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1、LOGO机器人学技术基础机器人学技术基础雅可比矩阵雅可比矩阵机器人学院运动学方程只限于静态位运动学方程只限于静态位置问题的讨论，未涉及机置问题的讨论，未涉及机器人运动的速度、加速度器人运动的速度、加速度和力等动态过程。和力等动态过程。动力学主要研究运动和动力学主要研究运动和力的关系。力的关系。雅可比矩阵雅可比矩阵一、引入一、引入机器人学院机器人学院1.X=X(q)的运动方程式的运动方程式可否用可否用3个参数简便描个参数简便描述手部姿态？述手部姿态？角度设定法角度设定法“角度设定法角度设定法”就是就是 采用相对参考坐标系或相对运动坐标系作三次连续转动来规采用相对参考坐标系或相对运动坐标系作三次连
2、续转动来规定姿态的方法，。定姿态的方法，。手部位姿可用一个手部位姿可用一个6维列矢量来表示维列矢量来表示机器人学院机器人学院设设q为广义关节变量为广义关节变量则则:故用角度设定法表示手部姿态时机器人的运动学方程可写成故用角度设定法表示手部姿态时机器人的运动学方程可写成表示了手部位姿表示了手部位姿X与关节变量与关节变量q之间的关系。之间的关系。机器人学院机器人学院机器人学院机器人学院2.关节空间与操作空间关节空间与操作空间关节空间：关节空间：n n个自由度的操作臂的末端位姿由个自由度的操作臂的末端位姿由n n个关个关节变量所决定，这节变量所决定，这n n个关节变量统称为个关节变量统称为n n维矢
3、量，记为维矢量，记为q q，所有的关节矢量，所有的关节矢量q q构成的空间称为关节空间。构成的空间称为关节空间。操作空间：末端手爪位姿操作空间：末端手爪位姿X X是在直角坐标空间中描述是在直角坐标空间中描述的，即用操作空间或作业定向空间来表示。的，即用操作空间或作业定向空间来表示。运动学方程X=X(q)可以看成是由关节空间向操作空间的映射；而运动学反解则是由操作空间向关节空间的映射。机器人学院机器人学院二、机器人的雅可比矩阵二、机器人的雅可比矩阵v图示为二自由度平面关节型机器人(2R机器人)，端点位置X、Y与关节1、2的关系为机器人学院机器人学院v将其微分得将其微分得 dX=Jd J称为二自由
4、度平面关节型机器人的速度雅可比矩阵。速度雅可比矩阵反映了关节空间的微小运动d与手部空间（操作空间）微小位移dX的关系。机器人学院机器人学院v对该二自由度机器人运动方程进行计算，则其雅可比可写为从J中元素组成可见，J矩阵的值是1和2的函数。机器人学院机器人学院v推而广之，对于n自由度机器人，关节变量可用广义关节变量q表示q=q1,q2,qnT当关节为转动关节时当关节为转动关节时qi=i；当关节为移动关节时当关节为移动关节时qi=di，vdq=dq1，dq2,dqnT，反映了关节空间的微小运动。机器人末端在操作空间的位置和方位可用末端手爪的位姿机器人末端在操作空间的位置和方位可用末端手爪的位姿X表
5、示，表示，它是关节变量的函数，它是关节变量的函数，X=X(q)，并且是一个，并且是一个6维列矢量。维列矢量。dX=dX,dY,dZ,X,Y,Z T反映了操作空间的微小运动，它由反映了操作空间的微小运动，它由机器人末端微小线位移和微小角位移机器人末端微小线位移和微小角位移(微小转动微小转动)组成组成.dX=J(q)dq 重点J(q)称为称为n自由度机器人自由度机器人速度雅可比矩阵。速度雅可比矩阵。机器人学院机器人学院(1)每一列表示其他关节不动而某每一列表示其他关节不动而某一关节运动的端点速度；一关节运动的端点速度；雅可比矩阵的含义：雅可比矩阵的含义：(2)前三行代表手部线速度与关节前三行代表手
6、部线速度与关节速度传递比；后三行代表手部角速度传递比；后三行代表手部角速度与关节速度传递比。速度与关节速度传递比。机器人学院机器人学院v雅可比矩阵研究操作空间速度与关节空间速度线性映射关系，同时也用来表示空间之间力的传递关系。数学上，雅可比矩阵是一个多元函数的偏导矩阵。机器人学中，雅可比是一个把关节速度向量变换为手爪相对基坐标的广义速度向量v的变换矩阵。在机器人速度分析和静力分析中都将用到雅可比。雅可比矩阵的第i行第j列元素为机器人学院机器人学院v(1)工业机器人的速度分析dX=J(q)dq两边同除以dt得或写为或写为式中：式中：v为机器人末端在操作空间中的广义速度；为机器人末端在操作空间中的
