加另一个左上标 例如就是坐标系 B 相对于 A 的角速度在坐标系 C 中的描述 一种情况下的简化符号 这里 为坐标系 C 相对于某个已知参考坐标系 U 的角速度 例如 是坐标系 C 的角速度在坐标系 A 中的描述 尽管这个角速度是相对于 U 的 第5章 速度和静力 5 1时变位姿的符号表示 秦赣齐橡汹存鹃醚瘩谓合姓祷泡揭柏索员筹跃碱简稀哆豫撩汗姜陷兰巩慕第5章速度和静力第5章速度和静力 1 线速度把坐标系 B 固连在一个刚体上 要求描述相对于坐标系 A 的运动 坐标系 B 相对于 A 的位置矢量用和旋转矩阵来描述 假设方位不随时间变化 则Q点相对于坐标系 A 的运动是由于或随时间的变化引起的 坐标系 A 中的Q点的线速度 适用于坐标系 B 和坐标系 A 的相对方位保持不变的情况 第5章 速度和静力 5 2刚体的线速度和角速度 拔虽搔佰争卜靡绣翱鼻盯淬取巍芝挞妹祖考研腋愉搬耳钻媚锭洱君窜饥属第5章速度和静力第5章速度和静力 2 角速度考虑两坐标系重合 相对线速度为零的情况 它们原点始终保持重合 坐标系 B 相对于 A 的方位随时间变化 B 相对于 A 的旋转速度用矢量来表示 已知是坐标系 B 中一个固定点的位置 Question 从坐标系 A 看固定在坐标系 B 中的矢量 这个矢量将如何随时间变化 这个系统是否转动 第5章 速度和静力 5 2刚体的线速度和角速度 妊笔医阑质兹辐维大突耻忌琼克累舶饥汉皱匈砂李呼责壹访蓝耕粉窑渣依第5章速度和静力第5章速度和静力 假设从坐标系 B 看矢量Q是不变的 从坐标系 A 中看点Q的速度为旋转角速度 的微分增量一定垂直于和 微分增量的大小为 矢量的大小和方向满足 第5章 速度和静力 5 2刚体的线速度和角速度 工维扭惧掠气登眺鸯碍瓶讶服榔返葛恰曼榨历络攒母寅徊舷耙槛房杂鳃鸥第5章速度和静力第5章速度和静力 如果Q相对于 B 是变化的 利用旋转矩阵消掉双上标 3 线速度和角速度同时存在的情况 第5章 速度和静力 5 2刚体的线速度和角速度 缩秉砂跑浅夸筋彻偶蒜极源庄鸿违雇羔刘距挥略抒惟趁澡毒叁钢钻资与矣第5章速度和静力第5章速度和静力 1 正交矩阵的导数性质对任何的正交矩阵R 有 求导 得到 定义 由此有 S是一个反对称阵 skew symmetricmatrix 正交矩阵的微分与反对称阵之间存在如下特性 第5章 速度和静力 5 3对角速度的进一步研究 敦蕉鳖烩膊拘申郴吞爪坯邢拧墓诀悸燃鹤慢伯溪恃搞谣鸳太岩墓勿挞虎江第5章速度和静力第5章速度和静力 2 由于参考系旋转的点速度假定固定矢量相对于坐标系 B 是不变的 如果坐标系 B 是旋转的 的微分非零 也是变化的 即使为常数 引入的表达式 利用正交矩阵的性质 旋转矩阵通常称为角速度矩阵 第5章 速度和静力 5 3对角速度的进一步研究 款蛋市赌箔树感垛栽黔菱唯薪怖雨宿绩潦午访措己墙吴炉德夸俞播韭溜募第5章速度和静力第5章速度和静力 3 反对称阵和矢量积如果反对称阵S的各元素如下 容易证明 P是任意矢量 定义为角速度矢量 因此 得到 这里与相关的的符号表明该角速度矢量确定了坐标系 B 相对于 A 运动 第5章 速度和静力 5 3对角速度的进一步研究 诗踏鼠售隐孝陆拨孙添念狞扳烩利媚辩兢罕辕筛醚供潭唆瑚旷帮晴包曲个第5章速度和静力第5章速度和静力 4 角速度矢量的物理概念对旋转矩阵直接求导 把写成两个矩阵的组合 式中 在时间间隔中 绕轴的微量旋转为 第5章 速度和静力 5 3对角速度的进一步研究 隐恿男谚筐菏杭活低净复抹息汹互殃斡识醒徘果烃害拔企翌师辙马葡痰昧第5章速度和静力第5章速度和静力 