机构学和机器人学运动学中的矩阵法学习教案

1、会计学1机构机构(jgu)学和机器人学运动学中的矩阵学和机器人学运动学中的矩阵法法第一页，共65页。zyxrrrr111210000 cossinsincos10000 ; 12 cossinsincos,zzRrRrzR,写成矩阵写成矩阵(j zhn)形式：形式：简写简写(jinxi)成：成：则：则：称为绕称为绕z轴的旋转轴的旋转(xunzhun)矩阵。矩阵。（3-2） （3-3） 第1页/共64页第二页，共65页。对于对于(duy)平面：平面：cossinsincosRxr 1绕12 rRrx, cossinsincos,00001xR 2、轴旋转轴旋转角的矩阵角的矩阵(j zhn)表示表

2、示 旋转旋转(xunzhun)矩阵矩阵:（3-4） （3-5）（3-6）第2页/共64页第三页，共65页。yr 1绕12 rRry, cossinsincos,00100yRyxzRRR,、 )()()(、 ijijijjikCCCEEE 3、旋转旋转(xunzhun)角的矩阵表示角的矩阵表示式中：式中：为三只基本旋转矩阵为三只基本旋转矩阵(j zhn)，对于该矩阵，对于该矩阵(j zhn)有许多表示方法，都有不同但实质一样，我们常见表示为旋转矩阵有许多表示方法，都有不同但实质一样，我们常见表示为旋转矩阵(j zhn)：（3-7）（3-8）第3页/共64页第四页，共65页。r1,2 rRRRr

3、zyx1 2 rRr cccsssccscssscsssccssccsscsccRsincossc 、 二、绕直角坐标二、绕直角坐标(zh jio zu bio)轴的一组旋转轴的一组旋转随刚体旋转随刚体旋转(xunzhun)，旋转，旋转(xunzhun)次序为：次序为：注意：旋转次序对刚体最终位置注意：旋转次序对刚体最终位置(wi zhi)有影响，（即旋转次序有影响，（即旋转次序 不可互换）。不可互换）。 若定长矢量若定长矢量先绕先绕z转转绕绕y轴转轴转角角绕绕x轴转轴转角达到终点，则：角达到终点，则：其余类推。其余类推。（3-9）（3-10）（3-11）第4页/共64页第五页，共65页。 x

4、y平面平面(pngmin)内的矩形体，经有序列三个内的矩形体，经有序列三个900的旋转后的刚体位置如图，旋转次序有两种：的旋转后的刚体位置如图，旋转次序有两种： 式式311无普遍价值，具体问题需进行无普遍价值，具体问题需进行(jnxng)分析，再构成完整的旋转矩阵。分析，再构成完整的旋转矩阵。 和第5页/共64页第六页，共65页。与刚体与刚体(gngt)固联固联方法方法(fngf)：将：将是三个方向余弦。以上旋转是三个方向余弦。以上旋转(xunzhun)矩阵仅指绕矩阵仅指绕x、y、z坐标轴的旋转坐标轴的旋转(xunzhun)矩阵，现要用该矩阵来描述相对于一个固定坐标系中的矩阵，现要用该矩阵来描

5、述相对于一个固定坐标系中的uzyxuuu 、 、 uuuuu为旋转轴的单位矢量，分量为旋转轴的单位矢量，分量轴旋转轴旋转角。角。轴和轴和z轴平行，轴平行，这一暂时位置这一暂时位置轴转回原先的位置，这种方法轴转回原先的位置，这种方法u三、绕三、绕第二种表示旋转的方法第二种表示旋转的方法轴的旋转矩阵轴的旋转矩阵设设然后使刚体绕然后使刚体绕最后再将最后再将可用可用五次转动来实现。五次转动来实现。转动刚体使转动刚体使（即（即z轴）旋转轴）旋转角，角，第6页/共64页第七页，共65页。1,2 rRRRRRryxzxy（3-12）ur12 rRru, 即为绕任意即为绕任意(rny)(rny)轴轴旋转旋转(

