机器人运动学课件

机器人运动学学习机器人运动学的基本概念和理论，掌握机器人运动学分析方法课程大纲和学习目标机器人运动学基础正向运动学与逆向运动学机器人坐标系，位置和方向描述雅可比矩阵，关节空间到工作空间的映射轨迹规划与控制关节空间轨迹规划，工作空间轨迹规划机器人运动学概述机器人运动学是研究机器人运动的几何学和数学基础它主要关注机器人的位置、方向和运动轨迹，而不考虑力、力矩或惯性等物理因素运动学是机器人学的重要组成部分，它为理解机器人的运动和控制提供了基础理论通过运动学分析，我们可以描述机器人的运动规律、预测机器人的运动轨迹，并设计机器人运动控制算法机器人坐标系基坐标系关节坐标系末端执行器坐标系机器人固定参考系，用于描述机器人每个关节的局部坐标系，用于描述关机器人末端执行器的位置和姿态参考整体位置和姿态节运动范围和方向系，用于描述机器人抓取和操作物体位置和方向描述位置1描述机器人末端执行器在空间中的位置，通常使用笛卡尔坐标系x,y,z表示方向2描述机器人末端执行器相对于参考坐标系的姿态，通常使用欧拉角或四元数表示坐标系3机器人运动学中通常使用多个坐标系来描述机器人各个部件的位置和方向，例如基座坐标系、关节坐标系和末端执行器坐标系旋转矩阵39维度元素旋转矩阵是3x3矩阵，描述了空间矩阵的9个元素表示旋转轴和旋转中坐标系的旋转角度1用途用于计算机器人末端执行器的位置和方向同质变换矩阵描述应用将位置和方向信息整合到一个矩阵中机器人运动学分析中的关键工具方便进行旋转和平移变换简化机器人关节和末端执行器之间的关系正运动学定义1给定关节变量，计算末端执行器的位置和姿态应用2机器人控制、路径规划、碰撞检测公式3使用连杆变换矩阵和关节变量来计算末端执行器的位置和姿态反运动学问题关节角度计算1求解机器人关节角度，使末端执行器达到目标位置和姿态非线性方程组2涉及复杂的三角函数和几何关系解析解与数值解3根据机器人结构和应用场景选择合适的求解方法雅可比矩阵定义作用应用雅可比矩阵是一个将机器人关节速度与雅可比矩阵可以用于计算机器人末端执雅可比矩阵在机器人运动学、动力学和末端执行器速度联系起来的矩阵行器的速度和加速度控制中起着至关重要的作用关节空间到工作空间的映射关节空间机器人每个关节的旋转或平移角度集合，描述了机器人的姿态和位置工作空间机器人末端执行器可以到达的所有位置和姿态集合，描述了机器人的运动范围映射关系正运动学用于将关节空间的坐标映射到工作空间的坐标，反运动学则用于反向映射机器人工作空间机器人工作空间是指机器人末端执行器能够到达的所有空间区域工作空间的形状和大小取决于机器人的结构和关节范围工作空间的确定对于机器人任务规划和轨迹规划至关重要工作空间可分为以下几类•可达工作空间机器人末端执行器可以到达的所有点•操作工作空间机器人末端执行器可以在不发生碰撞的情况下到达的所有点•自由工作空间机器人末端执行器可以在不发生碰撞且不受到任何约束的情况下到达的所有点运动学方程求解正运动学1已知关节角度，求末端执行器位置和姿态反运动学2已知末端执行器位置和姿态，求关节角度雅可比矩阵3描述关节速度与末端执行器速度之间的关系典型机器人案例分析工业机器人服务机器人汽车制造、电子制造、物流搬医疗护理、餐饮服务、教育娱运等领域乐等领域特种机器人灾难救援、军事侦察、深海探测等领域机器人轨迹规划路径规划1确定机器人从起点到终点的运动路径速度规划2确定机器人沿路径的运动速度和加速度轨迹生成3根据路径和速度信息生成机器人关节运动