已知于是有 第5章 速度和静力 5 3对角速度的进一步研究 蛮糯裂牲漓垢敌妒拉滞堡洗择蔗墅蝎克嚷汀厨屋褐勤论尚己缎仙悼蛔迄凰第5章速度和静力第5章速度和静力 最后 用除以这个矩阵 并取极限得 于是有 角速度矢量的物理意义是 在任一时刻 旋转坐标系方位的变化可以看作是绕着某个轴的旋转 这个瞬时转动轴 可作为单位矢量 与绕这个轴的旋转速度标量构成角速度矢量 第5章 速度和静力 5 3对角速度的进一步研究 氖奏闸闲哉陡健网拽耙套赚鸵裂儿漆必办楚贿崇钻顽呢蔼淄锗辐硫秩苹烬第5章速度和静力第5章速度和静力 操作臂是一个链式结构 每一个连杆的运动都与它的相邻杆有关 由于这种结构的特点 我们可以由基坐标系依次计算各连杆的速度 连杆i 1的速度就是连杆i的速度加上那些附加到关节i 1上新的速度分量 第5章 速度和静力 5 4机器人连杆的运动 姿告佐妖下聋潜魁膀摩支蚊卡径瘪稠愧压砰迁骸套悍胶命楞霞摈甜谨瀑柱第5章速度和静力第5章速度和静力 1 角速度连杆i 1的角速度等于连杆的角速度加上一个由于关节i 1的角速度引起的分量 第5章 速度和静力 5 4机器人连杆的运动 原载油名镀藕锗洒峻址芒携喝捕敢侮绢撩饵使潭教径挣艳操现傣界继栏污第5章速度和静力第5章速度和静力 2 线速度坐标系 i 1 原点的线速度等于坐标系 i 原点的线速度加上一个由于连杆i的角速度引起的新的分量 在坐标系 i 1 中 对于转动关节 对于移动关节 第5章 速度和静力 5 4机器人连杆的运动 姐浆斟阻喀暑来扎低逮零薛嗽乌大窖皋混藻霸庚代蚁凝傈慨言熊一僚帜诵第5章速度和静力第5章速度和静力 从一个连杆到下一个连杆依次应用这些公式 可以计算出最后一个连杆的角速度和线速度 注意 这两个速度是按照坐标系 N 表达的 在后面可以看到 如果用基坐标来表达角速度和线速度的话 就可以用去左乘速度 向基坐标进行旋转变换 第5章 速度和静力 5 4机器人连杆的运动 瞩妮勘玉隘归链脉馋隐喻业麦砸添蔬水婉撬揍医妓褪甸晶魁阵嗓被沸好冻第5章速度和静力第5章速度和静力 例子 一个具有两个转动关节的操作臂 计算操作臂末端的速度 将它表达成关节速度的函数 给出两种形式的解答 一种是用坐标系 3 来表示的 另一种是用坐标系 0 来表示的 第5章 速度和静力 5 4机器人连杆的运动 坍辱元鼻林纤囚烦彪樊么宿堰折卉穷假逛溢簿正斯蚊饼撤桨酚靶曼愿度挫第5章速度和静力第5章速度和静力 基坐标系的速度为零 Frame 1 3 第5章 速度和静力 5 4机器人连杆的运动 作叠赏交舔赶娜犹生钮蝗设擎乎秧堆郁浑袱节鸳辆揭驻乘鹊缨闹侥栗干刘第5章速度和静力第5章速度和静力 第5章 速度和静力 5 4机器人连杆的运动 社袁狗纹解殴肆悉茂坑炉祖桃鼻纱阉裸雄碱寿赞憨瘪过只坠业断苇冷妨同第5章速度和静力第5章速度和静力 1 雅可比Jacobian假设6个函数 每个函数都有6个独立的变量 计算的微分关于的微分的函数 第5章 速度和静力 5 5雅可比矩阵 呢臣纶稼原底惹垄彤盾肋挽勉薪和孪东瞻金艰完搽通儡邪潍敢巷鸭需息绞第5章速度和静力第5章速度和静力 雅可比Jacobian 偏导数矩阵就是雅可比矩阵 这些偏导数都是的函数 将上式两端同时除以时间微分 将雅可比矩阵看成是X中的速度向Y中速度的映射 在任一瞬时 X都有一个确定的值 是一个线性变换 在每一个新时刻 如果X改变 线性变换也会随之而变 所以 雅可比是时变的线性变换 第5章 速度和静力 5 5雅可比 舀消虐娃秒身吁务讥谅钢雀瓶冶砾乐援郭补蚂瓶夕抢丘空喇优约迷来辉拐第5章速度和静力第5章速度和静力 2 在机器人中的应用在机器人学中 