机器人DH坐标系建立与运动学解析

本文主要介绍了机器人学中的DH坐标系建立以及相关概念，包括退化情况、坐标变换的目的、机器人关节类型、杆件模型以及DH参数的确定。 在机器人学中，退化是指机器人由于物理限制或设计原因失去一个自由度，无法按照预期进行运动的情况。这可能发生在机器人达到其运动范围的极限或者两个相似关节共线时。例如，当两个转动关节的轴线重合，机器人就失去了一个转动自由度，导致运动退化。 DH坐标系（Denavit-Hartenberg）是一种常用的方法，用于描述和计算机器人各个杆件间的相对位置和姿态。其主要目标是通过关节角的值来确定末端执行器在空间的位置（正运动学），或者反过来，根据期望的位置计算出所需的关节角（逆运动学）。DH坐标系的建立包括以下几个步骤： 1. 坐标系的确定：定义每个关节的旋转轴Zn-1，并确保相邻杆件的Xn-1轴垂直于两连杆的公共垂直线，Yn-1轴则根据右手定则确定。 2. 参数的确定： - 连杆长度ln：是从Zn-1轴到Zn轴沿Xn-1轴的距离。 - 扭角αn：是从Zn-1轴到Zn轴的扭转角度。 - 偏置dn：是沿Zn-1轴从Xn-1到Xn的距离，通常为0。 - 角度θn：是Xn-1轴绕Zn-1轴的转角，是关节运动的变量。 DH坐标系的建立涵盖了两种基本的关节类型：转动关节和移动关节。转动关节提供一个转动自由度，如铰链，而移动关节则提供一个沿直线移动的自由度。机器人关节通常设计为单自由度，以简化力学分析、运动学和控制。 在实际应用中，机器人通常由多个杆件组成，每个杆件连接两个关节，维持末端与各关节的固定关系。末端杆件只有一个关节，接近末端执行器或基座。机器人设计时，为了制造简便，会限制杆件的数量，但实际工业机器人可能会有更多的杆件以实现更复杂的运动能力。 常见的杆件构形包括两种类型：两平行转动关节无扭转和两轴间90°扭转。每种构形都有特定的参数定义和坐标系设置规则，以精确描述机器人在空间中的运动。 DH坐标系是机器人运动学分析的基础，通过定义和计算一系列参数，可以解决正、逆运动学问题，从而实现对机器人运动的有效控制。