工业机器人课件

xyznoaxyzPθθnaoPxPyPxPyP二、旋转的齐次变换例：坐标系（n,o,a）绕参考系的x轴旋转一个角度Theta求：旋转后P点在参考坐标系中的新坐标。xyznoaxyzPθθnaoPxPyPxPyP二、旋转的齐1oPyyzPaPoPaPzl3l4l1

l2θoPyyzPaPoPaPzl3l4l1θ2旋转前：旋转后：

上式可以写成矩阵形式（绕x轴旋转的情况）：旋转前：旋转后：上式可以写成矩阵形式（绕x轴旋转的情况）：3旋转矩阵中第一列表示相对于x轴的位置，其值为1,0,0，它表示沿x轴的坐标没有改变。旋转矩阵可以简写为：可用同样的方法来分析坐标系绕参考坐标系y轴和z轴旋转的情况：运动坐标系中的P的坐标左乘旋转矩阵得到在参考坐标系中的坐标：

旋转矩阵中第一列表示相对于x轴的位置，其值为1,0,4例：动坐标系中有一点P(2,3,4)T，此坐标系中绕参考坐标系x轴旋转90度。求旋转后该点相对于参考坐标系的坐标。

例：动坐标系中有一点P(2,3,4)T，此坐标系中绕参考坐标53、复合变换的表示：任何的变换都可以分解为按照一定顺序的变换的组合，即一定顺序的平移和旋转。

例：坐标系（n,o,a）相对于参考坐标系（x,y,z）依次进行了下面三个变换：1、绕x轴旋转α度；2、接着相对于x,y,z轴分别平移[l1,l2,l3]个单位；3、最后绕y轴旋转β度。试写出变换过程。3、复合变换的表示：任何的变换都可以分解为按照一定顺6第一次变换：第二次变换：第三次变换：

每次变换后旋转坐标系上的点相对于参考坐标系的坐标都是通过用每个变换矩阵左乘该点的坐标。●矩阵的顺序不能变；●每次变换矩阵都是左乘；●矩阵书写的顺序和进行变换的顺序正好相反。第一次变换：第二次变换：第三次变换：每次变换后旋转坐7例：已知坐标系中点U的位置矢量u=[7321]T，将此点绕Z轴旋转90度，再绕Y轴旋转90度，如图所示，求旋转变换后所得的点W。例：已知坐标系中点U的位置矢量u=[7321]T，将8例：坐标系B(n,o,a)起始位置与参考坐标系A(x,y,z)重合，具体变换如下：1)绕x轴旋转90度；2)沿当前坐标系a轴平移3个单位；3)绕z轴旋转90度；4)沿当前坐标系o轴平移5个单位。写出描述该运动的方程，并求坐标系B中点P（1,5,4）相对参考坐标系的最终位置。解：按照下列原则相应地左乘或右乘每个运动矩阵：

相对参考坐标系运动——左乘；相对当前坐标系（运动坐标系）运动——右乘。例：坐标系B(n,o,a)起始位置与参考坐标系A(x,y,z9动坐标系B相对参考坐标系A的变换矩阵点P（1,5,4）相对参考坐标系的最终位置：动坐标系B相对参考坐标系A的变换矩阵点P（1,5,4）相对参10本节内容应重点掌握：2、空间点的表示，空间向量的表示及其单位化和比例因子的应用。3、空间坐标系的表示。4、刚体的表示及正确表示刚体的约束条件。1、工业机器人正、逆运动学的含义。5、平移算子与旋转算子的形式。6、会推导旋转算子。7、复合变换的原则及其计算。本节内容应重点掌握：2、空间点的表示，空间向量的表示及其单位11已知机器人手的期望位姿，求机器人的每一个连杆的长度和关节的角度（找到正运动学方程的逆，求解所需的关节变量）。§2-3机器人的正逆运动学1、正运动学分析：

已知机器人的构型，即它的所有连杆长度和关节角度都已知，计算机器人手的位姿的过程（已知关节变量，建立正运动学方程的过程，实质上是建立机器人手的坐标系和参考坐标的联系）。2、逆运动学分析：我们可以根据机器人连杆和关节的构型配置，可用一组特定的方程来建立机器人手的坐标系和参考坐标系的联系。已知机器人手的期望位姿，求机器人的每一个连杆12为了使得过程简化，我们采取这样的方法：分别分析位置和姿态问题。1、首先推导出位置方程；2、然后再推导出姿态方程，

