1、1.4 1.4 机器人正向运动学 工业机器人的正向运动学是指已知各关节的类型、相邻关节之间的尺寸和相邻关节相对运动量的大小时，如何确定工业机器人末端操作器在固定坐标系中的位姿。 主要包括以下内容：主要包括以下内容： 1) 1) 相对杆件的坐标系的确定；相对杆件的坐标系的确定； 2) 2) 建立各连杆的模型矩阵建立各连杆的模型矩阵A A； 3) 3) 正运动学算法；正运动学算法；D-H表示法学习目标：学习目标：1. 理解理解D-H法原理法原理 2. 学会用学会用D-H法对机器人建模法对机器人建模学习重点：学习重点：1. 给关节指定参考坐标系给关节指定参考坐标系 2. 制定制定D-H参数表参数表
2、3. 利用参数表计算转移矩阵利用参数表计算转移矩阵背景简介：背景简介： 1955年，年，Denavit和和Hartenberg(迪纳维特和哈坦伯格迪纳维特和哈坦伯格)提出提出了这一方法，后成为表示机器人以及对机器人建模的标准方法，了这一方法，后成为表示机器人以及对机器人建模的标准方法，应用广泛。应用广泛。 总体思想：总体思想： 首先给每个关节指定坐标系，然后确定从一个关节到下一个首先给每个关节指定坐标系，然后确定从一个关节到下一个关节进行变化的步骤，这体现在两个相邻参考坐标系之间的变化，关节进行变化的步骤，这体现在两个相邻参考坐标系之间的变化，将所有变化结合起来，就确定了末端关节与基座之间的总
3、变化，将所有变化结合起来，就确定了末端关节与基座之间的总变化，从而建立运动学方程，进一步对其求解。从而建立运动学方程，进一步对其求解。1.1.第一个关节指定为关节第一个关节指定为关节n,n,第二个关节为第二个关节为n+1,n+1,其余其余关节以此类推。关节以此类推。坐标系的确定坐标系的确定2.Z2.Z轴确定规则：轴确定规则：如果关如果关节是旋转的，节是旋转的，Z Z轴位于按轴位于按右手规则旋转的方向右手规则旋转的方向，转角转角 为关节变量。如为关节变量。如果关节是滑动的，果关节是滑动的，Z Z轴为轴为沿直线运动的方向沿直线运动的方向，连，连杆长度杆长度d d为关节变量。为关节变量。关关节节n
4、n处处Z Z轴下标为轴下标为n-1n-1。 3.X3.X轴确定规则轴确定规则情况情况1 1：两关节：两关节Z Z轴既不平行也不相交轴既不平行也不相交取两取两Z Z轴公垂线方向作为轴公垂线方向作为X X轴方向，命名规则同轴方向，命名规则同Z Z轴。轴。情况情况2 2：两关节：两关节Z Z轴平行轴平行此时，两此时，两Z Z轴之间有无数条公垂线，可挑选与前一关节的公垂线共线的轴之间有无数条公垂线，可挑选与前一关节的公垂线共线的一条公垂线。一条公垂线。情况情况3 3：两关节：两关节Z Z轴相交轴相交取两条取两条Z Z轴的叉积方向作为轴的叉积方向作为X X轴。轴。4.Y4.Y轴确定原则轴确定原则取取X
5、X轴、轴、Z Z轴叉积方向作为轴叉积方向作为Y Y轴方向。（右手）轴方向。（右手）5.5.变量选择原则变量选择原则用用n+1n+1角表示角表示XnXn到到Xn+1Xn+1绕绕ZnZn轴的旋转角轴的旋转角; ;d dn+1n+1表示从表示从XnXn到到Xn+1Xn+1沿沿ZnZn测量测量的距离的距离; ;a an+1n+1表示关节偏移，表示关节偏移，an+1an+1是从是从ZnZn到到Zn+1Zn+1沿沿Xn+1Xn+1测量的距离测量的距离; ;角角表示关节扭转表示关节扭转, n+1, n+1是从是从ZnZn到到Zn+1Zn+1绕绕Xn+1Xn+1旋转的角度。旋转的角度。 通常情况下，通常情况下
6、，只有只有和和d d是关节变量。是关节变量。斯坦福机器人斯坦福机器人斯坦福机器人开始的两个关节是旋转的，第三个关节是滑动的，最后三个腕关节全是旋转关节例1：Stanford机器人运动学方程A1A2A3A4A5A6d1z1x1y1O1d2z2x2y2O2z3y3x3O3y4z4x4O4z5y5x5O534545,0o o odd重重合合d3z6x6y6O6d6z0y0 x0O0为右手坐标系原点Oi： Ai与Ai+1关节轴线的交点zi轴：与Ai+1关节轴重合，指向任意 xi轴： Zi和Zi-1构成的面的法线yi轴：按右手定则 ai沿沿 xi 轴，轴， zi-1 轴与轴与 xi 轴交点到轴交点到Oi
