我正在尝试为 Delta 机器人进行简单的模拟，我想使用正向运动学(直接运动学)通过传递 3 个角度来计算末端执行器在空间中的位置。
我从 Trossen Robotics Forum Delta Robot Tutorial 开始我能理解大部分数学，但不是全部。当我试图计算 3 个球体的相交点时，我迷失在正向运动学的最后一部分。我看过一般的球坐标，但无法计算出用于找到旋转方向(到 E(x，y，z))的两个角度。我看到他们正在求解球体方程，但这正是我迷路的地方。
Delta 机器人是并联机器人(意味着底座和末端执行器(头部)始终保持平行)。底座和末端执行器是等边三角形，腿(通常)放置在三角形边的中间。
Delta 机器人底座的一侧标有f。
Delta 机器人执行器的一侧标记为 e。
腿的上半部分标记为 rf，下半部分标记为 re。
原点(O) 位于底三角形的中心。 伺服电机位于底部三角形边(F1、F2、F3)的中间。 接头标记为 J1、J2、J3。小腿在 E1、E2、E3 点连接末端执行器 E为末端执行器三角形的中心。
我可以轻松计算点 F1、F2、F3 和 J1、J2、J3。
我遇到问题的是 E1、E2、E3。从解释来看，
我知道 J1 点向内平移了一点(末端执行器中位数的一半)
到 J1'，它成为半径为 re(小腿长度)的球体的中心。
对所有关节执行此操作将导致 3 个球体在同一位置相交:E(x,y,z)。通过求解球体方程，我们得到 E(x,y,z)。
还有一个公式解释:
但这是我迷路的地方。我的数学能力不是很好。
有人可以用更简单的方式解释一下吗，
对于我们这些不太懂数学的人？
我还使用了提供的示例代码(如果您启用了 WebGL 浏览器)你可以运行here .单击并拖动以旋转场景。要控制三个角度，请使用 q/Q、w/W、e/E 来减小/增大角度。
完整代码 list :
//Rhino measurements in cm
final float e = 21;//end effector side
final float f = 60.33;//base side
final float rf = 67.5;//upper leg length - radius of upper sphere
final float re = 95;//lower leg length - redius of lower sphere (with offset will join in E(x,y,z))
final float sqrt3 = sqrt(3.0);
final float sin120 = sqrt3/2.0;
final float cos120 = -0.5;
final float tan60 = sqrt3;
final float sin30 = 0.5;
final float tan30 = 1/sqrt3;
final float a120 = TWO_PI/3;
final float a60 = TWO_PI/6;
//bounds
final float minX = -200;
final float maxX = 200;
final float minY = -200;
final float maxY = 200;
final float minZ = -200;
final float maxZ = -10;
final float maxT = 54;
final float minT = -21;
float xp = 0;
float yp = 0;
float zp =-45;
float t1 = 0;//theta
float t2 = 0;
float t3 = 0;
float prevX;
float prevY;
float prevZ;
float prevT1;
float prevT2;
float prevT3;
boolean validPosition;
//cheap arcball
PVector offset,cameraRotation = new PVector(),cameraTargetRotation = new PVector();
void setup() {
size(900,600,P3D);
}
void draw() {
background(192);
pushMatrix();
translate(width * .5,height * .5,300);
//rotateY(map(mouseX,0,width,-PI,PI));
if (mousePressed && (mouseX > 300)){
cameraTargetRotation.x += -float(mouseY-pmouseY);
cameraTargetRotation.y += float(mouseX-pmouseX);
}
rotateX(radians(cameraRotation.x -= (cameraRotation.x - cameraTargetRotation.x) * .35));
rotateY(radians(cameraRotation.y -= (cameraRotation.y - cameraTargetRotation.y) * .35));
stroke(0);
et(f,color(255));
drawPoint(new PVector(),2,color(255,0,255));
float[] t = new float[]{t1,t2,t3};
for(int i = 0 ; i < 3; i++){
float a = HALF_PI+(radians(120)*i);
float r1 = f / 1.25 * tan(radians(30));
float r2 = e / 1.25 * tan(radians(30));
PVector F = new PVector(cos(a) * r1,sin(a) * r1,0);
PVector E = new PVector(cos(a) * r2,sin(a) * r2,0);
E.add(xp,yp,zp);
//J = F * rxMat
PMatrix3D m = new PMatrix3D();
m.translate(F.x,F.y,F.z);