6、xunzhun)(xunzhun)角，角，前后前后(qinhu)(qinhu)位置的关系式。位置的关系式。（3-13）(3-12)中五只矩阵连乘即得中五只矩阵连乘即得uR, 的表达式。的表达式。yu sin22zxxuuu sin由图：由图：1 1第7页/共64页第八页，共65页。u 是单位是单位(dnwi)(dnwi)矢量矢量2222c coszxzzxuuuosuuzxuucoscossincos , cvusuvuusuvuusuvuuccvusuvuusuvuusuvuucvuRxzyyzxxzyyzyxyzxzyxxu2222,cossincos1csv 、代入（代入（312）展开）

7、展开(zhn ki)可得：可得：式中：式中：（3-14）（3-15）第8页/共64页第九页，共65页。四、欧拉旋转四、欧拉旋转(xunzhun)(xunzhun)矩阵矩阵轴转轴转角角绕绕N即即x1轴转轴转角角绕绕z转过转过描述刚体旋转描述刚体旋转(xunzhun)的第三种方法是用欧拉角表示。的第三种方法是用欧拉角表示。首先首先(shuxin)绕绕 , , , , , 1RRRRxz10000 csscR， csscRx000011 ，（进动）（进动）（3-16）（章动）（章动）（3-17）第9页/共64页第十页，共65页。第10页/共64页第十一页，共65页。（自转（自转(zzhun)(zzh

8、un)）（3-18） 10000 csscRz，其中其中(qzhng)：0,1 xRx 0, 1zRzx 1，RRRRxz ccssssccccssscccsssccsscscsccR， （3-19）第11页/共64页第十二页，共65页。角和转 由于欧拉角是相对位移由于欧拉角是相对位移(wiy)角，所以还可自转角，所以还可自转即：即： ，RRRR 欧拉公式欧拉公式(gngsh)通常用于定点运动机构的分析，例如蛇螺仪。通常用于定点运动机构的分析，例如蛇螺仪。三只基本旋转矩阵及三只旋转矩阵为正交矩阵，其逆矩阵为其的转置矩阵。三只基本旋转矩阵及三只旋转矩阵为正交矩阵，其逆矩阵为其的转置矩阵。 第12

9、页/共64页第十三页，共65页。3-2 刚体刚体(gngt)的位移矩阵的位移矩阵PQ11qp刚体刚体(gngt)位置位置E用用表示，由位置表示，由位置(wi zhi)1位置位置(wi zhi)2可看作矢量可看作矢量到到，其总位移可以看作，其总位移可以看作的平移和绕基点的平移和绕基点角位移之和。角位移之和。 jjqp11qp到到jjqp jP转到转到由由 jjqp jjqp一、平面位移矩阵一、平面位移矩阵第13页/共64页第十四页，共65页。 1,2 rRrz jjjjjqp Rqp , jjjjjpqRpq ,11ppqqjj11pqpqjj由（由（33）可写成：可写成：而而 知：知： 11,

10、 pqRpqjjj （3-20）第14页/共64页第十五页，共65页。写成分量写成分量(fn ling)的形式得：的形式得： yyxxjjjjjyjyjxjxpqpqpqpq11111111cossinsincos （321） 1pjp1)(qQ1qjq式中式中为刚体为刚体(gngt)相对固定坐标系相对固定坐标系x-y的转角。的转角。和最终和最终(zu zhn)位置位置及转角及转角是同时给定，是同时给定，点的起始位置点的起始位置适合计算适合计算Q点新位置坐标的形式，由式（点新位置坐标的形式，由式（320）求解）求解得：得：通常，起始位置通常，起始位置因此当因此当为已知，为已知，可将可将(320

11、)改成改成 jjjppqRq 11 1 jjjjppRqRq 11 11 重新整理：重新整理：（322） 第15页/共64页第十六页，共65页。 1100cossincossinsincossincos111111111111111yxjyjjyjjjyjxjxjjjzjyjxqqpxpppppqqq 1 10 0 111111yxjjyjxqqpRpRqqjj 1 111qDqjj jD1将其写成将其写成33矩阵矩阵(j zhn)方程：方程：写成简单写成简单(jindn)形式：形式：或：或：则则33矩阵矩阵(j zhn)称为平面位移矩阵。称为平面位移矩阵。（323） （324） （325）