7、 的距离的距离i 绕绕 xi 轴，由轴，由 zi-1 转向转向zidi 沿沿 zi-1 轴，轴，zi-1 轴和轴和 xi 交点至交点至Oi 1 坐标坐标 系原点的距离系原点的距离i 绕绕 zi-1 轴，由轴，由 xi-1转向转向 xi关节1坐标系0关节2坐标系1关节3坐标系2连杆0连杆1连杆2连杆3连杆4连杆5关节4坐标系3关节5坐标系4关节6坐标系5解：解：123456关节变量都是关节变量都是例2、PUMA560运动学方程（六个自由度，全部是旋转关节）PUMA560机器人的连杆及关节编号为右手坐标系，Yi轴：按右手定则 Zi轴：与Ai+1关节轴重合，指向任意 Xi轴： Zi和Zi-1构成的面
8、的法线， 或连杆i两端轴线Ai 与Ai+1的公垂线(即： Zi和Zi-1的公垂线)原点Oi： Ai与Ai+1关节轴线的交点，或Zi与Xi的交点ai沿沿 xi 轴，轴， zi-1 轴与轴与 xi 轴交点到轴交点到Oi 的距离的距离i 绕绕 xi 轴，由轴，由 zi-1 转向转向zidi 沿沿 zi-1 轴，轴，zi-1 轴和轴和 xi 交点至交点至Oi 1 坐标坐标 系原点的距离系原点的距离i 绕绕 zi-1 轴，由轴，由 xi-1转向转向 xiA1A2A3A4A5A6O1O0 对下图所示简单机器人，根据对下图所示简单机器人，根据D-H法，建立必要坐标系及法，建立必要坐标系及参数表。参数表。例
9、3第一步：根据第一步：根据D-H法建立坐标系的规则建立坐标系法建立坐标系的规则建立坐标系 第二步：将做好的坐标系简化为我们熟悉的线图形式第二步：将做好的坐标系简化为我们熟悉的线图形式第三步：根据建立好的坐标系，确定各参数，并写第三步：根据建立好的坐标系，确定各参数，并写入入D-H参数表参数表#da1009020030040-905009060001234562a3a4a 10000),()0 , 0 ,(), 0 , 0(111111111111111111111),(111nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnznnndCSSaSCCCSCaSSCSCAxRotaTransdTransR
10、otATn #da1009020030040-905009060001234562a3a4a 10000010000011111CSSCA第四步：将参数代入第四步：将参数代入A矩阵，可得到矩阵，可得到 10000010000011111CSSCA 1000010000222222222aSCSaCSCA 1000010000333333333aSCSaCSCA 1000001000444444444aSCSaCSCA 10000010000055555CSSCA 10000100000066666CSSCA第第5步步 求出总变化矩阵求出总变化矩阵 1000)()()()()()()()(223
11、23423452346234652346523422323423415152341651623465234165162346523412232342341515234165162346523416516234652341654321aSaSaSSSCCCCSCCSaCaCaCSCCSCSSSCCSCCCSSSCSSCCCSaCaCaCCCSSCCSSSCSCCCCCSSSSCCCCAAAAAATHR 依次写出从基坐标系到手爪坐标系之间相邻两坐标系的依次写出从基坐标系到手爪坐标系之间相邻两坐标系的齐次齐次变换矩阵变换矩阵，它们依次连乘的结果就是末端执行器（手爪）在基坐，它们依次连乘的结果就是末端