m.rotateZ(a);
m.rotateY(radians(t[i]));
m.translate(rf,0,0);
PVector J = new PVector();
m.mult(new PVector(),J);
line(F.x,F.y,F.z,J.x,J.y,J.z);
line(E.x,E.y,E.z,J.x,J.y,J.z);
drawPoint(F,2,color(255,0,0));
drawPoint(J,2,color(255,255,0));
drawPoint(E,2,color(0,255,0));
//println(dist(F.x,F.y,F.z,J.x,J.y,J.z)+"\t"+rf);
println(dist(E.x,E.y,E.z,J.x,J.y,J.z)+"\t"+re);//length should not change
}
pushMatrix();
translate(xp,yp,zp);
drawPoint(new PVector(),2,color(0,255,255));
et(e,color(255));
popMatrix();
popMatrix();
}
void drawPoint(PVector p,float s,color c){
pushMatrix();
translate(p.x,p.y,p.z);
fill(c);
box(s);
popMatrix();
}
void et(float r,color c){//draw equilateral triangle, r is radius ( median), c is colour
pushMatrix();
rotateZ(-HALF_PI);
fill(c);
beginShape();
for(int i = 0 ; i < 3; i++)
vertex(cos(a120*i) * r,sin(a120*i) * r,0);
endShape(CLOSE);
popMatrix();
}
void keyPressed(){
float amt = 3;
if(key == 'q') t1 -= amt;
if(key == 'Q') t1 += amt;
if(key == 'w') t2 -= amt;
if(key == 'W') t2 += amt;
if(key == 'e') t3 -= amt;
if(key == 'E') t3 += amt;
t1 = constrain(t1,minT,maxT);
t2 = constrain(t2,minT,maxT);
t3 = constrain(t3,minT,maxT);
dk();
}
void ik() {
if (xp < minX) { xp = minX; }
if (xp > maxX) { xp = maxX; }
if (yp < minX) { yp = minX; }
if (yp > maxX) { yp = maxX; }
if (zp < minZ) { zp = minZ; }
if (zp > maxZ) { zp = maxZ; }
validPosition = true;
//set the first angle
float theta1 = rotateYZ(xp, yp, zp);
if (theta1 != 999) {
float theta2 = rotateYZ(xp*cos120 + yp*sin120, yp*cos120-xp*sin120, zp); // rotate coords to +120 deg
if (theta2 != 999) {
float theta3 = rotateYZ(xp*cos120 - yp*sin120, yp*cos120+xp*sin120, zp); // rotate coords to -120 deg
if (theta3 != 999) {
//we succeeded - point exists
if (theta1 <= maxT && theta2 <= maxT && theta3 <= maxT && theta1 >= minT && theta2 >= minT && theta3 >= minT ) { //bounds check
t1 = theta1;
t2 = theta2;
t3 = theta3;
} else {
validPosition = false;
}
} else {
validPosition = false;
}
} else {
validPosition = false;
}
} else {
validPosition = false;
}
//uh oh, we failed, revert to our last known good positions
if ( !validPosition ) {
xp = prevX;
yp = prevY;
zp = prevZ;
}
}
void dk() {
validPosition = true;
float t = (f-e)*tan30/2;
float dtr = PI/(float)180.0;
float theta1 = dtr*t1;
float theta2 = dtr*t2;
float theta3 = dtr*t3;
float y1 = -(t + rf*cos(theta1));
float z1 = -rf*sin(theta1);
float y2 = (t + rf*cos(theta2))*sin30;
float x2 = y2*tan60;
float z2 = -rf*sin(theta2);
float y3 = (t + rf*cos(theta3))*sin30;
float x3 = -y3*tan60;
float z3 = -rf*sin(theta3);
float dnm = (y2-y1)*x3-(y3-y1)*x2;
float w1 = y1*y1 + z1*z1;
float w2 = x2*x2 + y2*y2 + z2*z2;
float w3 = x3*x3 + y3*y3 + z3*z3;
// x = (a1*z + b1)/dnm
