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
Agent手记6 小时前
跨境电商如何用AI Agent自动运营多平台店铺?企业级「龙虾」矩阵智能体全流程落地指南
大数据·人工智能·ai·矩阵
吃好睡好便好9 小时前
创建魔方矩阵和单位矩阵
开发语言·人工智能·学习·线性代数·matlab·矩阵
有为少年9 小时前
深度隐式层 | 隐式函数与自动微分
人工智能·神经网络·线性代数·机器学习·矩阵
生成论实验室10 小时前
我们给AI装上了判断力
人工智能·深度学习·语言模型·机器人·自动驾驶
luyu007_00712 小时前
AGV无人叉车无线充电厂家怎么选?鲁渝能源大功率无线充电方案解析
人工智能·机器人·能源·制造
吃好睡好便好12 小时前
矩阵的加减运算
开发语言·人工智能·学习·线性代数·算法·matlab·矩阵
吃好睡好便好12 小时前
提取矩阵特定多行元素
开发语言·线性代数·算法·matlab·矩阵
J_Xiong011712 小时前
世界动作模型(WAM):让机器人学会“先想象,再行动“的下一代具身大脑
机器人·wam
方芯半导体12 小时前
ST系列MCU EtherCAT协议栈框架结构详解
服务器·网络·数据库·网络协议·机器人·自动化·工业以太网
半导体守望者14 小时前
MKS AX7665-02 手侧 通讯 输入输出 接口定义 DB25S 信号描述 LCD Readout
经验分享·学习·机器人·自动化·制造