12、执行器（手爪）在基坐标系中的空间描述，即标系中的空间描述，即已知已知q q1 1,q,q2 2, ,q,qn n，求，求 ，称为运动学正解；，称为运动学正解；已知已知 ，求，求q q1 1,q,q2 2, ,q,qn n，称为运动学反解。，称为运动学反解。上式称为上式称为运动方程运动方程。101000)()(0n0n1 -n221110nOPRpaonTqTqT综上：综上：正解正解反解反解1.5 1.5 机器人的逆运动学解机器人的逆运动学解 1000zzzzyyyyxxxxHRpaonpaonpaonT 1000)()()()()()()()(2232342345234623465234652
13、3422323423415152341651623465234165162346523412232342341515234165162346523416516234652341654321aSaSaSSSCCCCSCCSaCaCaCSCCSCSSSCCSCCCSSSCSSCCCSaCaCaCCCSSCCSSSCSCCCCCSSSSCCCCAAAAAATHR 给定机器人终端位姿，求各关节变量，给定机器人终端位姿，求各关节变量，称求机器人运动学逆解称求机器人运动学逆解。让我们通过下面这道例题来了解一下机器人逆运动学求解的一般步让我们通过下面这道例题来了解一下机器人逆运动学求解的一般步骤。前面例子最
14、后方程为：骤。前面例子最后方程为：求逆运动学方程的解求逆运动学方程的解 根据第根据第3行第行第4列元素对应相等可得到列元素对应相等可得到依次用依次用 左乘上面两个矩阵，得到：左乘上面两个矩阵，得到：11A 10000100056565223234234523462346523462346523422323423452346234652346234652341111111111111111CSSCSaSaSaSSSCCCCSSCCCSaCaCaCSCCSCCCSSCCCCPSPCaSaCoSoCnSnpaonSPCPSaCaSoCoSnCnyxyxyxyxzzZzyxyxyxyx180)arct
15、an(111 和和xypp根据根据1，4元素和元素和2，4元素，可得到：元素，可得到：将上面两个方程两边平方相加，并利用和差化积公式得到将上面两个方程两边平方相加，并利用和差化积公式得到322322242342423411332322322)()(cosaaaaaSpaCSpCpCCCSSzyx 于是有：于是有： 22323423422323423411aSaSaSpaCaCaCSpCpzyx 已知已知2331CS 于是可得到：于是可得到：333arctanCS 依次类推，分别在方程依次类推，分别在方程2.19两边左乘两边左乘A1A4的逆，可得到的逆，可得到 100000001000)()()
16、()(0)()()()(665656556565342342341123423411234234112342341123411111143423423411234234112342341123423411234CSCSSCSSSCCCaSaSpCPSPCSaCaSaCSoCoSoCSnCnSnCSaSaCoSoCnSnCaaCaCpSpSpCCaSaSaCCoSoSoCCnSnSnCCzyxzyxzyxzyxxyxyxyzyxxyxzyxzyxzyxyxzaaSaaSaCa)CSC180)arctan(1123423423423411234 （和和 接下来再一次利用式接下来再一次利用式由于由于
17、C12=C1C2-S1S2以及以及S12=S1C2+C1S2，最后得到：，最后得到：yxzyxxyzyxzyxyxzaCaSaSaSaCCaSaCCaSaSaaSpaSaCSpCpaaCaCSpCpaSaSpaaC112341123451152341123453223444234334234112334234113342342332)(arctan)CCS)()()()(arctan （，可以得到，可以得到再根据对应项元素相等再根据对应项元素相等进而可得：进而可得：22323423422323423411aSaSaSpaCaCaCSpCpzyx 最后用最后用A5的逆左乘式的逆左乘式2.67，再