float a1 = (z2-z1)*(y3-y1)-(z3-z1)*(y2-y1);
float b1 = -((w2-w1)*(y3-y1)-(w3-w1)*(y2-y1))/2.0;
// y = (a2*z + b2)/dnm;
float a2 = -(z2-z1)*x3+(z3-z1)*x2;
float b2 = ((w2-w1)*x3 - (w3-w1)*x2)/2.0;
// a*z^2 + b*z + c = 0
float a = a1*a1 + a2*a2 + dnm*dnm;
float b = 2*(a1*b1 + a2*(b2-y1*dnm) - z1*dnm*dnm);
float c = (b2-y1*dnm)*(b2-y1*dnm) + b1*b1 + dnm*dnm*(z1*z1 - re*re);
// discriminant
float d = b*b - (float)4.0*a*c;
if (d < 0) { validPosition = false; }
zp = -(float)0.5*(b+sqrt(d))/a;
xp = (a1*zp + b1)/dnm;
yp = (a2*zp + b2)/dnm;
if (xp >= minX && xp <= maxX&& yp >= minX && yp <= maxX && zp >= minZ & zp <= maxZ) { //bounds check
} else {
validPosition = false;
}
if ( !validPosition ) {
xp = prevX;
yp = prevY;
zp = prevZ;
t1 = prevT1;
t2 = prevT2;
t3 = prevT3;
}
}
void storePrev() {
prevX = xp;
prevY = yp;
prevZ = zp;
prevT1 = t1;
prevT2 = t2;
prevT3 = t3;
}
float rotateYZ(float x0, float y0, float z0) {
float y1 = -0.5 * 0.57735 * f; // f/2 * tg 30
y0 -= 0.5 * 0.57735 * e; // shift center to edge
// z = a + b*y
float a = (x0*x0 + y0*y0 + z0*z0 +rf*rf - re*re - y1*y1)/(2*z0);
float b = (y1-y0)/z0;
// discriminant
float d = -(a+b*y1)*(a+b*y1)+rf*(b*b*rf+rf);
if (d < 0) return 999; // non-existing point
float yj = (y1 - a*b - sqrt(d))/(b*b + 1); // choosing outer point
float zj = a + b*yj;
return 180.0*atan(-zj/(y1 - yj))/PI + ((yj>y1)?180.0:0.0);
}
问题是，在可视化时，下部会改变长度(正如您在打印的 message0 中看到的那样，但它不应该这样，这进一步增加了我的困惑。
我在 Java/Processing 中使用了提供的 C 代码，但编程语言是最不重要的。
[由 spektre 编辑]
我只需要添加这张图片(出于教学原因)。
- 一字排开的废话并不是掌握运动学能力的最好方法
- 据我所知，带电机的底座位于上三角平面上的这张图片上
- 工具在底部三角平面上
最佳答案
我会这样做(图形解决方案的代数表示):
- 计算 F1、F2、F3；
求解系统
// spheres from Ji to Ei ... parallelograms (use lower Z half sphere) (x1-J1.x)^2 + (y1-J1.y)^2 +(z1-J1.z)^2 = re^2 (x2-J2.x)^2 + (y2-J2.y)^2 +(z2-J2.z)^2 = re^2 (x3-J3.x)^2 + (y3-J3.y)^2 +(z3-J3.z)^2 = re^2 // Ei lies on the sphere E1=(x1,y1,z1) E2=(x2,y2,z2) E3=(x3,y3,z3) // Ei is parallel to Fi ... coordinate system must be adjusted // so base triangles are parallel with XY-plane z1=z2 z1=z3 z2=z3 // distance between any Ei Ej must be always q // else it is invalid position (kinematics get stuck or even damage) |E1-E2|=q |E1-E3|=q |E2-E3|=q // midpoint is just average of Ei E=(E1+E2+E3)/3- 其中 q 是关节距离 |Ei-E|这是不变的
[注释]
不要手动解决
- 使用派生或其他东西来获得代数解
- 并且只使用有效的解决方案
- 它的二次系统，所以很可能会有更多的解决方案，所以你必须检查正确的一个
只是一个愚蠢的问题，你为什么不解决逆运动学问题
- 这很可能是您需要的(如果您不只是进行可视化的话)
- 在这种情况下也更简单一些
当你只使用直接运动学时也是如此
- 我不完全相信你应该驱动所有 3 个关节
- 最有可能只驾驶其中的 2 个
- 并计算第 3 次，使运动学保持在有效位置
[编辑1]
在我看来有一种简化:
- Ti = 将 Ji 向 Z 轴平移 q(平行于 XY 平面)
现在如果您只需要从 Ti 中找到 3 个球体的交集
- 这个点是E
所以 Ei 现在是 E 的简单翻译(与 Ji 翻译相反)
附言。我希望你知道当你拥有所有点时如何计算角度......
关于java - 如何正确计算 Delta 机器人的直接运动学？，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/18162880/