2.12. Zadania odwrotne kinematyki

Podobne dokumenty
2.9. Kinematyka typowych struktur manipulatorów

3.1. Jakobian geometryczny

Jakobiany. Kinematykę we współrzędnych możemy potraktować jako operator przekształcający funkcje czasu

Podstawy robotyki. Wykład II. Robert Muszyński Janusz Jakubiak Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki Politechnika Wrocławska

Manipulatory i roboty mobilne AR S1 semestr 5

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 1

Co to jest wektor? Jest to obiekt posiadający: moduł (długość), kierunek wraz ze zwrotem.

Wprowadzenie do robotyki

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

GAL 80 zadań z liczb zespolonych

Algebra liniowa II. Lista 1. 1 u w 0 1 v 0 0 1

Podstawy robotyki wykład V. Jakobian manipulatora. Osobliwości

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

Wprowadzenie do robotyki

Wykład 14. Elementy algebry macierzy

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ. 1. Ciała

Obliczenia iteracyjne

= i Ponieważ pierwiastkami stopnia 3 z 1 są (jak łatwo wyliczyć) liczby 1, 1+i 3

Algorytm Grovera. Kwantowe przeszukiwanie zbiorów. Robert Nowotniak

Rozdział 2. Liczby zespolone

Drgania układu o wielu stopniach swobody

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

Zadania o liczbach zespolonych

D l. D p. Rodzaje baz jezdnych robotów mobilnych

Interpolacja funkcji

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Rozdział 3. Tensory. 3.1 Krzywoliniowe układy współrzędnych

Praca domowa - seria 2

Ogłoszenie. Egzaminy z TEORII MASZYN I MECHANIZMÓW dla grup 12A1, 12A2, 12A3 odbędą się w sali A3: I termin 1 lutego 2017 r. godz

ALGEBRA z GEOMETRIA, ANALITYCZNA,

POD- I NADOKREŚLONE UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Wstęp do metod numerycznych 14. Kilka wstępnych uwag na temat numerycznego rozwiazywania równań różniczkowych zwyczajnych

Zajęcia nr 1 (1h) Dwumian Newtona. Indukcja. Zajęcia nr 2 i 3 (4h) Trygonometria

3. Interpolacja. Interpolacja w sensie Lagrange'a (3.1) Dana jest funkcja y= f x określona i ciągła w przedziale [a ;b], która

UKŁADY ALGEBRAICZNYCH RÓWNAŃ LINIOWYCH

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

ROZWIĄZANIE PROBLEMU NIELINIOWEGO

Podstawy robotyki - opis przedmiotu

Modelowanie układów dynamicznych

Podstawy Robotyki Określenie kinematyki oraz dynamiki manipulatora

n=0 (n + r)a n x n+r 1 (n + r)(n + r 1)a n x n+r 2. Wykorzystując te obliczenia otrzymujemy, że lewa strona równania (1) jest równa

ELEKTROTECHNIKA Semestr 1 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Przedstaw w postaci algebraicznej liczby zespolone: (3 + 2j)(5 2j),

Algorytm kinematyki odwrotnej typu jakobianu pseudoodwrotnego dla manipulatorów mobilnych. Mariusz Janiak 1

Aproksymacja. j<k. L 2 p[a, b] l 2 p,n X = Lemat 1. Wielomiany ortogonalne P 0,P 1,...,P n tworza przestrzeni liniowej Π n. Dowód.

PROJEKT NR 1 METODA PRZEMIESZCZEŃ

Przykładowe zadania z teorii liczb

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 24 czerwca 2019 roku

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY

x y

Układy równań i równania wyższych rzędów

Rozdział 2. Liczby zespolone

1. Liczby zespolone i

i = [ 0] j = [ 1] k = [ 0]

Laboratorium Podstaw Robotyki ĆWICZENIE 5

Metody dekompozycji macierzy stosowane w automatyce

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ ANALITYCZNĄ zadania z odpowiedziami

Szkice rozwiązań zadań z arkuszy maturalnych zamieszczonych w 47. numerze Świata Matematyki, który można nabyć w sklepie na