轨迹关节空间轨迹规划路径规划确定机器人关节空间中的一系列目标点轨迹生成利用插值方法连接这些目标点，生成平滑的轨迹速度控制设定机器人关节速度和加速度，保证轨迹平滑且安全工作空间轨迹规划路径规划1确定机器人末端执行器在工作空间中的运动路径时间规划2为路径分配时间，确保平滑且可执行的运动轨迹生成3生成机器人关节空间中的运动轨迹运动学仿真实践软件仿真虚拟环境真实环境使用专业软件，如ROS、MATLAB，对在虚拟环境中模拟机器人工作场景，测试结合真实环境数据，进行运动学仿真，验机器人运动学模型进行仿真验证其运动轨迹和操作能力证模型的准确性和可靠性路径规划算法A*算法RRT算法PRM算法是一种常用的启发式搜索算法，在路径是一种随机路径规划算法，适用于复杂是一种概率路线图方法，适用于高维空规划领域应用广泛，能有效地找到最优环境，能快速找到可行路径间，能有效降低计算量路径避障算法路径规划传感器融合机器人避障算法的关键是规划结合多种传感器数据，例如激一条安全的路径，确保机器人光雷达、超声波传感器和摄像能够顺利地绕过障碍物并到达头，提高避障算法的准确性和目标位置可靠性动态环境机器人需要能够适应动态变化的环境，例如移动的物体或突然出现的障碍物，并及时调整路径校准和标定机器人校准1消除机器人运动误差传感器标定2校正传感器输出运动学参数3精确测量机器人参数传感器集成位置传感器速度传感器位置传感器，例如编码器和速度传感器，例如速度计和加Resolver，提供有关关节位置速度计，提供有关关节速度和的信息加速度的信息力传感器力传感器提供有关机器人末端执行器与环境交互力的信息，用于触觉反馈和力控制运动学建模误差分析机器人运动学模型的准确性对机器人控制和规划至关重要运动学建模误差主要来源于几何误差、安装误差、传感器误差和控制误差工业机器人应用案例汽车制造电子制造食品加工焊接、喷漆、组装等电路板组装、测试、包装等包装、分拣、搬运等服务机器人应用案例酒店服务餐厅服务医疗服务酒店机器人可提供迎宾、送餐、客房服务餐厅机器人可进行点餐、送餐、结账等医疗机器人可协助医生进行手术、诊断、等护理等仿生机器人应用案例医疗领域工业领域仿生义肢、微创手术机器人、仿生机器人能够模仿动物的运康复辅助机器人等，为患者提动能力，应用于高危环境作供更有效的治疗和康复方案业，如管道检测、灾害救援等军事领域仿生机器人可以用于侦察、巡逻、作战等任务，提高作战效率和安全性机器人运动学前沿技术近年来，机器人运动学领域取得了突破性进展，新的技术不断涌现，推动着机器人技术的发展与应用•柔性机器人运动学•仿生机器人运动学•基于学习的运动学•多机器人协同运动学机器人发展趋势智能化协作化个性化随着人工智能技术的不断发展，机器人未来机器人将与人类协同工作，共同完机器人将根据用户的个性化需求进行定将变得更加智能，能够自主学习和适应成任务，人机协作将成为主流制，满足不同场景下的应用需求环境变化课程小结与讨论回顾课程内容知识点总结从机器人运动学基础到应用案回顾重要概念、公式和方法，例，本课程涵盖了机器人运动建立对机器人运动学的整体理学各个方面解讨论与分享分享学习心得和经验，解答疑问，并探讨未来学习方向答疑环节本节课内容涵盖了机器人运动学的基础知识，包括坐标系、运动学方程、轨迹规划等如果您对课程内容有任何疑问，请随时提出我们将根据您的提问进行详细解答，并分享相关案例和应用经验同时，我们也欢迎您分享您在机器人领域的研究和应用，让我们共同探讨机器人运动学的前沿技术和发展趋势。