最新第一章-齐次变换教学讲义PPT课件.ppt

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1、第一章-齐次变换引言要实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，完成预定的作业任务，就必须知道机器人在空间瞬时的位置与姿态。如何计算机器人手部在空间的位姿是实现对机器人的控制首先要解决的问题。本章讨论机器人运动学的基本问题，将引入齐次坐标变换。推导出坐标变换方程；利用DH参数法，进行机器人的位姿分析；介绍机器人正向和逆运动学的基础知识。主要内容数学基础——齐次坐标变换机器人运动学方程的建立（正运动学）机器人逆运动学分析已知两个向量a=axi+ayj+azkb=bxi+byj+bzk（1.1）向量的点积是标量。用“·”来定义向量点积，即a·b=axbx

2、+ayby+azbz（1.2）向量的叉积是一个垂直于由叉积的两个向量构成的平面的向量。用“×”表示叉积，即a×b=(aybz¯azby)i+(azbx¯axbz)j+(axby¯ayby)k（1.3）可用行列式表示为ijka×b=axayaz（1.4）bxbybz1.2.2平面（Planes）平面可用一个行矩阵表示，即p=[abcd]（1.5）它表示了平面p的法线方向，且距坐标原点的距离为－d/m，其中m=（1.6）如图1.2所示，如果将x－y平面沿z轴正方向平移一个单位距离，构成平面p，则p=[001-1]即a=0,b=0,c=1,d=-1,m

3、==1平面p上任一点v为v=[xy11]T，它与平面p的点乘为零，即p•v=0平面p上方任一点v，如v=[0021]T，它与平面p的点乘为一个正数，即p•v=1平面p下方任一点v，如v=[0001]T，它与平面p的点乘为一个负数，即p•v=-1注意：平面[0000]无定义。a2+b2+c2a2+b2+c2图1.2平面的描述0•vpzyx1yxH空间的变换是由4×4矩阵来完成的，它可以表示平移、旋转、扩展和透视等各种变换。如已知点u（在平面p上）,它的变换v（在平面q上）用矩阵积表示为v=Hu（1.7）其中H为4×4变换矩阵，u和v为4×1的点列向

4、量，相应的平面p到q的变换是q=pH-1（1.8）其中H-1为H的逆阵，p和q为1×4的平面行向量。经变换后的平面向量q与点向量v的点乘为q·v=pH-1·Hu＝p·u（1.9）与变换前平面p与点u的点乘相等，证明了变换的等效性。1.3变换(Transformation)1.4平移变换（Translationtransformation）用向量h＝ai+bj+ck进行平移，其相应的H变换矩阵是100a010bH=Trans(abc)=001c(1.10)0001因此对向量u=[xyzw]T，经H变换为向量v可表示为x+awx/w+ay+bwy/w

5、+bv=z+cw=z/w+c(1.11)w1可见，平移实际上是对已知向量u=[xyzw]T与平移向量h=[abc1]T相加。【例1.1】对点向量u=[2321]T进行平移，平移向量为h=[4-371]T，则平移后的向量为v=[6091]T，或100426010―330v=H∙u=00172=9000111点向量的平移过程如图1.3所示。对平面的平移则用H－1进行变换，如对平面p=[100-2]进行H变换为平面q，则根据变换原理有100-40103q＝pH－1＝[100-2]001-70001＝[100-6]平面p＝[100-2]是y－z平面沿x正

6、方向移动2个单位形成的平面（图1.3），点u=[2321]T是平面p上的一个点，它们的点乘p∙u=0。经H变换后的平面q＝[100-6]是y－z平面沿x正方向移动6个单位形成的平面，点v=[6091]T是平面q上一个点，平面q与点v的点乘也应是零，即q∙v＝0，说明变换前后的结果不变，证明H变换是正确的。u•0zyx3P22图1.3点向量的平移•v69qp1.5旋转变换（Rotationtransformation）如图1.4所示，绕x,y,z轴旋转一个θ角的相应变换是10000cosθ-sinθ0Rot(x,θ)=0sinθcosθ0（1.12

7、）0001cosθ0sinθ00100Rot(y,θ)=-sinθ0cosθ0(1.13)0001cosθ-sinθ00sinθcosθ00Rot(z,θ)=0010(1.14)0001注意：θ角旋转的正方向遵循右手螺旋法则（如图1.4所示）图1.4旋转变换θ0zyxθθ【例1.2】点u=7i+3j+2k，它绕z轴旋转90°为v，经式（1.14）变换得到（sinθ=1，cosθ=0）0-1007-3100037v=Rot(z,90°)=00102＝2000111起始点u和终点v如图1.5所示。如将v点再绕y轴旋转90°得到w。用式（1.13）变换

8、得到0010-32010077w=Rot(y,90°)=-10002＝3000111结果如图1.6所示。如果将上述两次旋转结合起来，写成