18、利用，再利用2,1元素和元素和2,2元素，得到：元素，得到：zyxzyxoCoSoCSnCnSnCS23411234234112346)()(arctan 123456关节变量都是关节变量都是2.10 机器人的运动学编程机器人的运动学编程 在实际应用中，对运动学的求解是相当繁琐和耗时的，因此需在实际应用中，对运动学的求解是相当繁琐和耗时的，因此需要用计算机编程来实现。并且应尽量避免使用矩阵求逆或高斯消去要用计算机编程来实现。并且应尽量避免使用矩阵求逆或高斯消去法等相对繁琐的算法。正确的算法是：法等相对繁琐的算法。正确的算法是：333arctanCS yxzyxzyxyxzaCaSaSaSaCC
19、aSpaSaCSpCpaaCaCSpCpaSaSpaaC112341123453223444234334234112334234113342342332)(arctan)()()()(arctan zyxzyxoCoSoCSnCnSnCS23411234234112346)()(arctan )arctan(1xypp 2.11 设计项目设计项目 利用本书中所介绍的四自由度机器人，结合本章所学的知识利用本书中所介绍的四自由度机器人，结合本章所学的知识进行四自由度机器人的正逆运动学分析。进行四自由度机器人的正逆运动学分析。 SCARASCARA型机器人的运动学模型的建立，包括机器人运动学方程型机
20、器人的运动学模型的建立，包括机器人运动学方程的表示，以及运动学正解、逆解等，这些是研究机器人控制的重的表示，以及运动学正解、逆解等，这些是研究机器人控制的重要基础，也是开放式机器人系统轨迹规划的重要基础。为了描述要基础，也是开放式机器人系统轨迹规划的重要基础。为了描述SCARASCARA型机器人各连杆之间的数学关系，采用型机器人各连杆之间的数学关系，采用D-HD-H法。法。SCARASCARA型机器型机器人操作臂可以看作是一个开式运动链。它是由一系列连杆通过转人操作臂可以看作是一个开式运动链。它是由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成的。为了研究操作臂各连杆之间的位移关动或移动关节串联而成的。
21、为了研究操作臂各连杆之间的位移关系，可在每个连杆上固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间系，可在每个连杆上固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关系。的关系。SCARASCARA（Selective Compliance Assembly Robot ArmSelective Compliance Assembly Robot Arm装配机器人臂）机器人坐标系的建立装配机器人臂）机器人坐标系的建立 1.SCARA机器人坐标系建立原则根据机器人坐标系建立原则根据D-H坐标系建立方法，坐标系建立方法，SCARA机器人的每个关节坐标系的建立可参照以下的三原则机器人的每个关节坐标系的建立可参照以下的
22、三原则(1) 轴沿着第轴沿着第n个关节的运动轴个关节的运动轴;基坐标系的选择为基坐标系的选择为:当第一关节当第一关节变量为零时，零坐标系与一坐标系重合。变量为零时，零坐标系与一坐标系重合。(2) 轴垂直于轴垂直于 轴并指向离开轴并指向离开 轴的方向。轴的方向。(3) 轴的方向按右手定则确定。轴的方向按右手定则确定。 2.构件参数的确定根据构件参数的确定根据D-H构件坐标系表示法，构件本身构件坐标系表示法，构件本身的结构参数的结构参数 、 和相对位置参数和相对位置参数 、 可由以下的方法确定可由以下的方法确定:(1) 为绕为绕 轴轴(按右手定则按右手定则)由由 轴到轴到 轴的关节角。轴的关节角。
23、(2) 为沿为沿 轴，将轴，将 轴平移至轴平移至 轴的距离。轴的距离。(3) 为沿为沿 轴从轴从 量至量至 轴的距离。轴的距离。(4) 为绕为绕 轴轴(按右手定则按右手定则)由由 轴到轴到 轴的偏转角。轴的偏转角。nznxnznynz1na1nndnnnz1nxnxndnz1nxnx1na1nx1nznz1n1nx1nznz 3.变换矩阵的建立全部的连杆规定坐标系之后，就可以按照变换矩阵的建立全部的连杆规定坐标系之后，就可以按照下列的顺序来建立相邻两连杆下列的顺序来建立相邻两连杆n-1和和n之间的相对关系之间的相对关系:(1)绕绕 轴转轴转 角。角。(2)沿沿 轴移动轴移动 。(3)绕绕 轴转
