七轴协作机器人运动学正解计算方法

1. 基本定义

给定关节角向量:

θ = θ₁, θ₂, θ₃, θ₄, θ₅, θ₆, θ₇ᵀ

目标:计算末端执行器相对于基座坐标系的位姿,表示为齐次变换矩阵 ⁿ⁰T₇(即从坐标系 0 到坐标系 7 的变换)。

2. 齐次变换总公式

ⁿ⁰T₇ = ⁿ⁰T₁(θ₁) · ⁿ¹T₂(θ₂) · ⁿ²T₃(θ₃) · ⁿ³T₄(θ₄) · ⁿ⁴T₅(θ₅) · ⁿ⁵T₆(θ₆) · ⁿ⁶T₇(θ₇)

其中"·"表示矩阵乘法。

3. 单个关节的 D--H 齐次变换矩阵

对于第 i 个关节(i = 1 到 7),其从坐标系 {i−1} 到 {i} 的变换矩阵为:

ⁿⁱ⁻¹Tᵢ =

⎡ cosθᵢ −sinθᵢ·cosαᵢ₋₁ sinθᵢ·sinαᵢ₋₁ aᵢ₋₁·cosθᵢ ⎤

⎢ sinθᵢ cosθᵢ·cosαᵢ₋₁ −cosθᵢ·sinαᵢ₋₁ aᵢ₋₁·sinθᵢ ⎥

⎢ 0 sinαᵢ₋₁ cosαᵢ₋₁ dᵢ ⎥

⎣ 0 0 0 1 ⎦

其中:

  • θᵢ:关节变量(旋转角,对于旋转关节)
  • dᵢ:沿 zᵢ₋₁ 轴的偏移距离
  • aᵢ₋₁:沿 xᵢ₋₁ 轴的连杆长度
  • αᵢ₋₁:绕 xᵢ₋₁ 轴的连杆扭转角

注:对于典型的七轴协作机器人(如 KUKA LBR iiwa、UR 系列扩展型等),通常全部为旋转关节,因此 θᵢ 为变量,dᵢ、aᵢ₋₁、αᵢ₋₁ 为结构常数。

4. 计算步骤

  1. 根据机器人结构,确定标准 D--H 参数表(共 7 行,每行对应一个关节)。
  2. 对每个 i ∈ {1, 2, ..., 7},代入当前 θᵢ 值,计算 ⁿⁱ⁻¹Tᵢ。
  3. 按顺序左乘所有变换矩阵,得到最终的 ⁿ⁰T₇。
  4. 从 ⁿ⁰T₇ 中提取:
    • 位置:p = T₁₄, T₂₄, T₃₄ᵀ
    • 姿态:旋转矩阵 R = \[T₁₁, T₁₂, T₁₃, T₂₁, T₂₂, T₂₃, T₃₁, T₃₂, T₃₃]

5. 示例

若已知 D--H 参数,则可编程实现如下伪代码逻辑:

T = I₄ // 4×4 单位矩阵

for i from 1 to 7:

T_i = DH_Transform(thetai, di, ai-1, alphai-1)

T = T @ T_i // 矩阵乘法

end

// T 即为 ⁿ⁰T₇

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