3、最后再将两者结合在一起从而形成一组完整的方程。为了使得过程简化，我们采取这样的方法：分别分析13用于给机器人手定位的常用构型：一、位置的正逆运动学方程：2、圆柱坐标型（R2P）；3、球坐标型（2RP）；4、链式/拟人型（3R）。（可在D—H法中考虑）1、笛卡尔坐标/直角坐标（3P）；用于给机器人手定位的常用构型：一、位置的正逆运动学方程：2、14二、具体说明：1、笛卡尔坐标：由于没有旋转运动，表示向P点运动的变换矩阵是一种简单的平移变换矩阵。在直角坐标系中，表示机器人手位置的正运动学变换矩阵为：

对于逆运动学求解，只需简单地设定期望的位置等于P。二、具体说明：1、笛卡尔坐标：对于逆运动学求15例：要求笛卡尔坐标机器人手坐标系原点定位在P=[3,4,7]T，计算所需要的笛卡尔坐标运动。解：设定正运动学方程，根据期望位置得到：例：要求笛卡尔坐标机器人手坐标系原点定位在P=[3,4,7]162、圆柱坐标：圆柱型坐标系统包括两个线性平移运动和一个旋转运动。顺序为：先沿x轴移动r，再绕z轴旋转α角，最后沿z轴移动l。由于变换都是相对于全局参考坐标系的坐标轴的，因此由这三个变换所产生的总变换可以通过一次左乘每一个矩阵而求得：

2、圆柱坐标：17例：假设要将圆柱坐标系机器人手坐标系的原点放在[3，4，7]T，计算机器人的关节变量。可以求出：

注意：要保证角度位于正确的象限。本例中rCα和rSα都是正的，长度r也是正的，所以Cα和Sα都是正的，所以α在第一象限内。

解：将手坐标系原点的位置分量设为预期值，则有：例：假设要将圆柱坐标系机器人手坐标系的原点放在[3，4，7]183、球坐标：球坐标系统由一个线性运动和两个旋转运动组成。1）沿z轴平移r；2）绕y轴旋转β角；3）绕z轴旋转γ角。

总变换矩阵方程为：3、球坐标：总变换矩阵方程为：19例：假设要将球坐标机器人手坐标系原点放在[3，4，7]T，计算机器人的关节变量。前两个式子相除得：γ有两个取值：

一、三像限，两种解将产生同样的位置，但处于不同的姿态，目前不关注姿态。解：将手坐标系原点的位置分量设置为期望值，可以得到：例：假设要将球坐标机器人手坐标系原点放在[3，4，7]T，计20

合适的旋转顺序取决于机器人手腕的设计以及关节装配在一起的方式。

1、滚动角（Roll），俯仰角（Pitching）和偏航角（Yawing）

（RPY）这是分别绕a,o,n轴的三个旋转顺序，能够把机器人的手调整到所期望的姿态。noa滚动角偏航角俯仰角二、姿态的正逆运动学方程：绕a轴旋转φa叫滚动；绕o轴旋转φo叫俯仰；绕n轴旋转φn叫偏航。合适的旋转顺序取决于机器人手腕的设计以及关节装配在一21表示RPY姿态变化的矩阵为：

这个矩阵表示了仅由RPY引起的姿态变化。要求相对于参考坐标系的位置和最终姿态是表示位置变化和RPY的两个矩阵的乘积。例如，假设一个机器人是根据球坐标和RPY来设计的，那么这个机器人末端相对于参考系的最终位姿是表示球坐标位置变化的矩阵和RPY矩阵的乘积，表示为：表示RPY姿态变化的矩阵为：这个矩阵表示了仅222、欧拉角除了最后的旋转是绕当前a轴外，欧拉角的其他方面均与RPY相似。转动顺序如下：绕a轴旋转φ度；绕o轴旋转θ度；绕a轴旋转ψ度。表示欧拉角姿态变化的矩阵是：2、欧拉角233、位姿的正逆运动学方程表示机器人最终位姿的矩阵是前面方程的组合，该矩阵取决于所用的坐标。假设机器人的运动是由直角坐标和RPY的组合关节组成，那么该坐标系相对于参考坐标系的最终位姿是表示直角坐标位置变化的矩阵和RPY矩阵的乘积。表示为：