12、第16页/共64页第十七页，共65页。, , , , , RRRu或、R二、空间位移矩阵二、空间位移矩阵刚体空间位移矩阵，类似刚体空间位移矩阵，类似(li s)以上（以上（3-20）、（）、（3-22）、（）、（3-25）方式的描述，图仍然适用于空间机构，只要用三维旋转矩阵）方式的描述，图仍然适用于空间机构，只要用三维旋转矩阵代替代替(dit)即可。即可。 RRu代替 , 11 ,pqRpqujj jujppqRq 11, 为了为了(wi le)方便，现用方便，现用于是相应表达式于是相应表达式（322）成：）成：（320）成：）成：（324）成：）成： 1 10 0 0 111,qpRpRqu

13、juj （326） （327） （328） 第17页/共64页第十八页，共65页。 1 111qDqjjjD1（325）变成：）变成：是一个是一个44的空间的空间(kngjin)位移矩阵。位移矩阵。（329） 第18页/共64页第十九页，共65页。轴移动轴移动(ydng)，同时又以角位移，同时又以角位移 1 jpp 、uussuu 绕 刚体位移基本矩阵刚体位移基本矩阵(j zhn)方程。方程。上，而刚体上，而刚体(gngt)沿着该轴作螺旋运动，沿着该轴作螺旋运动，沿沿轴旋转。轴旋转。三、螺旋位移矩阵三、螺旋位移矩阵式（式（326） 11 ,pqRpqujj 有时往往用一个特殊点有时往往用一个特

14、殊点P作为参考点，它的两个位置作为参考点，它的两个位置如图所示，刚体以线位移如图所示，刚体以线位移则（则（326）式变为：）式变为：均在一个固定轴线均在一个固定轴线 11,1 pqRuspquj （330） 第19页/共64页第二十页，共65页。 1 10 0 0 111 ,1,qpRuspRquuj 1 111qSqjj jS1用（用（328）形式）形式(xngsh)来写则上式成为：来写则上式成为： 可简写可简写(jinxi)为：为：式中式中称为有限螺旋位移称为有限螺旋位移(wiy)矩阵。为矩阵。为44矩阵。矩阵。（331） （332） 第20页/共64页第二十一页，共65页。解：根据参考点

15、解：根据参考点p运动运动(yndng)前后的位置及刚体的转角前后的位置及刚体的转角， 构成位移矩阵构成位移矩阵) 1 1 (1、p)2 3(2、p6012) 1 3(1、q? 2q: 12D例例1 已知一个作平面运动已知一个作平面运动(yndng)的刚体，其运动的刚体，其运动(yndng)可用参考点可用参考点p从从位置位置(wi zhi)到到位置的位移以及刚体的转角位置的位移以及刚体的转角来描述，已知刚体上任一点来描述，已知刚体上任一点Q0在第一个位置在第一个位置，求，求Q第二个位置的坐标第二个位置的坐标时其坐标时其坐标1006016026060601603606010 01111221212

16、cossincossinsincossincosxxpRpRD四、位移矩阵示例四、位移矩阵示例第21页/共64页第二十二页，共65页。1732. 34113100634. 05 . 0866. 0366. 3866. 05 . 0122yxqq再由式（再由式（3-25）可得）可得: 1 111qDqjj第22页/共64页第二十三页，共65页。例例2 求例求例1中刚体位置中刚体位置1到位置到位置2的有限旋转中心的有限旋转中心?当一个作平面运动的刚体，从位置当一个作平面运动的刚体，从位置1到位置到位置2时，该平面上总存在一个位置不变的点，此平面可以看作是绕固定平面上的这一点作旋转。该点称为有限转动