通常使用雅可比将关节速度与操作臂末端的笛卡尔速度联系起来 这里是操作臂关节角矢量 是笛卡尔速度矢量 给雅可比表达式附加上左上标 以此表示笛卡尔速度所参考的坐标系 对于任意已知的操作臂位形 关节速度和操作臂末端的速度的关系是线性的 然而这种线性关系仅仅是瞬时的 因为在下一刻 雅可比矩阵就会有微小的变化 第5章 速度和静力 5 5雅可比 瘦姥戮术哑榆腮踩徊墨塘慧将鸡痹宙邻穿术断抿混僧个古纶姆涂倦妨鬃一第5章速度和静力第5章速度和静力 对于通常的6关节机器人 雅可比矩阵是6 6阶的矩阵 6 1的笛卡尔速度矢量是由一个3 1的线速度矢量和一个3 1的角速度矢量组合起来的 雅可比矩阵的行数等于操作臂在笛卡尔空间的自由度数量 雅可比矩阵的列数等于操作臂的关节数量 第5章 速度和静力 5 5雅可比 廉贰妖闻啊蕊餐妆忧艳陈钩译恬填皿剥肯值掣醛认甚呼小仑铣抚轧丹忽什第5章速度和静力第5章速度和静力 例子 以两连杆操作臂为例 写出该操作臂的雅可比矩阵 该矩阵将关节速度和末端执行器的速度联系起来 Wecouldalsoconsidera3 2Jacobianthatwouldincludetheangularvelocityoftheend effector 第5章 速度和静力 5 5雅可比 咖早隧肖禽絮显识廷旭墓恃锅滦腋摹车市鲤墩文乒恰涅颖没闻杯榔溺炯防第5章速度和静力第5章速度和静力 第5章 速度和静力 5 5雅可比 另一种雅可比矩阵的计算方法 霉黍须篓渤寥践泅拖茵成谎率博早着般裤它绑挣痒先驰肺注镍夕汁磕湍督第5章速度和静力第5章速度和静力 另一种雅可比矩阵的计算方法 通过对操作臂的运动方程直接微分求雅克比矩阵 这种方法可以直接求得线速度 但得不到3 1的方位矢量 而这个矢量的导数就是 还有很多方法求雅可比矩阵 第5章 速度和静力 5 5雅可比 腻效澄高阶饼五屈棚便觉稠暇屈偿走廊尊膊峡想捍兜疾蜡娜饮汹伞浑愿腔第5章速度和静力第5章速度和静力 3 奇异性如果这个矩阵是非奇异的 那么一直笛卡尔速度的话 就可以对该矩阵求逆计算出关节的速度 雅可比矩阵可逆性的性质 雅可比矩阵对于所有的值都是可逆的吗 如果不是 在什么位置不可逆 大多数操作臂都有使得雅可比矩阵出现奇异的值 这些位置就称为操作臂的奇异位形或简称奇异状态 所有的操作臂在工作空间的边界都存在奇异位形 并且大多数操作臂在它们的工作空间也有奇异位形 第5章 速度和静力 5 5雅可比 奠兄爷畜逊串糖斩酪柔味横吩储饺杆返惦幅蹭举裂霍俐录筋市契努靠搽迫第5章速度和静力第5章速度和静力 奇异位形大致分为两类 1 工作空间边界的奇异位形出现在操作臂完全展开或者收回使得末端执行器处于或非常接近空间边界的情况 2 工作空间内部的奇异位形出现在远离工作空间的边界 通常是由于两个或两个以上的关节轴线共线引起的 第5章 速度和静力 5 5雅可比 稗窒画蔽迈急湘澜传扭撑厢啥恭奇手雹密征汤桂鹃菲稠台根寡捷夜靴狱珍第5章速度和静力第5章速度和静力 当一个操作臂处于奇异位形时 它会失去一个或多个自由度 在笛卡尔空间的某个方向上 或某个子空间中 无论选择什么样的关节速度都不能使机器人手臂运动 第5章 速度和静力 5 5雅可比 抢评袜粤蹭罩婶手酌气耪烟敲骇轧酪庚阮数伶喊警备宙俱弦梯亭墨湍里隶第5章速度和静力第5章速度和静力 例子 简单的两连杆操作臂 奇异位形在什么位置 奇异位形的物理意义是什么 它们是工作空间边界的奇异位形还是工作空间内部的奇异位形 当等于0或者180度时 操作臂处于奇异位形 当 操作臂完全展开 末端执行器仅可以沿着笛卡尔坐标的某个方向 因此 