24、轴转 角。角。(4)沿沿 轴移动轴移动 。这种关系可由表示连杆这种关系可由表示连杆n对连杆对连杆n-1相对位置齐次变换相对位置齐次变换 来表来表征。即：征。即：展开上式得展开上式得 1nx1n1nx1nanznnzndnnT1),(),(),(),(11111nntnnrnntnnrnndzTzTaxTxTT111111111cossin0sincoscoscossinsinsinsincossincoscos0001nnnnnnnnnnnnnnnnnnnadTd由于由于 描述第描述第n个连杆相对于第个连杆相对于第n-1连杆的位姿，对于连杆的位姿，对于SCARA教学机器人教学机器人(四个自由度
25、四个自由度)，机器人的末端装置即为连杆，机器人的末端装置即为连杆4的坐标系，它与基座的关系为的坐标系，它与基座的关系为: nnT10012341234TT T T T如上图坐标系，可写出连杆如上图坐标系，可写出连杆n相对于相对于n-1变换矩阵变换矩阵 : 其中：其中： 以下相同。以下相同。相应连杆初始位置及参数列于表相应连杆初始位置及参数列于表2.4，表中，表中 、 为关节变量。为关节变量。 nnT1111101000000100001csscT221221200000100001cslscT223310001000010001lTd444434000000100001csscTcos,sin
26、nnnncsnnd构件10001020010300104000101na1nndn1cosn1sinn1l2l3d124 各连杆变换矩阵相乘，可得到各连杆变换矩阵相乘，可得到SCARA机器人末端执行器的位姿机器人末端执行器的位姿方程方程(正运动学方程正运动学方程)为下为下 式它表示了式它表示了SCARA手臂变换矩阵手臂变换矩阵 ，它描，它描述了末端连杆坐标系述了末端连杆坐标系4相对基坐标系相对基坐标系0的位姿的位姿 。SCARA机器人的正运动学分析机器人的正运动学分析 40T 001234112233441 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 221
27、 22111 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 2 41 20 0 0 100 xxxxyyyyzzzzn o apn o apTTTT d Tn o apccc sss css scsccs sss csc sccccl ssl clscc csc sss ccsscs css ssc cccsc21 221130010000l csl sld SCARA机器人的逆运动学分析机器人的逆运动学分析 1.求关节变量求关节变量 为了分离变量，对方程的两边同时为了分离变量，对方程的两边同时左乘左乘 ,得得:即：即：1 0111T 010123114223344TT
28、TTdT112 42 42 42 42 21112 42 42 42 42 230 000 0000 1 000100 0 100010001xxxxyyyyzzzzcsnoapccs sc ssccllscnoapscc ss sccslnoapd 左右矩阵中的第一行第四个元素左右矩阵中的第一行第四个元素(1.4)，第二行第四个元素，第二行第四个元素(2.4)分别相等。即分别相等。即: 由以上两式联立可得由以上两式联立可得: 式中：式中： 112211122cossincossincossinxyxyppllppl211arctanAA222212221;arctan2xyyxxyllppp
