雅克比矩阵在机器人运动学中的应用

以六轴机械臂为例,设机械臂关节空间为q,位置矩阵为p,速度矩阵为v

q = q 0 , q 1 , q 2 , q 3 , q 4 , q 5 q=q_0,q_1,q_2,q_3,q_4,q_5 q=q0,q1,q2,q3,q4,q5

p = x , y , z T = f x ( q ) f y ( q ) f z ( q ) p=x,y,z^T=\begin{bmatrix}f_x(q) \\ f_y(q)\\ f_z(q) \\ \end{bmatrix} p=x,y,zT= fx(q)fy(q)fz(q)

联立机械臂速度矩阵、关节空间和位置矩阵的关系如下

v = p ˙ = ( d f x d t d f y d t d f z d t ) = ( ∂ f x ∂ q 0 d q 0 d t ⋯ ∂ f x ∂ q 5 d q 5 d t ∂ f y ∂ q 0 d q 0 d t ⋯ ∂ f y ∂ q 5 d q 5 d t ∂ f z ∂ q 0 d q 0 d t ⋯ ∂ f z ∂ q 5 d q 5 d t ) = ( ∂ f x ∂ q 0 ⋯ ∂ f x ∂ q 5 ∂ f y ∂ q 0 ⋯ ∂ f y ∂ q 5 ∂ f z ∂ q 0 ⋯ ∂ f z ∂ q 5 ) ( q 1 ⋮ q 5 ) v=\dot p=\begin{pmatrix}\frac {df_x}{dt} \\ \frac {df_y}{dt} \\ \frac {df_z}{dt}\\ \end{pmatrix} =\begin{pmatrix}\frac {\partial f_x} {\partial q_0}\frac {dq_0} {dt}& \cdots & \frac {\partial f_x} {\partial q_5}\frac {dq_5} {dt} \\ \frac {\partial f_y} {\partial q_0} \frac {dq_0} {dt} &\cdots&\frac {\partial f_y} {\partial q_5} \frac {dq_5} {dt} \\\frac {\partial f_z} {\partial q_0} \frac {dq_0} {dt} &\cdots & \frac {\partial f_z} {\partial q_5} \frac {dq_5} {dt} \end{pmatrix}= \begin{pmatrix}\frac {\partial f_x} {\partial q_0}& \cdots & \frac {\partial f_x} {\partial q_5} \\ \frac {\partial f_y} {\partial q_0}& \cdots & \frac {\partial f_y} {\partial q_5} \\\frac {\partial f_z} {\partial q_0}& \cdots & \frac {\partial f_z} {\partial q_5} \end{pmatrix}\begin{pmatrix}q_1 \\ \vdots \\ q_5\\ \end{pmatrix} v=p˙= dtdfxdtdfydtdfz = ∂q0∂fxdtdq0∂q0∂fydtdq0∂q0∂fzdtdq0⋯⋯⋯∂q5∂fxdtdq5∂q5∂fydtdq5∂q5∂fzdtdq5 = ∂q0∂fx∂q0∂fy∂q0∂fz⋯⋯⋯∂q5∂fx∂q5∂fy∂q5∂fz q1⋮q5

将中间矩阵定义为雅克比矩阵J,则

J = ( ∂ f x ∂ q 0 ⋯ ∂ f x ∂ q 5 ∂ f y ∂ q 0 ⋯ ∂ f y ∂ q 5 ∂ f z ∂ q 0 ⋯ ∂ f z ∂ q 5 ) J=\begin{pmatrix}\frac {\partial f_x} {\partial q_0}& \cdots & \frac {\partial f_x} {\partial q_5} \\ \frac {\partial f_y} {\partial q_0}& \cdots & \frac {\partial f_y} {\partial q_5} \\\frac {\partial f_z} {\partial q_0}& \cdots & \frac {\partial f_z} {\partial q_5} \end{pmatrix} J= ∂q0∂fx∂q0∂fy∂q0∂fz⋯⋯⋯∂q5∂fx∂q5∂fy∂q5∂fz

v = J q ˙ v=J\dot q v=Jq˙

q ˙ = q ˙ 0 , q ˙ 1 , q ˙ 2 , q ˙ 3 , q ˙ 4 , q ˙ 5 \dot q=\\dot q_0,\\dot q_1,\\dot q_2,\\dot q_3,\\dot q_4,\\dot q_5 q˙=q˙0,q˙1,q˙2,q˙3,q˙4,q˙5

那么雅克比矩阵J可以用来表示从关节速度空间q_dot到关节末端执行空间速度的映射,即一个末端的位置可以由多个关节空间的速度映射得到,即

q ˙ J ⟶ v \dot q {J \over \longrightarrow }v q˙⟶Jv

同样,末端执行空间速度F同样可以使用雅克比矩阵映射到关节空间力矩

τ J T ⟶ F \tau {J ^T \over \longrightarrow}F τ⟶JTF

τ = J T F \tau = J^TF τ=JTF

例如7轴机械臂,具有冗余的一个关节空间(7x1)q_6,所以在末端执行空间的变换矩阵(6x1)(3x3旋转+3x1平移)进行映射的时候q_6无论处在什么位置,都不会影响末端执行空间的位置和速度,称为零空间

相关推荐
风合星语4 天前
2026 具身智能技术实战(一):VLA 到底怎么控制机器人?——用 LeRobot 跑通 SmolVLA 推理
pytorch·机器人·具身智能·vla·lerobot·smolvla
鲁邦通物联网4 天前
图书馆机器人跨楼层运行,机器人梯控低噪设计与架构分析
机器人·巡检机器人·机器人梯控·agv梯控·非侵入式采集·机器人乘梯·机器人自主乘梯
PascalXie4 天前
人形机器人的“眼睛“:多目视觉方案怎么选?
计算机视觉·机器人
广州虚拟动力-动捕&虚拟主播4 天前
产教融合,具身智能数据采集实训室打造五大真实场景
机器人
微信开发api4 天前
微信iPad协议怎么用?基于协议的二次开发实践
微信·机器人·ipad
QYR-分析4 天前
机器人精密运动升级,机器人关节动态旋转密封件行业全景市场报告
人工智能·机器人
QYRdata4 天前
年均增速24.2%!机器人数据湖未来六年增长动能强劲
网络·机器人·服务发现
workflower4 天前
SSH(Struts+Spring+Hibernate)
人工智能·机器学习·机器人·云计算·无人机
微三云 - 廖会灵 (私域系统开发)4 天前
企业大模型应用工程化思考:跳出 Demo 陷阱,构建「业务‑资产‑Agent」三层落地架构
人工智能·矩阵·重构
微信开发api4 天前
微信机器人接口:REST API vs WebSocket 选型建议
微信·机器人·ipad