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

WEKTORY I WARTOŚCI WŁASNE MACIERZY. = λ c (*) problem przybliżonego rozwiązania zagadnienia własnego dla operatorów w mechanice kwantowej

PODSTAWY ROBOTYKI. Opracował: dr hab. inż. Adam Rogowski

Lista nr 1 - Liczby zespolone

Równania różnicowe. Dodatkowo umawiamy się, że powyższy iloczyn po pustym zbiorze indeksów, czyli na przykład 0

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

Kinematyka robotów mobilnych

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 10. Dwupunktowe problemy brzegowe (BVP, Boundary Value Problems)

Rozwiązanie stateczności ramy MES

Wykłady z matematyki Liczby zespolone

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Matematyka stosowana i metody numeryczne

ZADANIA ZAMKNIETE W zadaniach 1-25 wybierz i zaznacz na karcie odpowiedzi poprawna

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

Programowanie dynamiczne i modele rekurencyjne w ekonomii Wykład 2

Komputerowa analiza zagadnień różniczkowych 6. Metoda diagramowa. Obszary stabilności. P. F. Góra

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY

Matematyka. rok akademicki 2008/2009, semestr zimowy. Konwersatorium 1. Własności funkcji

Granica i ciągłość funkcji. 1 Granica funkcji rzeczywistej jednej zmiennej rzeczywsitej

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY

MECHANIKA OGÓLNA (II)

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Podstawy robotyki wykład VI. Dynamika manipulatora

METODY KOMPUTEROWE W MECHANICE

Zadania egzaminacyjne

Matematyczne Metody Fizyki I Dr hab. inż. Mariusz Przybycień

Matematyczne Metody Fizyki I

Optymalizacja ciągła

Numeryczne metody optymalizacji Optymalizacja w kierunku. informacje dodatkowe

Kinematyka: opis ruchu

Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych

ALGEBRA LINIOWA 1. Lista zadań

WYMAGANIA WSTĘPNE Z MATEMATYKI

Mechanika Robotów. Wojciech Lisowski. 5 Planowanie trajektorii ruchu efektora w przestrzeni roboczej

Informatyka I Lab 06, r.a. 2011/2012 prow. Sławomir Czarnecki. Zadania na laboratorium nr. 6

Transkrypt:

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 1 2.12. Zadania odwrotne kinematyki Określenie zadania odwrotnego kinematyki T 0 N = [ ] n s a p = r 11 r 12 r 13 p x r 21 r 22 r 23 p y r 31 r 32 r 33 p z 0 0 0 1 Warunek istnienia rozwiazań Strategie rozwiazań: (a) rozwiazania w postaci jawnej: metoda geometryczna, metody algebraiczne (przez podstawianie, przez redukcję do wielomianu), (b) rozwiazania numeryczne: z wykorzystaniem jakobianu, algorytmu iteracyjnego rozwiazywania z.o.k. : metoda największego spadku, metoda Newtona-Raphsona, metoda wykorzystujaca kwaterniony. Odsprzężenie kinematyczne

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 2 2.12.1. Planarny 3DOF Rozwiazanie geometryczne Przykład: Robot planarny o 3 stopniach swobody y a 3 x 3 q 3 p y y 2 y 3 x 2 y 1 y 0 x 0 p a 1 x 1 a 2 q 2 q 1 p x x Rys. 32 T 0 3 = c 123 s 123 0 a 1 c 1 + a 2 c 12 s 123 c 123 0 a 1 s 1 + a 2 s 12 0 0 1 0 0 0 0 1 p 2 x + p 2 y = a 2 1 + a 2 2 2a 1 a 2 cos(π q 2 ) cos q 2 = p2 x + p 2 y a 2 1 a 2 2 2a 1 a 2 Musi być spełniony warunek: p 2 x + p 2 y a 1 + a 2 α = Atan2(p y, p x ) cos β p 2 x + p 2 y = a 1 + a 2 cos q 2 ( p 2 x + p 2 y + a 2 1 a 2 ) 2 β = arccos więc q 1 = α ± β 2a 1 p 2 x + p 2 y