29、Aplpp2 求关节变量求关节变量 由式由式(2.87)可得可得: 式中：式中：21211sinarctancosrrl22;arctanyxyxprppp3 求关节变量求关节变量 再令左右矩阵中的第三行第四个元再令左右矩阵中的第三行第四个元素素(3.4)相等，可得相等，可得: 4 求关节变量求关节变量 再令左右矩阵中的第一行第一个元再令左右矩阵中的第一行第一个元素、第二行第一个元素素、第二行第一个元素(1.1，2.1)分别相等，即：分别相等，即：由上两式可求得由上两式可求得: 3d3zdp 4112424112424cossincoscossinsinsincossincoscossinxy
30、xynnnn114211sincosarctancossinxyxynnnn 至此，机器人的所有运动学逆解都已求出。在逆解的至此，机器人的所有运动学逆解都已求出。在逆解的求解过程中只进行了一次矩阵逆乘，从而使计算过程大为求解过程中只进行了一次矩阵逆乘，从而使计算过程大为简化，从简化，从 的表达式中可以看出它有两个解，所以的表达式中可以看出它有两个解，所以SCARA机器人应该存在两组解。运动学分析提供了机器人运动规机器人应该存在两组解。运动学分析提供了机器人运动规划和轨迹控制的理论基础。划和轨迹控制的理论基础。1 对机器人相关概念的补充对机器人相关概念的补充退化：退化：当机器人失去一个自由度，并
31、因此不按所期望的状当机器人失去一个自由度，并因此不按所期望的状态运动时即称为退化。态运动时即称为退化。退化发生条件：退化发生条件：1.机器人达到物理极限，不能进一步运动机器人达到物理极限，不能进一步运动2.两个相似关节共线两个相似关节共线不灵巧区域：不灵巧区域：能对机器人定位不定姿的区域称为不灵巧区能对机器人定位不定姿的区域称为不灵巧区域。域。D-H法的局限性：法的局限性：无法表示关于无法表示关于y轴的运动。轴的运动。退化状态下的机器人退化状态下的机器人总总 结结1 用矩阵表示点，向量，坐标系及变换的方法用矩阵表示点，向量，坐标系及变换的方法2 正逆运动学方程的建立正逆运动学方程的建立3 用用
32、D-H法建立坐标系及变化方程法建立坐标系及变化方程4 正逆运动学方程的求解正逆运动学方程的求解9.2 机器人杆件，关节和它们的参数 9.2.1 杆件与关节n操作机由一串用转动或平移（棱柱形）关节连接的刚体（杆件）组成n每一对关节杆件构成一个自由度，因此N个自由度的操作机就有N对关节杆件。n0号杆件（一般不把它当作机器人的一部分）固联在机座上，通常在这里建立一个固定参考坐标系，最后一个杆件与工具相连n关节和杆件均由底座向外顺序排列，每个杆件最多和另外两个杆件相联，不构成闭环。 关节：n一般说来，两个杆件间是用低副相联的n只可能有6种低副关节：旋转（转动）、棱柱（移动）、圆柱形、球形、螺旋和平面，
33、其中只有旋转和棱柱形关节是串联机器人操作机常见的，各种低副形状如下图所示：旋转旋转棱柱形棱柱形柱形柱形球形球形螺旋形螺旋形平面平面AiAi+1Ai-1 杆件参数的定义 、 、 和n l 和 l在 A 轴 线上的交点之间 的距离。iidiAiAi+1iilid1iliAi-1idn l 和和 l之间的夹之间的夹 角，按右手定则角，按右手定则 由由l转向转向 l。 由运动学的观点来看，杆件保持其两端关节间的形态由运动学的观点来看，杆件保持其两端关节间的形态不变，这种形态由两个参数决定：杆件长度不变，这种形态由两个参数决定：杆件长度 li 和杆件扭和杆件扭转角转角 。杆件的相对位置关系，由另外杆件的
34、相对位置关系，由另外两两个参数决定：个参数决定：杆件的距离杆件的距离 di 和杆件的回转角和杆件的回转角 。iiilin li ii v 上述上述4个参数，就确定了杆件的结构形态和相邻杆件相个参数，就确定了杆件的结构形态和相邻杆件相对位置关系。在转动关节中，对位置关系。在转动关节中，li, i, di是固定值，是固定值，i是变量。是变量。在移动关节中，在移动关节中，li, i , i是固定值，是固定值， d i 是变量。是变量。9.3 机器人关节坐标系的建立n 对于每个杆件都可以在关节轴处建立一个正规的笛卡对于每个杆件都可以在关节轴处建立一个正规的笛卡儿坐标系（儿坐标系（xi, yi, zi）