17、时，该平面上总存在一个位置不变的点，此平面可以看作是绕固定平面上的这一点作旋转。该点称为有限转动(zhun dng)中心。注意，这一点和速度为零的点（速度瞬心）概念不能混同。中心。注意，这一点和速度为零的点（速度瞬心）概念不能混同。设旋转中心设旋转中心)(yxppp000 、0p100cossincossincossincos120120012121201201212120yyyyxpppinPppDx因为描述刚体运动位移因为描述刚体运动位移(wiy)矩阵无论其所用的参考点是那一点，作得的位移矩阵无论其所用的参考点是那一点，作得的位移(wiy)矩阵元素的对应值必定是相同的。因此矩阵元素的对应值

18、必定是相同的。因此作为参考点，写出解析形式的位移作为参考点，写出解析形式的位移(wiy)矩阵：矩阵：第23页/共64页第二十四页，共65页。12D366. 3sin)cos1 (120120yxpp634. 0sin)cos1 (120120 xypp6012232. 3 134. 100yxpp、由上例由上例数值矩阵数值矩阵(j zhn)(j zhn)第三列各对应元素相等得：第三列各对应元素相等得：再用再用代入得：代入得：第24页/共64页第二十五页，共65页。例例3 由数值位移矩阵元素求螺旋运动参数由数值位移矩阵元素求螺旋运动参数? 螺旋运动是用来描述刚体空间有限位移的最简单运动。因此，用

19、螺旋位移矩阵可方便地描述空间有限位移。但工程设计实际问题中，给定的刚体位置参数的已知数据螺旋运动是用来描述刚体空间有限位移的最简单运动。因此，用螺旋位移矩阵可方便地描述空间有限位移。但工程设计实际问题中，给定的刚体位置参数的已知数据(shj)常常不是螺旋运动参数的数值，我们应用螺旋位移矩阵描述空间有限位移时，首先要构成数值位移矩阵，然后可求出相应的螺旋运动参数常常不是螺旋运动参数的数值，我们应用螺旋位移矩阵描述空间有限位移时，首先要构成数值位移矩阵，然后可求出相应的螺旋运动参数spppuuuzyxzyx和111 、 、 、 、 、 、 jD110003433323124232221141312

20、111aaaaaaaaaaaaDj假设假设(jish)刚体由位置刚体由位置1到位置到位置j的数值位移矩阵的数值位移矩阵为：为：的数值的数值(shz)。（333） 1 10 0 0 111 ,1,qpRuspRquuj 第25页/共64页第二十六页，共65页。 因为无论用那种形式的位移矩阵来描述空间的有限位移，对相同的位移，它们对应的元素相等因为无论用那种形式的位移矩阵来描述空间的有限位移，对相同的位移，它们对应的元素相等(xingdng)。这样就可按已知的数值位移矩阵，求得相应的螺旋位移矩阵的有关参数。这样就可按已知的数值位移矩阵，求得相应的螺旋位移矩阵的有关参数。（1）求螺旋转角）求螺旋转角

21、 cos)()()(21 222332211cvucvucvuaaazyx213322111aaacos 令式（令式（331）中旋转子阵的对角元素与已知的数值矩阵式（）中旋转子阵的对角元素与已知的数值矩阵式（333）中对应元素相等）中对应元素相等(xingdng)，则其对角线元素的总和亦相等，则其对角线元素的总和亦相等(xingdng)，即：，即：所以所以(suy)： （334） 第26页/共64页第二十七页，共65页。zyxuuu 、sin22332xuaasin22332aauxsin23113aauysin21221aauz（2）求）求由式（由式（3-31）中旋转）中旋转(xunzhun

22、)子阵的元素得：子阵的元素得：所以所以(suy)：同理：同理：（螺旋轴（螺旋轴u的方向的方向(fngxing)余弦）余弦）（335） 第27页/共64页第二十八页，共65页。1p0 xu01xp333234232224131214apappsuaapappsuaapapsuazyzzzyyyzyx342414133222322131211)1 ()1 (aaaaauaauaauppszyxzy（3）求线位移）求线位移(wiy)s及螺旋轴上参考点及螺旋轴上参考点的坐标的坐标(zubio)，为使计算，为使计算(j sun)简化，设简化，设这时式（这时式（331）中第四列元素与已知的数值位移矩阵（）

