background image

 

6. Kinematyka odwrotna manipulatora 

 

Przykład 1 

Wyznacz  zmienne  złączowe  manipulatora  2-członowego  przedstawionego  na  rys.  1  dla 

zadanego położenia A(xy) chwytaka. Przyjmij, że wymiary manipulatora są znane. 

 

A(x,y)

 

 

Rys. 1. Manipulator 2-członowy 

 

 

Rozwiązanie 

Poniżej  zaprezentowano  rozwiązania  zadania  kinematyki  odwrotnej  manipulatora  

2-członowego stosując podejście analityczne oparte na notacji D-H. 

Wykorzystując notację D-H należy tak ustawić osie współrzędnych, aby ruch poszczególnych 

członów (ogniw) odbywał się zawsze względem osi Z. Często w jednym przekształceniu nie 

da  się  odpowiednio  zorientować  układów  współrzędnych  tak,  aby  oś  Z  była  w  osi  ruchu. 

Należy wtedy przyjąć dodatkowy układ współrzędnych odpowiednio zorientowany względem 

poprzedniego.  Na  rys.  2  przedstawiono  analizowany  manipulator  z  przyjętymi  układami 

współrzędnych. 

 

0

Z

0

X

1

Z

2

Z

3

Z

1

X,

2

X

3

X

 

 

Rys. 2. Manipulator 2-członowy z przyjętymi układami współrzędnych 

 

W tab. 1 zamieszczono parametry D-H manipulatora 2-członowego. Znak minus przy kątach 

90

°

 wynika z reguły śruby prawoskrętnej. 

 

 

background image

 

Tab. 1. Parametry D-H manipulatora 2-członowego 

Układ 

θ

i

 

ε

i

 

a

i

 

α

i

 

θ

1

*

 

a

1

 

-90

°

 

-90

°

 

ε

3

*

 

 

 

(

)

=

=

=

1

0

0

0

0

1

0

0

s

0

c

s

c

0

s

c

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

c

s

0

0

s

c

)

,

0

,

0

(

,

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

ε

θ

a

a

a

Z

Trans

Rot

H

 

 

(

) (

)

(

)

(

)

(

) (

)

(

)

(

)

(

) (

)

=

=

°

°

°

°

°

°

°

°

=

°

°

=

1

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

0

0

0

0

90

c

90

s

0

0

90

s

90

c

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

90

c

90

s

0

0

90

s

90

c

90

,

90

,

2

1

X

Z

Rot

Rot

H

 

=

=

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

)

,

0

,

0

(

3

3

3

2

ε

ε

Trans

H

 

 

(

)

(

)

+

+

=

=

1

0

0

0

0

0

1

0

s

s

0

c

c

c

0

s

1

3

1

1

1

1

3

1

1

1

3

2

2

1

1

0

3

0

θ

ε

θ

θ

θ

ε

θ

θ

a

a

H

H

H

H

 

 

Aby rozwiązać kinematykę odwrotną rozważanego manipulatora wykorzystując macierz 

0

H

3

 

otrzymaną z zadania prostego kinematyki należy porównać odpowiednie jej elementy (tj. H

14

 

H

24

) z położeniem zadanym chwytaka A(xy). Ponieważ ruchliwość manipulatora wynosi 2, 

tak więc wystarczy wykorzystać dwa równania, aby wyznaczyć zmienne złączowe 

background image

 

(

)

(

)

y

a

x

a

=

+

=

+

1

3

1

1

3

1

sin

cos

θ

ε

θ

ε

 

 

Rozwiązanie odwrotnego zadania kinematyki uzyskamy rozwiązując powyższy układ równań 

 

1

2

2

3

1

arctan

a

y

x

x

y

+

=

=

ε

θ

 

 

Czytelnik  na  pewno  zauważył,  że  dla  rozważanego  (stosunkowo  prostego)  manipulatora 

zmienne złączowe 

1

θ

 i 

3

ε

 dużo prościej można wyznaczyć stosując podejście geometryczne. 

 

Zadanie 1 

Rozwiąż  zadanie  kinematyki  odwrotnej  dla  manipulatora  typu  SCARA  (rys.  3)  dla  zadanej 

pozycji 

p i orientacji R

 

 

 

Rys. 3. Schemat kinematyczny manipulatora typu SCARA 

 

 

Zadanie 2 

Dla manipulatora przedstawionego na rys. 4, zadana jest pozycja [x,y,z]

T

 i orientacja (kąty u i 

v)  narzędzia.  Wyznacz  zmienne  złączowe  (odwrotne  zadanie  kinematyki)  stosując 

odprzężenie kinematyczne. 

 

background image

 

 

Rys. 4. Schemat bryłowy manipulatora 5-złączowego 

 

 

Odpowiedź 

)

sin

sin

cos

(cos

sin

)]

sin

sin

cos

(cos

[sin

1

arctan

)]

sin

sin

cos

(cos

arccos[sin

)

cos

sin

sin

(cos

sin

cos

arctan

)

sin

sin

(

)

sin

cos

(

cos

sin

cos

sin

sin

arctan

1

1

2

1

1

1

1

5

1

1

4

2

2

3

2

1

v

v

u

v

v

u

v

v

u

v

v

u

u

u

v

l

y

u

v

l

x

u

l

z

u

v

l

x

u

v

l

y

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

ε

ε

θ

+

+

=

+

=

=

+

=

=

=

 

 

θ

1

 

ε

2

 

ε

3

 

θ

4

 

A(x,y,z,u,v) 

θ

5

 

θ

5

 

0

0

background image

 

Zadanie 3 

Napisz  w  programie  Matlab  skrypt  który  będzie  rysował  układy  współrzędnych 
przyporządkowanie  do  manipulatora  z  zad.  2  dla  zadanej  pozycji  i  orientacji  A(x,  y,  z,  u,  v
tego manipulatora. 
 
 
Literatura: 

[1] Buratowski T.: Podstawy robotyki, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-

Dydaktyczne, 2006 

[2] Spong M. W., Vidyasagar M.: Dynamika i sterowanie robotów, Wydawnictwa 

Naukowo-Techniczne, 1997 

[3] Zdanowicz R.: Podstawy robotyki, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2001 

 

 

Informacja o prawach autorskich 

 O ile nie zaznaczono inaczej, rysunki i teksty pochodzą z pozycji podanych w literaturze. 

Niniejsze opracowanie stanowi pomoc do laboratorium z Podstaw Robotyki.