如果机器人是用球坐标定位、欧拉角定姿态的方式所设计的，那么将得到下列方程。其中位置由球坐标决定，而最终姿态既受球坐标角度的影响也受欧拉角的影响。3、位姿的正逆运动学方程如果机器人是用球坐标定位24本节内容应重点掌握：2、会求解以上三种定位方式的逆运动学方程。3、掌握RPY角及欧拉角定姿的运动学方程。4、了解以上两种定姿方程的逆运动学求解过程。1、掌握笛卡尔坐标、圆柱坐标和球坐标定位的运动学方程。本节内容应重点掌握：2、会求解以上三种定位方式的逆运动学方程251、有一坐标系B沿参考系移动了距离(5,2,6)T，求B相对于参考系的新位置。其中B=[0,1,0,2;1,0,0,4;0,0,-1,6;0,0,0,1]。2、求点P=(2,3,4)T绕x轴旋转45度后相对于参考坐标系的坐标。3、固连在坐标系(n,o,a)上的点P(7,3,2)T经历如下变换：1)绕z轴旋转90度；2)接着绕y轴旋转90度；3)接着再平移[4,-3,7]。求变换后该点相对于参考坐标系的坐标。1、有一坐标系B沿参考系移动了距离(5,2,6)T，求B相对26xyznoaxyzPθθnaoPxPyPxPyP二、旋转的齐次变换例：坐标系（n,o,a）绕参考系的x轴旋转一个角度Theta求：旋转后P点在参考坐标系中的新坐标。xyznoaxyzPθθnaoPxPyPxPyP二、旋转的齐27oPyyzPaPoPaPzl3l4l1

l2θoPyyzPaPoPaPzl3l4l1θ28旋转前：旋转后：

上式可以写成矩阵形式（绕x轴旋转的情况）：旋转前：旋转后：上式可以写成矩阵形式（绕x轴旋转的情况）：29旋转矩阵中第一列表示相对于x轴的位置，其值为1,0,0，它表示沿x轴的坐标没有改变。旋转矩阵可以简写为：可用同样的方法来分析坐标系绕参考坐标系y轴和z轴旋转的情况：运动坐标系中的P的坐标左乘旋转矩阵得到在参考坐标系中的坐标：

旋转矩阵中第一列表示相对于x轴的位置，其值为1,0,30例：动坐标系中有一点P(2,3,4)T，此坐标系中绕参考坐标系x轴旋转90度。求旋转后该点相对于参考坐标系的坐标。

例：动坐标系中有一点P(2,3,4)T，此坐标系中绕参考坐标313、复合变换的表示：任何的变换都可以分解为按照一定顺序的变换的组合，即一定顺序的平移和旋转。

例：坐标系（n,o,a）相对于参考坐标系（x,y,z）依次进行了下面三个变换：1、绕x轴旋转α度；2、接着相对于x,y,z轴分别平移[l1,l2,l3]个单位；3、最后绕y轴旋转β度。试写出变换过程。3、复合变换的表示：任何的变换都可以分解为按照一定顺32第一次变换：第二次变换：第三次变换：

每次变换后旋转坐标系上的点相对于参考坐标系的坐标都是通过用每个变换矩阵左乘该点的坐标。●矩阵的顺序不能变；●每次变换矩阵都是左乘；●矩阵书写的顺序和进行变换的顺序正好相反。第一次变换：第二次变换：第三次变换：每次变换后旋转坐33例：已知坐标系中点U的位置矢量u=[7321]T，将此点绕Z轴旋转90度，再绕Y轴旋转90度，如图所示，求旋转变换后所得的点W。例：已知坐标系中点U的位置矢量u=[7321]T，将34例：坐标系B(n,o,a)起始位置与参考坐标系A(x,y,z)重合，具体变换如下：1)绕x轴旋转90度；2)沿当前坐标系a轴平移3个单位；3)绕z轴旋转90度；4)沿当前坐标系o轴平移5个单位。写出描述该运动的方程，并求坐标系B中点P（1,5,4）相对参考坐标系的最终位置。解：按照下列原则相应地左乘或右乘每个运动矩阵：

相对参考坐标系运动——左乘；相对当前坐标系（运动坐标系）运动——右乘。例：坐标系B(n,o,a)起始位置与参考坐标系A(x,y,z35动坐标系B相对参考坐标系A的变换矩阵点P（1,5,4）相对参考坐标系的最终位置：动坐标系B相对参考坐标系A的变换矩阵点P（1,5,4）相对参36本节内容应重点掌握：2、空间点的表示，空间向量的表示及其单位化和比例因子的应用。3、空间坐标系的表示。4、刚体的表示及正确表示刚体的约束条件。1、工业机器人正、逆运动学的含义。5、平移算子与旋转算子的形式。6、会推导旋转算子。7、复合变换的原则及其计算。本节内容应重点掌握：2、空间点的表示，空间向量的表示及其单位37已知机器人手的期望位姿，求机器人的每一个连杆的长度和关节的角度（找到正运动学方程的逆，求解所需的关节变量）。§2-3机器人的正逆运动学1、正运动学分析：