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 3 przy czym β (0, π) (istnienie odpowiednich trójkatów) Rozwiazania algebraiczne Przykład 1: Robot planarny o 3 stopniach swobody ϕ = q 1 + q 2 + q 3 (91) p x = a 1 cos q 1 + a 2 cos(q 1 + q 2 ) p y = a 1 sin q 1 + a 2 sin(q 1 + q 2 ) (92) p 2 x + p 2 y = a 2 1 + a 2 2 + 2a 1 a 2 cos q 2 (93) sin q 2 = ± 1 cos 2 q 2 (94) q 2 = Atan2(sin q 2, cos q 2 ) (95) można odpowiednio pogrupować ( 92) p x = k 1 cos q 1 k 2 sin q 1 p y = k 1 sin q 1 + k 2 cos q 1 (96) gdzie: k 1 = a 1 + a 2 cos q 2, k 2 = a 2 sin q 2 po podstawieniu do (96) zależności r = k 2 1 + k 2 2 γ = Atan2(k 2, k 1 ) k 1 = r cos γ, k 2 = r sin γ (97)

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 4 otrzymujemy p x r = cosγ cos q 1 sin γ sin q 1 p y r = cos γ sin q 1 + sinγ cos q 1 czyli cos(γ + q 1 ) = p x, sin(γ + q r 1) = p y r więc q 1 = Atan2(p y, p x ) Atan2(k 2, k 1 ) (98) Inny sposób polega na podstawieniu rozwiazania na q 2 do układu równań (92) i rozwiazania układu równań. Wówczas otrzymujemy: cos q 1 = (a 1 + a 2 cos q 2 )p x + a 2 p y sin q 2 p 2 x + p 2 y sin q 1 = (a 1 + a 2 cos q 2 )p y a 2 p x sin q 2 p 2 x + p 2 y a następnie q 1 = Atan2(sin q 1, cos q 1 ) (99) Współrzędna uogólniona q 3 wyznaczymy ostatecznie z równania (91): q 3 = ϕ q 1 q 2 (100)

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 5 2.12.2. Manipulator z nadgarstkiem sferycznym Odsprzężenie kinematyczne Rys. 33 Podział zadania na dwa prostsze: zadanie odwrotne kinematyki dla pozycji nadgarstka p w, zadanie odwrotne kinematyki dla orientacji. Krok 1: Znajdujemy wektor p w (q 1, q 2, q 3 ) łacz acy poczatek układu odniesienia z punktem centralnym nadgarstka p w (q 1, q 2, q 3 ) = p d 6 R 0 6k = p d 6 a (101)

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 6 czyli p wx p wy = p x d 6 r 13 p y d 6 r 23 (102) p wz p z d 6 r 33 Krok 2: Rozwiazać zadanie odwrotne kinematyki dla wektora p w i znaleźć (q 1, q 2, q 3 ) Krok 3: Znaleźć macierz R 0 3(q 1, q 2, q 3 ) (z zadania prostego kinematyki) Krok 4: Znaleźć zestaw katów Eulera odpowiadajacy macierzy R 3 6(q 4, q 5, q 6 ): wzór (23, 24) dla katów odpowiednio (ϕ, ϑ, ψ) reprezentacji ZYZ R 0 6 = R 0 3R 3 6 R 3 6 = (R 0 3) 1 R 0 6 = (R 0 3) T R 0 6 (103)

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 7 2.12.3. Manipulator sferyczny Redukcja do wielomianu (T 0 1) 1 T 0 3 = T 1 2T 2 3 p 1 w = p wx c 1 + p wy s 1 p wz = d 3 s 2 d 3 c 2 (104) p wx s 1 + p wy c 1 d 2 czyli t = tan ϑ 1 2 c 1 = 1 t2 1+t 2 s 1 = 2t 1+t 2 (d 2 + p wy )t 2 + 2p wx t + d 2 p wy = 0 t = p wx ± p 2 w x + p 2 w y d 2 2 d 2 + p wy ϑ 1 = 2Atan2(p wx ± p 2 w x + p 2 w y d 2 2, d 2 + p wy ) (105) p wx c 1 + p wy s 1 p wz = d 3s 2 d 3 c 2 ϑ 2 = Atan2(p wx c 1 + p wy s 1, p wz ) (106) d 3 = (p wx c 1 + p wy s 1 ) 2 + p 2 w z (107) tylko dla d 3 > 0