7、广义速度；q为机器人关节在关节空间中的关节速度；为机器人关节在关节空间中的关节速度；J(q)为确定关节空间速度与操作空间速度为确定关节空间速度与操作空间速度v之间关系的雅可比之间关系的雅可比矩阵。矩阵。机器人学院机器人学院v对该二自由度机器人来说，J(q)是一个2*2的矩阵。机器人学院机器人学院v例例 如图所示的二自由度机械手，手部沿固定坐标系如图所示的二自由度机械手，手部沿固定坐标系X0轴正向以轴正向以1.0 m/s的速度移动，杆长的速度移动，杆长l1=l2=0.5 m。设在某瞬时。设在某瞬时1=30，2=60，求相应瞬时的关节速度。求相应瞬时的关节速度。机器人学院机器人学院机器人学院机器人
8、学院上述计算中，当2趋于0或180时，机械手的雅可比行列式为0，其逆不存在，此时机械手处于奇异状态，相应关节速度将趋于无穷大。从几何上看，机械手完全伸直或完全缩回时，机械手末端丧失了径向自由度，仅能沿切向运动。在奇异形位时，机械手在操作空间的自由度将减少。机器人学院机器人学院v机器人的奇异形位分为两类：v(1)边界奇异形位：当机器人臂全部伸展开或全部折回时，使手部处于机器人工作空间的边界上或边界附近，出现雅可比矩阵奇异，机器人运动受到物理结构的约束。这时相应的机器人形位叫做边界奇异形位。v(2)内部奇异形位：两个或两个以上关节轴线重合时引起的奇异。当出现奇异形位时，会产生退化现象。当机构处于奇
9、异位形时其Jacobian矩阵为奇异阵，行列式值为零，此时机构速度反解不存在，存在某些不可控的自由度。另外当机构处于奇异位形附近时，关节速度将趋于无穷大，从而造成机器人的损坏，因此在设计和应用机器人时应避开奇异位形。机器人学院机器人学院v机器人在工作状态下会与环境之间引起相互作用的力和力矩。机器人各关节的驱动装置提供关节力和力矩，通过连杆传递到末端执行器，克服外界作用力和力矩。v关节驱动力和力矩与末端执行器施加的力和力矩之间的关系是机器人力控制的基础。（2）力雅可比与静力计算）力雅可比与静力计算机器人与外界环境相互作用时，在接触的地方要产生力f和力矩n，统称为末端广义力矢量。记为:在静止状态下
10、，广义操作力F应与各关节的驱动力相平衡。n个关节的驱动力组成的n维矢量机器人学院机器人学院虚功原理（虚位移原理）：对于任何可能的虚位移，作用于刚体系的所有外力所做的虚功之和为零。各关节所做虚功之和为：末端执行器所做虚功为：两者所做虚功应相等，总的虚功为零：即，机器人学院机器人学院假定关节无摩擦，并忽略各杆件的重力，则广义关节力矩假定关节无摩擦，并忽略各杆件的重力，则广义关节力矩与机器与机器人手部端点力人手部端点力F的关系可用下式描述：的关系可用下式描述：=JTF式中：式中：JT为为n*6阶机器人阶机器人力雅可力雅可比矩阵比矩阵，并且是机器人，并且是机器人速度雅可比速度雅可比J的转置矩阵。的转置
11、矩阵。它表示静态平衡状态下，操作力向关节力映射的线性关系。思考与速度雅可比有什么不同机器人学院机器人学院v机器人静力计算的两类问题(1)已知外界环境对机器人手部的作用力已知外界环境对机器人手部的作用力F，求相应的满足，求相应的满足静力平衡条件的关节驱动力矩静力平衡条件的关节驱动力矩。(2)已知关节驱动力矩已知关节驱动力矩，确定机器人手部对外界环境的作，确定机器人手部对外界环境的作用力或负载的质量。用力或负载的质量。第二类问题是第一类问题的第二类问题是第一类问题的逆解。逆解的关系式为逆解。逆解的关系式为 F=(JT)1机器人学院机器人学院关节空间和操作空间的速度映射和静力映射的线性关系。n为关节数，m表示操作空间维数。J(q)为m*n维矩阵机器人学院机器人学院机器人学院机器人学院机器人学院机器人学院机器人学院机器人学院练习练习 求平面三连杆机器人的速度雅可比矩阵、力雅可比矩阵。