3.1 旋转矩阵与齐次变换矩阵

旋转矩阵可以表示由旋转变换得到的坐标系,齐次变换矩阵可以表示旋转+平移运动得到的坐标系。

引入齐次坐标,点的坐标末尾添加一个元素“1”,向量的坐标末尾添加一个元素“0”。

其中:,则有

即:

为齐次变换矩阵。

在三维空间中则增加了一个维度,齐次变换矩阵也变为了 4x4 矩阵。

3.2 三维空间中机器人单腿的正向运动学

由三个关节的旋转角度求足部坐标。

3.2.1 坐标系

存在四个坐标系。

  • 坐标系 :与机身固定
  • 坐标系 :髋关节,绕其 轴转动
  • 坐标系 :大腿关节,绕其 轴转动,其 轴与大腿重合
  • 坐标系 :小腿关节,绕其 轴转动,其 轴与小腿重合

其中,坐标系 的原点 重合。,其中 大小为

  1. 只有旋转过程,因此

  2. 同理

旋转同时考虑平移

其中

点在坐标系的坐标:

则可以求出其在坐标系 的坐标

3.3 三维空间中机器人单腿的逆向运动学

3.3.1 机身关节

image

只考虑机身关节平面内的旋转矩阵

展开后可以计算

其中:

3.3.2 小腿关节

image

简单的平面几何求解

由于 是逆时针旋转,为负数,则

其中:

3.3.3 大腿关节

点坐标与前面求出来的 带入正向运动学的公式即可解出

其中:

3.4 雅可比矩阵

点在坐标系 中的坐标 的三个值分别对时间求导,最后得到三个速度分量相对于角速度的系数矩阵,即雅可比矩阵。

整理成矩阵相乘:

也有

3.4.1 单腿静力学

假设机器人处于静止状态,整条腿的动能保持不变,即总功率为0。可以视为关节对腿做功功率 = 足端对地面做功功率

那么就有

即有