机器人正反向运动学(FK和IK)

绕第一个顶点可以沿Z轴转动,角度用alpha表示

绕第二个点沿X轴转动,角度为Beta

第三个点沿X轴转动,记作gama

这三个点构成姿态(pose)

我们记第一个点为P0,画出它的本地坐标系,和世界坐标系一样红绿蓝分布代表XYZ

P0坐标系相当于绕Z轴旋转了alpha角度。因此,从世界坐标到此的变化可以写成齐次矩阵M0

其中Rz(alpha)表示绕z轴旋转alpha角所对应的旋转矩阵。

T描述的是腿部的整体平移

P1相对于P0是在Y方向上平移了L1长度,沿X轴旋转Beta角,所以世界坐标到P1的变换矩阵可以写作M1.

同理,P1到P2是x轴旋转gamma,y轴移动L2,P2到P3是y轴移动L3

这种已知alpha、beta、gamma三个角度来求解p3的过程,我们称之为正向运动学(forward kinematics)

反过来,如果我们知道P0和P3的位置,来求解这三个角度。这个过程就叫做反向运动学或逆运动学(inverse kinematics)

逆运动学

在实际应用中,逆运动学往往更加重要。我们经常已知tip尖端的位置,需要求得是角度。因为这个角度就是需要让舵机打到的角度。

比如,作为机器人的腿,尖端TIP就是与地面接触的,我们希望它可以抬起来往前走一步。于是我们规划尖端的运动轨迹,来反求角度对舵机进行控制。

另外,这其实也可以看成是一个机械臂,那么尖端就是手或者类似的抓取机构

我们通常能够结算目标的位置,通过舵机打角让机械臂的尖端到达目标位置。

下面我们来具体求解

首先,运动过程中腿是在一个平面内的,alpha角度会使这个平面绕Z轴旋转。

我们连接P0和P3,并记从P0到P3在XY平面上的投影向量为u

可得alpha角度就是向量u与y轴向量的夹角

我们从二维来看

为了求belta和gamma,我们引入两个辅助角theta和phi

于是在三角形P1P2P3中,根据余弦定理可求theta

而phi是向量P1P3和向量u的夹角

所以,易得beta是phi与theta的差

知道beta后可求P2的坐标。

就是P1的坐标在u方向上偏移L2乘以cosbeta的长度,在Z方向上偏移L2乘以sinbeta长度。

P2得到后就可求gamma,它是向量P1P2和向量P2P3的夹角

不过,这样计算还有个问题,就是如果P1P2P3攻线不能组成三角形的话。gamma等于多少呢?

那么gamma就一定为0,beta就是P1P3和u的夹角,这样连P2的坐标都不需要求了。

到这里还没完,因为beta、theta、phi并不是始终是这样的关系。

你会发现,其实只有两种情况,只要P3在u向量的上方,那么beta等于phi减去theta,否则beta等于theta减去phi

相关推荐
DogDaoDao6 小时前
GR00T N1 论文深度拆解:英伟达给机器人装上了“快与慢“双系统大脑
机器人·大语言模型·nvidia·机器人模型·智能机器人·图像生成模型·gr00t
VisualComponents10 小时前
SEJFO依托Visual Components仿真工具,实现自动化业务销售全面升级
人工智能·机器人·工业自动化·工厂仿真·机器人离线编程
欧阳天羲10 小时前
【升级版】AI毫米波雷达扫描+视觉双鉴激光灭蚊机器人|360°全域侦测+超低误杀+人体安全防护(ESP32+YOLOv8全套开源)
人工智能·安全·机器人
欧阳天羲13 小时前
激光灭蚊机器人项目|雷达‑红外‑YOLO三重融合完整工程
yolo·机器人
数智大号13 小时前
从机器人前置仓到机器人组装机器人,星海图 WRC 打开具身智能产业化下半场
人工智能·机器人
朗宇芯工控16 小时前
工厂 “钢铁焊工”:焊接机器人的技术逻辑与发展方向
机器人·自动化·制造·工业·运动控制系统
具身AGI18 小时前
FCC 机器人禁令下,物理AI 国产大脑的战略位
人工智能·机器人
小O的算法实验室18 小时前
IEEE TCDS,基于改进双神经网络三维未知环境多机器人协同区域覆盖搜索
人工智能·神经网络·机器人
集萃智造机器人1 天前
集萃智造采摘机器人:以具身智能破解果蔬采收难题,助力智慧农业升级
人工智能·机器人
科技快报1 天前
共生知行发布人形机器人赛车Demo:以卡丁车测试双足机器人的“全身智能”
机器人