35、，（），（i=1, 2, , n），），n是自由度是自由度数，再加上基座坐标系，一共有（数，再加上基座坐标系，一共有（n+1）个坐标系。）个坐标系。n 基座坐标系基座坐标系 O0定义为定义为0号坐标系（号坐标系（x0, y0, z0）,它也是它也是机器人的惯性坐标系，机器人的惯性坐标系，0号坐标系在基座上的位置和号坐标系在基座上的位置和方向可任选，但方向可任选，但z0轴线必须与关节轴线必须与关节1的轴线重合，位的轴线重合，位置和方向可任选置和方向可任选；n 最后一个坐标系（最后一个坐标系（n关节），可以设在手的任意部位，关节），可以设在手的任意部位，但但必须保证必须保证 zn与与zn-1 垂直
36、垂直。n 机器人关节坐标系的建立主要是为了描述机器人各杆件和终端之间的相对运动，对建立运动方程和动力学研究是基础性的工作。n 为了描述机器人各杆件和终端之间转动或移动关系，Denavit和Hartenberg于1955年提出了一种为运动链中每个杆件建立附体坐标系的矩阵方法（D-H方法） ，建立原则如下： D-H关节坐标系建立原则u右手坐标系右手坐标系u原点原点Oi：设在：设在li与与Ai+1轴线的交点上轴线的交点上 uZi轴轴： 与与Ai+1关节轴重合，指向任意关节轴重合，指向任意 uXi轴轴： 与公法线与公法线Li重合，指向沿重合，指向沿Li由由Ai轴线指向轴线指向Ai+1轴线轴线 uYi轴
37、轴： 按右手定则按右手定则 关节坐标系的建立方法AiAi+1iilid1iliAi-11iz1ix1iy1ioizixiyion 原点Oi：设在li与Ai+1轴线的交点上 n zi轴：与Ai+1关节轴重合，指向任意 n xi轴：与公法线li重合，指向沿li由Ai轴线指向Ai+1轴线 n yi轴：按右手定则 沿 xi 轴， zi-1 轴与 xi 轴交点到 0i 的距离 绕 xi 轴，由 zi-1 转向zi 沿 zi-1 轴，zi-1 轴和 xi 交点至0i 1 坐标系原点的距离 绕 zi-1 轴，由 xi-1转向 xi两种特殊情况n 两轴相交，怎么建立坐标系？ Oi Ai与Ai+1关节轴线的 交
38、点； zi Ai+1轴线； xi zi和zi-1构成的平面的 法线 ； yi 右手定则；-1iizzAiAi+1zi-1zixiyiOin两轴平行，怎么建立坐标系(Ai与Ai+1平行)？先建立 Oi-1然后建立Oi+1最后建立 Oi-1iO D Ai-1AiAi+1Ai+2li-1oi-1xi-1yi-1zi-1ABDCoi（xi）（yi）zixiyioi+1xi+1yi+1zi+1di+1li+1di注意：注意： 由于由于Ai和和Ai+1平行，所以公法线平行，所以公法线 任意点在任意点在A点位置；点位置； 按照先前的定义，按照先前的定义，di为为Oi-1点和点和A点之间的距离，点之间的距离，
39、di+1为为B点和点和C点间点间的距离，这样设定可以的，但我们可以变更一下，将的距离，这样设定可以的，但我们可以变更一下，将0i点放在点放在C点，点，定义定义Oi在在li+1和和Ai+1轴的交点上，这样使轴的交点上，这样使di+1=0使计算简便，此时使计算简便，此时di= 9.4 相邻关节坐标系间的齐次变换过程 机器人运动学正解n将xi-1轴绕 zi-1 轴转 i 角度，将其与xi轴平行；n沿 zi-1轴平移距离 di ，使 xi-1 轴与 xi 轴重合；n沿 xi 轴平移距离 li，使两坐标系原点及x轴重合；n绕 xi 轴转 i 角度，两坐标系完全重合AiAi+1iilid1iliAi-11iz1ix1iy1ioizixiyio111A(,)(,)( , ) ( ,)iiiiiiiiiiR zTrans zd Trans x l R x 机器人的运动学正解方程001112iiiTAAA D-H变换矩阵变换矩阵iiA1100010000100001id1000010000cossin00sincosiiii100001000010001il10000cossin00sincos00001iiii1000cossin0sincossincoscossincossinsinsincoscosiiiiiiiiiiiiiiiiidaa=
