机器人杆件运动学：DH坐标系构建与算法详解

DH坐标系是一种广泛应用于机器人学中的运动学分析工具，它通过描述机器人关节和连杆之间的相对运动来确定各个部件在空间中的位置和姿态。本章节重点介绍了如何基于特定的行和列元素来建立和计算DH参数，这对于理解正逆运动学至关重要。 1. **坐标系与参数**: - **相对杆件坐标系**：确定每个关节与前一个关节之间的相对坐标系是关键，包括Zn-1轴（转轴轴线）、Xn-1轴（垂直于两连杆的公垂线，通过zn-1至zn的方向），以及Yn-1轴（由右手定则确定的辅助轴）。 - **参数定义**： - ln：连杆长度，表示从关节n-1到关节n沿着xn-1方向的距离。 - θn：两连杆间的夹角，即关节n-1绕zn-1的转动角。 - dn：两连杆间的偏置，一般为0，当两连杆中心线重合时。 - n：两连杆间的角度，即Xn-1绕zn-1的转动角。 2. **转动关节类型**： - **无扭转**：当两个平行的转动关节形成无扭转关系时，可以独立旋转θn，并且Zn-1被视为z轴。 - **90°扭转**：另一种情况是两个关节形成90度扭转，此时连杆的运动更为复杂，需要考虑额外的扭转角。 3. **正逆运动学基础**： - 正运动学：通过已知关节角（θn）计算末端执行器在空间中的位置或姿态。 - 逆运动学：反之，给定末端位置，寻找对应的关节角组合，以实现精确的机器人动作。 4. **机器人结构**： - 机器人杆件：固定连接两个关节的结构，保持关节间的关系，末端杆件仅有一个关节。 - 机器人设计限制：为了简化分析，通常只考虑有限数量的杆件，但在实际制造中会考虑更多的杆件配置以提高灵活性。 DH坐标系的建立和应用是机器人学中不可或缺的一部分，对于机器人控制系统的设计、路径规划以及机械臂仿真都具有重要意义。理解这些基本概念有助于深入研究工业机器人、服务机器人以及现代自动化设备的运动学性能。