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 8 2.12.4. Manipulator antropomorficzny Przykład: Robot Yasukawa z 3 x 3 z 4 y 3 z, z, x 0 1 2 z 2 p 5 0 x 5 x 4 z 5 x, x 0 1 Rys. 34 Tablica 1 Parametry ZDH dla robota Yasukawa L-3 Nr ogniwa α i 1 a i 1 d i θ i = q i σ i σ i 1 0 0 0 q 1 0 1 2 π/2 0 0 q 2 0 1 3 0 a 2 0 q 3 0 1 4 0 a 3 0 q 4 0 1 5 π/2 0 0 q 5 0 1

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 9 T 0 5 = T 0 1T 1 2T 2 3T 3 4T 4 5 (108) Pomnóżmy obustronnie to równanie przez (T 0 1) 1 : (T 0 1) 1 T 0 5 = T 1 2T 2 3T 3 4T 4 5 (109) Lewa strona tego równania ma postać: r 11 cos q 1 + r 21 sin q 1 r 12 cos q 1 + r 22 sin q 1 r 13 cos q 1 + r 23 sin q 1 r 11 sin q 1 + r 21 cos q 1 r 12 sin q 1 + r 22 cos q 1 r 13 sin q 1 + r 23 cos q 1 r 31 r 32 r 33 0 0 0 p x cos q 1 + p y sin q 1 p x sin q 1 + p y cos q 1 (110) p z 1 Prawa strona wzoru (109) przyjmie postać: sin(q 2 + q 3 + q 4 ) sin q 5 cos q 5 0 0 cos(q 2 + q 3 + q 4 ) 0 0 0 1 (111) p x sin q 1 + p y cos q 1 = 0 (112) co pozwoli wyznaczyć współrzędna uogólniona q 1 : q 1 = Atan2(p y, p x ) (113)

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 10 sin q 5 = r 11 sin q 1 + r 21 cos q 1 cos q 5 = r 12 sin q 1 + r 22 cos q 1 (114) q 5 = Atan2( r 11 sin q 1 + r 21 cos q 1 r 12 sin q 1 + r 22 cos q 1 ) (115) cos(q 2 + q 3 + q 4 ) = r 33, sin(q 2 + q 3 + q 4 ) = r 13 cos q 1 + r 23 sin q 1 (116) q 2 + q 3 + q 4 = Atan2(r 13 cos q 1 + r 23 sin q 1, r 33 ) (117) p z -q 3 B a 3 a 2 O q 2 2 2 p x +py Rys. 35 cos q 3 = p2 x + p 2 y + p 2 z a 2 2 a 2 3 2a 2 a 3 (118) q 3 = Atan2( 1 cos 2 q 3, cos q 3 ) (119) q 2 = Atan2(p z, p 2 x + p 2 y) ± Atan2(a 3 sin q 3, a 2 + a 3 cos q 3 ) (120) q 4 = Atan2(r 13 cos q 1 + r 23 cos q 1, r 33 ) q 2 q 3 (121)

Politechnika Poznańska, Katedra Sterowania i Inżynierii Systemów str. 11 2.12.5. Nadgarstek sferyczny R 3 6 = [n 3 s 3 a 3 ] = n 3 x s 3 x a 3 x n 3 y s 3 y a 3 y n 3 z s 3 z a 3 z Jeżeli założymy, że ϑ 5 (0, π), to otrzymujemy rozwiazanie: ϑ 4 = Atan2(a 3 y, a 3 x) ϑ 5 = Atan2( (a 3 x) 2 + (a 3 y) 2, a 3 z) (122) ϑ 6 = Atan2(s 3 z, n 3 z) Z kolei jeśli ϑ 5 ( π, 0), rozwiazanie przyjmuje postać: ϕ = Atan2( a 3 y, a 3 x) ϑ = Atan2( (a 3 x) 2 + (a 3 y) 2, a 3 z) ψ = Atan2( s 3 z, n 3 z) (123)