机器人运动学详解：正逆演算与D-H方法

机器人运动学是研究机器人如何在空间中运动和变换的技术，它是机器人技术的基础。在本章《机器人位置运动学》中，主要探讨了正逆运动学的概念。正运动学是指当已知所有关节变量时，通过计算得出机器人末端执行器（通常指机器人手臂末端的手部或工具）在空间中的精确位置和姿态。这包括了对直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型等不同机器人构型的分析，这些构型对应于不同的运动学模型。 逆运动学则是解决问题的反过程，即在给定机器人手部的特定位置和姿态时，求解所需的关节变量值。这对于控制机器人实现目标位置至关重要，因为这涉及到如何调整各个关节的角度来达到预定的机械行为。 机器手型机器人通常具有多个自由度（DOF），例如常见的三维开环链式机构。每个自由度代表一个可以独立控制的关节，如旋转或移动。单自由度系统中的参数一旦确定，其他变量也随之锁定，但在多自由度机器人中，如机器人手臂，需要设定所有关节变量才能精确地控制末端位置。 为了确保机器人在三维空间中的运动，机器人结构通常是三维的，与二维多自由度机器人相比更为罕见。开环机器人（如工业机器人）与闭环系统（如四杆机构）的主要区别在于，闭环系统能够提供位置反馈，而开环系统则不然。这意味着在开环机器人中，即使关节变量设定正确，微小的误差也会在后续环节放大，导致整体运动不准确。因此，开环系统需要实时监测和调整，通过比较向量方程来反映这种动态特性。 本章深入剖析了机器人正逆运动学的原理和应用，强调了在设计和控制机器人运动时，理解关节变量如何影响末端执行器的空间位置和姿态的重要性。对于机器人工程师和研究人员来说，掌握这些基本概念是至关重要的，因为它直接影响到机器人的精度和灵活性。