其余的比较简单,大家可以自己考虑。
3. 坐标系}B {的位置变化如下:初始时,坐标系}A {与}B {重合,让坐标系}B {绕B Z 轴旋转θ角;然后再绕B X 旋转φ角。
给出把对矢量P B 的描述变为对P A描述的旋转矩阵。
解: 坐标系}B {相对自身坐标系(动系)的当前坐标系旋转两次,为相对变换,齐次变换顺序为依次右乘。
∴对P A 描述有 P T P BA B A = ;其中 ),(),(φθx Rot z Rot T AB = 。
9. 图2-10a 示出摆放在坐标系中的两个相同的楔形物体。
要求把它们重新摆放在图2-10b 所示位置。
(1)用数字值给出两个描述重新摆置的变换序列,每个变换表示沿某个轴平移或绕该轴旋转。
(2)作图说明每个从右至左的变换序列。
(3)作图说明每个从左至右的变换序列。
解:(1)方法1:如图建立两个坐标系}{1111z y x o 、}{2222z y x o ,与2个楔块相固联。
图1:楔块坐标系建立(方法1)对楔块1进行的变换矩阵为:)90,()90,(1z Rot y Rot T = ;对楔块2进行的变换矩阵为:)180,()90,()90,()4,0,3(oo 02o 2z Rot x TRot z Rot Trans T --= ;其中 ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=100001005010000102T ; 所以 :⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=10000010000101001T ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=10004010000121002T 对楔块2的变换步骤:① 绕自身坐标系X 轴旋转︒90; ② 绕新形成的坐标系的Z 轴旋转︒180; ③ 绕定系的Z 轴旋转︒-90; ④ 沿定系的各轴平移)4,0,3(-。
方法2:如图建立两个坐标系}{1111z y x o 、}{2222z y x o 与参考坐标系重合,两坐标系与2个楔块相固联。
图1:楔块坐标系建立(方法2)对楔块1进行的变换矩阵为:)90,()90,(1z Rot y Rot T = ; 对楔块2进行的变换矩阵为:)90,()180,()90,()0,0,4()9,0,2(o o o 2--=z Rot x Rot y Rot Trans Trans T ;所以 :⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=10000010000101001T ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=10009010000121002T 。
备注:当建立的相对坐标系位置不同时,到达理想位置的变换矩阵不同。
(2)、(3)略。
2. 图3-11 给出一个3自由度机械手的机构。
轴1和轴2垂直。
试求其运动方程式。
解:方法1建模:如图3建立各连杆的坐标系。
图3:机械手的坐标系建立根据所建坐标系得到机械手的连杆参数,见表1。
表1:机械手的连杆参数连杆i αi a i d i θ1o 901L1θ2 02L2θ 3 0 0 03θ该3自由度机械手的变换矩阵: 32130A A A T = ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=1000001000111111111θθθθθθs L c s c L s c A ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100010000222222222θθθθθθs L c s c L s c A ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=10000100000033333θθθθc s s c A ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-++----+---=1000223232323221211132132132132121211132132132132130θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθs L c c s s s c c s c s L s L c c s s s c s s s s c c s c c L c L s c s c s c c s s c c c c T方法二进行建模:坐标系的建立如图4所示。
图4:机械手的坐标系建立根据所建坐标系得到机械手的连杆参数,见表2。
表2:机械手的连杆参数⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=10000100000011111θθθθc s s c A ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=10000001000221222θθθθc s L s c A ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=1000100000332333θθθθc s L s c A ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-++----+---=1000223232323221211132132132132121211132132132132130θθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθθs L c c s s s c c s c s L s L c c s s s c s s s s c c s c c L c L s c s c s c c s s c c c c T3. 图3-12 所示3 自由度机械手,其关节1与关节2相交,而关节2与关节3平行。
图中所示关节均处于零位。
各关节转角的正向均由箭头示出。
指定本机械手各连杆的坐标系,然后求各变换矩阵10T ,21T 和32T 。
解:对于末端执行器而言,因为单独指定了末端执行器的坐标系,则要确定末端执行器与最后一个坐标系之间的变换关系。
方法1建模:按照方法1进行各连杆的坐标系建立,建立方法见图5。
图5:机械手的坐标系建立连杆3的坐标系与末端执行器的坐标系相重合。
机械手的D-H 参数值见表3。
表3:机械手的连杆参数连杆i αi a i d i θ1 o 9021L L + 1θ 20 3L2θ 30 4L0 3θ末端执行器4θ注:关节变量 04321====θθθθ 。
将表3中的参数带入得到各变换矩阵分别为:⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+-=1000010010000012110L L T ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000010********321L T ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=100001000010001432L T ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000010*********3末T方法2建模:按照方法2进行各连杆的坐标系建立,建立方法见图6。
图6:机械手的坐标系建立3自由度机械手的D-H 参数值见表4。
表4:机械手的连杆参数连杆1-i α 1-i a i d i θ1 00 21L L + 1θ 2o 902θ 30 3L0 3θ末端执行器4L 04θ注:关节变量 04321====θθθθ 。
将表4中的参数带入得到各变换矩阵分别为:⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+=1000100001000012110L L T ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100000100100000121T ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=100001000010001332L T ; ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=10000100001000143L T 末1. 已知坐标系}C {对基座标系的变换为:⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=1000000131004010C ;对于基座标系的微分平移分量分别为沿X 轴移动0.5,沿Y 轴移动0,沿Z 轴移动1;微分旋转分量分别为0.1,0.2和0。
(1) 求相应的微分变换;(2) 求对应于坐标系}C {的等效微分平移与旋转。
解:(1)对基座标系的微分平移:T d ]1,0,5.0[=;对基座标系的微分旋转: T ]0,2.0,1.0[=δ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=∆0000101.02.001.0005.02.000; 相应的微分变换:⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=∆=00005.01.02.000001.05.0002.0c dc (2)由相对变换C 可知n 、o 、a 、p ,5.0))((=+⨯⋅=d p n d x cδ;5.0))((=+⨯⋅=d p o d y c δ;0))((=+⨯⋅=d p a d z c δ0=⋅=δδn x c;1.0=⋅=δδo y c ;2.0=⋅=δδa z c对应于坐标系}{C 的等效微分平移:]0;5.0;5.0[=d c ;微分旋转:]2.0;1.0;0[=δc 。
2. 试求图3.11所示的三自由度机械手的雅可比矩阵,所用坐标系位于夹手末端上,其姿态与第三关节的姿态一样。
解:设第3个连杆长度为3L 。
1)使用方法1建模,末端执行器的坐标系与连杆3的坐标系重合,使用微分变换法。
图7:机械手的坐标系建立表5:D-H 参数表连杆i αi a i d i θ1 o 901L 0 1θ 22L2θ 3 0 03θ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+++-+=100001000)()(0)()(22323222323231θθθθθθθθθθs L c s c L s c T ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=10001000000333332θθθθc s s c T ; E T =33; 由上式求得雅可比矩阵:⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=11000000000000003232θθc L s L J T;2)使用方法2建模,使用微分变换法。
图8:机械手的坐标系建立表6:D-H 参数表连杆1-i α 1-i a i d i θ1 00 0 1θ 2o 901L2θ 3 02L3θ⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡++-++-+=10000)()(01000)()(223232221323231θθθθθθθθθθs L c s c L L s c T ;⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=100001000003323332θθθθc s L s c T ;E T =33;由上式求得雅可比矩阵:⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++--=11000)(00)(00000032322213232θθθθθθθc s c L L c L s L J T;。