23、中第四列元素与已知的数值位移矩阵（333）式的对应元素相等，可得方程组：）式的对应元素相等，可得方程组：写成矩阵形式得：写成矩阵形式得： 假设假设（336） 第28页/共64页第二十九页，共65页。01332211则aaa234224214aaassausausauzyx342414 , , 180121 , 121 , 121332211auauauzyx0 111xzyppps和、这里有两种特殊这里有两种特殊(tsh)情况，如情况，如即位移即位移(wiy)只沿只沿u方向能移动方向能移动s：u方向方向(fngxing)：当当时时 s和和p则由该式求得。则由该式求得。 由上式可方便地求得由上式

24、可方便地求得 第29页/共64页第三十页，共65页。五、数值位移五、数值位移(wiy)矩阵的建立矩阵的建立D1j为刚体为刚体E从第一从第一(dy)位置位置E1运动到第运动到第j位置的位移矩阵。位置的位移矩阵。已知刚体已知刚体(gngt)E上不共面的四个点上不共面的四个点P、Q、R和和G在位置在位置1和位置和位置j时的坐标值。时的坐标值。第30页/共64页第三十一页，共65页。1 1第31页/共64页第三十二页，共65页。 做平面运动的刚体，其位移能用运动平面上任取的不共线的做平面运动的刚体，其位移能用运动平面上任取的不共线的A、B、C三点的位移完全三点的位移完全(wnqun)确定下来。假设：确

25、定下来。假设：三个位移三个位移(wiy)方程可合并成：方程可合并成：第32页/共64页第三十三页，共65页。100301110111564122111211675112D 如果知道平面上任意如果知道平面上任意(rny)两点的位移，如何构成刚体的数值位移矩阵？两点的位移，如何构成刚体的数值位移矩阵？-90 -1sin ; 0cos121212第33页/共64页第三十四页，共65页。1 RR 的cossinsincos1RIRR1 TRR 1六、位移矩阵的逆六、位移矩阵的逆对于对于(duy)平面旋转矩阵，可用平面旋转矩阵，可用角所构成的逆位移来构成角所构成的逆位移来构成，于是，于是(ysh):对于

26、对于(duy)上式：上式： R是正交矩阵，是正交矩阵，对于空间旋转矩阵仍成立。对于空间旋转矩阵仍成立。 对于位移矩阵，可将位移分解成位移和转动二部分，通过依次位移矩阵来描述，即：对于位移矩阵，可将位移分解成位移和转动二部分，通过依次位移矩阵来描述，即： RTDDD 第34页/共64页第三十五页，共65页。 100001001001222112112313aaaaaaD 111TRDDD 1112121MMMM 100)()(2322131222122321131121111aaaaaaaaaaaaD 1000)()(343324231413332313343224221412322212343

27、1242114113121111aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaD 平面平面(pngmin)(pngmin)：空间空间(kngjin)44：去计算逆位移矩阵去计算逆位移矩阵ija应用以上等式很容易由位移矩阵元素应用以上等式很容易由位移矩阵元素的各元素，当需要反复计算逆阵时可节省数值计算时间。的各元素，当需要反复计算逆阵时可节省数值计算时间。 1D第35页/共64页第三十六页，共65页。一、坐标变换矩阵一、坐标变换矩阵(j zhn) 设有两个原点不重合的坐标系设有两个原点不重合的坐标系和和如图，其中点如图，其中点p在在 坐标系坐标系中的坐标中的坐标3-3 坐坐 标标 变变

28、换换)(111 , , zyxp) , , (222zyxp) , , ()(1112cbao，在坐标，在坐标(zubio)系系中的坐标中的坐标(zubio)为为，若坐标，若坐标(zubio)系系的原点的原点O2在坐标在坐标(zubio)系中的坐标系中的坐标(zubio)为为pooopo2211由图：由图：（337） 第36页/共64页第三十七页，共65页。112212212211122122122111221221221 , z , z , , , , , , , czzzyyxxzbyzzyyyyxxyaxzzxyyxxxx)cos()cos()cos()cos()cos()cos()co