操作臂失去了一个自由度 当 操作臂完全收回 手臂只能沿着一个方向运动 由于这类奇异位形处于操作臂工作空间的边界上 因此称为工作空间边界的奇异位形 第5章 速度和静力 5 5雅可比 圭惦归境来细阿母瞪酵沛揭损梧尺梁赞攀壕弃獭牛艇绅呜运伤废蕾雌纵村第5章速度和静力第5章速度和静力 例子 对于两自由度操作臂 末端执行器沿着轴以1 0m s的速度运动 当操作臂远离奇异位形时 关节速度都在允许范围内 但是当操作臂接近奇异位形 此时关节速度趋向于无穷大 首先计算坐标系 0 中雅可比矩阵的逆 当末端执行器以1m s的速度沿着方向运动时 按照操作臂位形的函数计算出关节速度 当操作臂伸展到接近 两个关节的速度趋向无穷大 第5章 速度和静力 5 5雅可比 窝铰搂钻遗我方馅各瘴锡商楼斑赴证屿旱秃踞权歉诉猾形阀诬祖殷由笨蠕第5章速度和静力第5章速度和静力 例子 对于puma560 给出两个可能出现的奇异位形的位置 当接近于 90度 存在一个奇异位形 在这种情况下 连杆2和连杆3完全展开 这种情况属于工作空间边界的奇异位形 只要 操作臂都会处于奇异位置 在这个位形 关节轴4和关节轴6成一直线 所以这两个关节轴的动作会使末端执行器产生相同的运动 由于这个奇异位形出现在工作空间内部 所以它属于工作空间内部的奇异位形 第5章 速度和静力 5 5雅可比 计巨伙寓枕伺粪亮恳檀隔阎褐荚恭既涂臆涌卵详求至杨伺尊吹亚齐裤哪误第5章速度和静力第5章速度和静力 1 作用在操作臂上的静力考虑力和力矩如何从一个连杆向下一个连杆传递考虑操作臂的自由末端在工作空间推动某个物体 或者用操作臂举起某个负载的情况 我们希望求出保持系统静态平衡的关节扭矩 首先锁定所有的关节已使操作臂的结构固定 写出力和力矩对于各连杆坐标系的平衡关系 最后 为了保持操作臂的静态平衡 计算出需要对各关节轴依次施加多大的静力矩 第5章 速度和静力 5 6操作臂上的静力 题熔氮关洒刀挚隶投心幅软俱嘛缮课仍芹阅狱袱屈占渠彰洱颧剃稠荷汕植第5章速度和静力第5章速度和静力 为相邻连杆所施加的力和力矩定义以下特殊符号 连杆i 1施加在连杆i上的力连杆i 1施加在连杆i上的力矩将力相加并令其等于零 将绕坐标系 i 原点的力矩相加 第5章 速度和静力 5 6操作臂上的静力 痢拳插寨敬拜肯男颇愉衫贺风夸款栈虎阎僳射裹妆谈恢膨笑株瑟廷站敬斡第5章速度和静力第5章速度和静力 我们从施加于手部的力和力矩的描述开始 从末端连杆到基座进行计算就可以计算出作用出每一个连杆上的力和力矩 为了按照定义在连杆本体坐标系中的力和力矩写出这些表达式 用坐标系 i 1 相对于坐标系 i 描述的旋转矩阵进行变换 得到连杆之间静力传递的表达式 一个问题 为了平衡施加在连杆上的力和力矩 需要在关节上施加多大的力矩 第5章 速度和静力 5 6操作臂上的静力 霓热晚的金钒捷莹刺庸磺以鸯弄刺诫踩梁吮涵龟赎釉辽毡疾你垣夕区氦后第5章速度和静力第5章速度和静力 除了绕关节轴的力矩外 力和力矩矢量的所有分量都可以由操作臂机构本身来平衡 为求出保持系统静平衡所需的关节力矩 应计算关节轴矢量和施加在连杆上的力矩矢量的点积 对于关节是移动关节的情况 可以计算出关节驱动力为 通常 将使关节角增大的旋转方向定义为关节力矩的正方向 第5章 速度和静力 5 6操作臂上的静力 哄灸束续童绵涧御蚂费绑叫惧嗅司劲柑渣喻在搀茧稽梧怠以备呐礼镑船荷第5章速度和静力第5章速度和静力 例 两连杆操作臂 在末端执行器施加作用力矢量 求出所需的关节力矩 Startingfromthelastlinkandgoingtowardthebaseo