已知机器人的构型，即它的所有连杆长度和关节角度都已知，计算机器人手的位姿的过程（已知关节变量，建立正运动学方程的过程，实质上是建立机器人手的坐标系和参考坐标的联系）。2、逆运动学分析：我们可以根据机器人连杆和关节的构型配置，可用一组特定的方程来建立机器人手的坐标系和参考坐标系的联系。已知机器人手的期望位姿，求机器人的每一个连杆38为了使得过程简化，我们采取这样的方法：分别分析位置和姿态问题。1、首先推导出位置方程；2、然后再推导出姿态方程，

3、最后再将两者结合在一起从而形成一组完整的方程。为了使得过程简化，我们采取这样的方法：分别分析39用于给机器人手定位的常用构型：一、位置的正逆运动学方程：2、圆柱坐标型（R2P）；3、球坐标型（2RP）；4、链式/拟人型（3R）。（可在D—H法中考虑）1、笛卡尔坐标/直角坐标（3P）；用于给机器人手定位的常用构型：一、位置的正逆运动学方程：2、40二、具体说明：1、笛卡尔坐标：由于没有旋转运动，表示向P点运动的变换矩阵是一种简单的平移变换矩阵。在直角坐标系中，表示机器人手位置的正运动学变换矩阵为：

对于逆运动学求解，只需简单地设定期望的位置等于P。二、具体说明：1、笛卡尔坐标：对于逆运动学求41例：要求笛卡尔坐标机器人手坐标系原点定位在P=[3,4,7]T，计算所需要的笛卡尔坐标运动。解：设定正运动学方程，根据期望位置得到：例：要求笛卡尔坐标机器人手坐标系原点定位在P=[3,4,7]422、圆柱坐标：圆柱型坐标系统包括两个线性平移运动和一个旋转运动。顺序为：先沿x轴移动r，再绕z轴旋转α角，最后沿z轴移动l。由于变换都是相对于全局参考坐标系的坐标轴的，因此由这三个变换所产生的总变换可以通过一次左乘每一个矩阵而求得：

2、圆柱坐标：43例：假设要将圆柱坐标系机器人手坐标系的原点放在[3，4，7]T，计算机器人的关节变量。可以求出：

注意：要保证角度位于正确的象限。本例中rCα和rSα都是正的，长度r也是正的，所以Cα和Sα都是正的，所以α在第一象限内。

解：将手坐标系原点的位置分量设为预期值，则有：例：假设要将圆柱坐标系机器人手坐标系的原点放在[3，4，7]443、球坐标：球坐标系统由一个线性运动和两个旋转运动组成。1）沿z轴平移r；2）绕y轴旋转β角；3）绕z轴旋转γ角。

总变换矩阵方程为：3、球坐标：总变换矩阵方程为：45例：假设要将球坐标机器人手坐标系原点放在[3，4，7]T，计算机器人的关节变量。前两个式子相除得：γ有两个取值：

一、三像限，两种解将产生同样的位置，但处于不同的姿态，目前不关注姿态。解：将手坐标系原点的位置分量设置为期望值，可以得到：例：假设要将球坐标机器人手坐标系原点放在[3，4，7]T，计46

合适的旋转顺序取决于机器人手腕的设计以及关节装配在一起的方式。

1、滚动角（Roll），俯仰角（Pitching）和偏航角（Yawing）

（RPY）这是分别绕a,o,n轴的三个旋转顺序，能够把机器人的手调整到所期望的姿态。noa滚动角偏航角俯仰角二、姿态的正逆运动学方程：绕a轴旋转φa叫滚动；绕o轴旋转φo叫俯仰；绕n轴旋转φn叫偏航。合适的旋转顺序取决于机器人手腕的设计以及关节装配在一47表示RPY姿态变化的矩阵为：

这个矩阵表示了仅由RPY引起的姿态变化。要求相对于参考坐标系的位置和最终姿态是表示位置变化和RPY的两个矩阵的乘积。例如，假设一个机器人是根据球坐标和RPY来设计的，那么这个机器人末端相对于参考系的最终位姿是表示球坐标位置变化的