29、s()cos()cos( 上式可用两坐标系中的轴间夹角的余弦上式可用两坐标系中的轴间夹角的余弦(yxin)表示：表示：（338） 将上式写成齐次的矩阵将上式写成齐次的矩阵(j zhn)(j zhn)形式得：形式得：1 1000 , , , , , , , , , 1222112121211212121121212111zyxc)zzcos()zycos()zxcos(b)yzcos()yycos()yxcos(a)xzcos()xycos()xxcos(zyx（339） 1 122221111zyxTzyx（340） 第37页/共64页第三十八页，共65页。 T21称为由称为由系变到系变到系的

30、坐标变换矩阵系的坐标变换矩阵(j zhn)，其中，其中16个元素只有个元素只有12个有实际意义，左上角前三列的个有实际意义，左上角前三列的33矩阵矩阵(j zhn)描述坐标系描述坐标系在系在系中的方位，其九个元素只有均不在同一行（或同一列）上的三个元素是独立的。第四列前三个元素表示坐标系中的方位，其九个元素只有均不在同一行（或同一列）上的三个元素是独立的。第四列前三个元素表示坐标系原点原点O2在系在系中的位置（坐标）。中的位置（坐标）。 当两坐标的原点重合，即其原点的坐标变换时，一般仍可用（当两坐标的原点重合，即其原点的坐标变换时，一般仍可用（339）式，只是第四列改为（）式，只是第四列改为（

31、0、0、0、1）即可，若）即可，若z1与与z2重合如图，则重合如图，则系到系到系的坐标变换矩阵系的坐标变换矩阵(j zhn)为：为：10000100000021 cossinsincosT （340） 共原点共原点Z轴重合轴重合(chngh)共原点共原点第38页/共64页第三十九页，共65页。 将上式与式（将上式与式（32）比较它们形式大致相同，前面）比较它们形式大致相同，前面33矩阵矩阵(j zhn)完全相同，所不同的只是完全相同，所不同的只是对平面也适合，其原点坐标对平面也适合，其原点坐标(zubio)变换矩阵为（变换矩阵为（33）：）：1000cossin0sincos21T)(2222

32、 , , zyxr 22121 10000rTrr cossinsincos若已知若已知R点在坐标点在坐标(zubio)系系里的坐标里的坐标(zubio)则则R点在点在系里的坐标可用（系里的坐标可用（341）式求出即：）式求出即：（341） 21rr和 所以从所以从系变到系变到系的坐标变换矩阵即为坐标系系的坐标变换矩阵即为坐标系绕绕z轴转过轴转过角使其与坐标系角使其与坐标系重合的旋转矩阵重合的旋转矩阵R。位置不同。位置不同。zyxrrrr111210000 cossinsincos第39页/共64页第四十页，共65页。同样同样(tngyng)若已知若已知R点在点在系里的坐标系里的坐标1r，求，

33、求R点在点在点的坐标点的坐标(zubio)，则：，则： 11212 10000rTrr cossinsincos RTRT 21112所以所以(suy)：相当于相当于绕绕z转转到到重合。重合。（342） 第40页/共64页第四十一页，共65页。对于对于(duy)不共原点坐标变换，可用同样办法讨论。不共原点坐标变换，可用同样办法讨论。如图有两个坐标系如图有两个坐标系222111yxoyxo及, , 22yxP112 , bao若已知若已知P点在点在系的坐标系的坐标(zubio)：o2点在点在系里坐标系里坐标(zubio)： sincossincos22112211xybyyxax1 1 1001

34、2221221111yxTyxbayx cossinsincos则：则：写成矩阵形式：写成矩阵形式： （343） 第41页/共64页第四十二页，共65页。111yxo 21oo 移1o10010 01112baoRoRD cossinsincos 11221DTDT另一方面可以另一方面可以(ky)将坐标系将坐标系看作看作经绕经绕z轴转轴转角，角，所形成所形成(xngchng)的，可以把的，可以把写出由写出由系到系到系的位移系的位移(wiy)矩阵为：矩阵为：所以：所以： 以上是平面情况，同样适用于空间坐标系。以上是平面情况，同样适用于空间坐标系。 又随参考系由又随参考系由点当成参考点，点当成参考

35、点，（344） 第42页/共64页第四十三页，共65页。二、二、DH矩阵矩阵相对位姿矩阵相对位姿矩阵 若从空间机构中任取两相邻构件若从空间机构中任取两相邻构件(gujin)i和和i+1，如在每个构件，如在每个构件(gujin)上固连一个坐标系，则上固连一个坐标系，则i+1构件构件(gujin)上某点上某点p在坐标系在坐标系i+1和和i中的坐标变换可用式中的坐标变换可用式(3-39)坐标变换矩阵来描述，对于不共原点两个任意方位的坐标系，会有六个独立参数坐标变换矩阵来描述，对于不共原点两个任意方位的坐标系，会有六个独立参数:) , , , , (111 cb,a 哈登伯格（哈登伯格（Hartenb

36、erg）和迪纳维特（）和迪纳维特（Denavit）提出）提出DH法，可使六个独立参数减少到四个。该法称为法，可使六个独立参数减少到四个。该法称为(chn wi)DH矩阵或位姿矩阵。矩阵或位姿矩阵。第43页/共64页第四十四页，共65页。 按按DH表示法，图示五级副（转动副或移动副）组成的空间机构，两个表示法，图示五级副（转动副或移动副）组成的空间机构，两个(lin )相邻构件相邻构件1和和2中，坐标系取法为：中，坐标系取法为： 有效的方法为先选定各个坐标系的有效的方法为先选定各个坐标系的Z轴，对于转动副，移动副，螺旋副及轴，对于转动副，移动副，螺旋副及级副，圆柱副，级副，圆柱副，Z轴取与运动副

37、轴线相重合轴取与运动副轴线相重合(chngh)； Z轴确定后，沿两个相邻轴确定后，沿两个相邻Z轴（如轴（如Z1、Z2）的最短公垂线即最短距离线确定）的最短公垂线即最短距离线确定X轴，图中轴，图中X2取在取在Z1、 Z2轴最短轴最短d1的延长线上，的延长线上，Y轴由右手规则决定。轴由右手规则决定。 第44页/共64页第四十五页，共65页。xoo与21111oo4s、由上述规则由上述规则(guz)可确定下列参数：可确定下列参数：1、d1是是Z2与与Z1两轴的垂直距离，两轴的垂直距离，正向正向(zhn xin)一致时取一致时取Z；2、1是是Z2与与Z1两轴间夹角两轴间夹角(ji jio)，面对，面对

38、x2轴，轴，Z2由由Z1逆时针转为正。逆时针转为正。3、1是是x2与与x1两轴间夹角，面对两轴间夹角，面对Z1轴，轴，x1向向x2逆时针转为正。逆时针转为正。是是x1和和x2间的距离，间的距离，与与Z1轴方向一致时为正。轴方向一致时为正。 11oo第45页/共64页第四十六页，共65页。11000 , , , , , , , , , 1222112121211212121121212111zyxc)zzcos()zycos()zxcos(b)yzcos()yycos()yxcos(a)xzcos()xycos()xxcos(zyx11000012221111111111111111111zyx

39、scossinsindsincoscoscossincosdsinsincossincoszyx 由此方程由此方程(fngchng)（339）式写成：）式写成：HD矩阵矩阵(j zhn): 1 ),(1 1222111122221111zyxsdHzyxHzyx （349） 第46页/共64页第四十七页，共65页。1111111 , 3221zyxHHHHzyxnnnnnn HHHHHnn1 , 433221 对于一个具有对于一个具有n个构件的闭环机构，进行连续个构件的闭环机构，进行连续(linx)变换，即：变换，即：闭环机构闭环机构(jgu)： DH矩阵在空间机构运动分析和综合中非常有用，尤

40、其对于机器人的运动分析特别矩阵在空间机构运动分析和综合中非常有用，尤其对于机器人的运动分析特别(tbi)有效。有效。 H（350） （351） 第47页/共64页第四十八页，共65页。例：图示一偏心曲柄滑块机构，已知机构的尺寸，进行例：图示一偏心曲柄滑块机构，已知机构的尺寸，进行(jnxng)运动分析。运动分析。解：首先建立与各构件固联的坐标系，因为为平面机构则三个转动副轴线垂直纸面，构件解：首先建立与各构件固联的坐标系，因为为平面机构则三个转动副轴线垂直纸面，构件2和构件和构件1组成移动副，组成移动副，z1平行导路。平行导路。 第48页/共64页第四十九页，共65页。iiiiisdH , ,

41、 , 101121 , 180 , 90 , sdHH0 , , 0 , 22232dHH0 , , 0 , 33343dHH0 , , 90 , 040414 HH由此可以由此可以(ky)(ky)看出看出第49页/共64页第五十页，共65页。 IHHHH144332214332211 , , , , , 和ddsd0412360 , 20 , 150 , 40 mmdmmdmmd又由：又由：H中的元素中的元素(yun s)是：是：的函数的函数(hnsh)，当给定，当给定4就可求出就可求出s1 ，2和和3设：已知设：已知（352） 求：求：s1 ，2 ，3等位置等位置(wi zhi)函数函数解

42、：代入上述（解：代入上述（351）的结果如下：）的结果如下： Issinsincossincoscossincos1 0 0 01504060 0 600 0 1 0201504060 0601232320320232320320 第50页/共64页第五十一页，共65页。 00001001对角线为对角线为1，其余，其余(qy)均为零均为零 015040020150400601601232232320320ssinsincoscossincos 0320320120 ， 18060 020201502 cos030230 , 90 6418423401501.s由、行由、行代入得：代入得： 代入

43、得：代入得：第51页/共64页第五十二页，共65页。，在，在系为系为PPPTP21 DT21 2121THD 10011212118090 , s , , dHTDH因此因此(ync)对矩阵，实质上若构件上有一点为对矩阵，实质上若构件上有一点为 P在在系中坐标为系中坐标为 即只要知道由即只要知道由系位移系位移(wiy)到到系的位移系的位移(wiy)矩阵得到了矩阵得到了系到系到系的坐标变换，因此式（系的坐标变换，因此式（339）知）知T21即：即： 上例：上例： T21与与H21的区别的区别(qbi)则在则在H-D矩阵在取坐标系过程中作了特定约定处理，计算更为简单，而矩阵在取坐标系过程中作了特定

44、约定处理，计算更为简单，而T21则为一般式。则为一般式。 第52页/共64页第五十三页，共65页。 zzyyxxTTbababaababbaba zyxaaaa zyxbbbb34 微分旋转微分旋转(xunzhun)矩阵和位移矩阵矩阵和位移矩阵 1、矢量积的矩阵、矢量积的矩阵(j zhn)表示表示（353） 叉积：叉积： bAaaaaaabaxyxzyzb 000（354） 一、微分旋转一、微分旋转(xunzhun)矩阵矩阵第53页/共64页第五十四页，共65页。 000 xyxzyzaaaaaaAau000 xyxzyzuuuuuuuPuR , uuuuuQsinPcosPPR , 222z

45、zyzxzyyyxzxyxxuuuuuuuuuuuuuuuuQ uuuQPP是是的反对的反对(fndu)称矩阵表示法。称矩阵表示法。上的单位矢量上的单位矢量(shling)也可用反对称矩阵表示：也可用反对称矩阵表示：利用反对称可将旋转利用反对称可将旋转(xunzhun)矩阵矩阵表示为：表示为：其中：其中：对于旋转轴对于旋转轴（355） （356） 第54页/共64页第五十五页，共65页。r1 Rrrr 11 rRrRr rRrRrT1101r rWrRRrT 2、角速度矩阵、角速度矩阵(j zhn)W的旋转可用矩阵的旋转可用矩阵(j zhn)方程式描述，即方程式描述，即 ：R是以几种是以几种(j zhn)可能形式之一所表示的旋转矩阵。可能形式之一所表示的旋转矩阵。位置的变化率可对上式微分：位置的变化率可对上式微分：又由又由: 所以：所以：W称为角速度矩阵。称为角速度矩阵。 一个矢量一个矢量（357） （358） 第55页/共64页第五十六页，共65页。uPcossinsincossincoscoss