background image

 
 

str. 1

 

 

Politechnika Śląska 

Wydział: Mechaniczny Technologiczny 

Automatyka i Robotyka 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Kinematyka i Dynamika Robotów i 

Manipulatorów 

 
 

Projekt: 

Budowa Robota: częśd obliczeniowa 

 
 
 
 
 
 
 

 

Grupa I 

Sekcja: 

Mateusz Borkowski 

Łukasz Chejduk 

Jakub Cieloch 

Dawid Gach 

 

background image

 
 

str. 2

 

 

Proste zadanie kinematyki 

 

Lp. 

Α

l

Θ

d

T

0

 

50 

T

2

 

90

30

T

3

 

-90

180 

T

4

 

90

-45

0

+90

T

5

 

100 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Transformacja T(0-

1) Rot(z; θ1)*Trans(Z;l1) 

2.Transformacja T(1-

2) Rot(x; 90)*Rot(Z;θ2) 

3.Transformacja T(2-3) Rot(X;-90)Trans(Z:d3) 
4.Transformacja T(3-

4) Rot(X:90)*Rot(Z;θ3+90) 

5.Transformacja T(4-5) Trans(X;l5) 

T

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

50

1









 

T

1

T

2

0.866

0

0.5

0

0.5

0

0.866

0

0

1

0

0

0

0

50

1









 

T

1

T

2

T

3

0.866

0

0.5

0

0

1

0

0

0.5

0

0.866

0

90

1.477

10

15

205.885

1

 

T

1

T

2

T

3

T

4

0.966

0

0.259

0

0.259

0

0.966

0

0

1

0

0

90

1.477

10

15

205.885

1

 

T

1

T

2

T

3

T

4

T

5

0.966

0

0.259

0

0.259

0

0.966

0

0

1

0

0

186.593

0

231.766

1









 

background image

 
 

str. 3

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Transformacja T(0-

1) Rot(z; θ1)*Trans(Z;l1) 

l

1

50



 

1

0



 

l

2

80



 

2

6



 

d

3

180



 

3

4



 

l

5

100



 

RZ

1

cos

1

 

sin

1

 

0

0

sin

1

 

cos

1

 

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1











  TZ

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

l

1

1



 

T

1

RZ

1

TZ

1



 

T

1

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

50

1









 

2.Transformacja T(1-

2) Rot(x; 90)*Rot(Z;θ2) 

2

2







 

RX

2

1

0

0

0

0

cos

2

 

sin

2

 

0

0

sin

2

 

cos

2

 

0

0

0

0

1











 

RZ

2

cos

2

 

sin

2

 

0

0

sin

2

 

cos

2

 

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1











 

T

2

RX

2

RZ

2



 

T

2

3

2

0

1

2

0

1

2

0

3

2

0

0

1

0

0

0

0

0

1

 

T

1

T

2

0.866

0

0.5

0

0.5

0

0.866

0

0

1

0

0

0

0

50

1









 

background image

 
 

str. 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.Transformacja T(2-3) Rot(X;-90)Trans(Z:d3) 

RX

3

1

0

0

0

0

cos

3

 

sin

3

 

0

0

sin

3

 

cos

3

 

0

0

0

0

1











 

TZ

3

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

0

d

3

1



 

T

3

RX

3

TZ

3



 

T

3

1

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

180

0

1









 

3

2



 

T

1

T

2

T

3

0.866

0

0.5

0

0

1

0

0

0.5

0

0.866

0

90

1.477

10

15

205.885

1

 

4

2



 

4.Transformacja T(3-

4) Rot(X:90)*Rot(Z;θ3+90) 

RZ

4

cos

3

2





sin

3

2





0

0

sin

3

2





cos

3

2





0

0

0

0

1

0

0

0

0

1



 

RX

4

1

0

0

0

0

cos

4

 

sin

4

 

0

0

sin

4

 

cos

4

 

0

0

0

0

1











 

T

4

RX

4

RZ

4



 

T

4

2

2

0

2

2

0

2

2

0

2

2

0

0

1

0

0

0

0

0

1

 

T

1

T

2

T

3

T

4

0.966

0

0.259

0

0.259

0

0.966

0

0

1

0

0

90

1.477

10

15

205.885

1

 

 

5.Transformacja T(4-5) Trans(X;l5) 

TX

5

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

l

5

0

0

1



 

T

5

1

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

100

0

0

1









 

T

1

T

2

T

3

T

4

T

5

0.966

0

0.259

0

0.259

0

0.966

0

0

1

0

0

186.593

0

231.766

1









 

background image

 
 

str. 5

 

 

Odwrotne Zadanie Kinematyki 

 

 

 

 

 

 

T

2

T

3

T

4

T

5

cos

2

3





cos

2

 

sin

2

3





sin

2

 

0

cos

2

3





sin

2

 

sin

2

3





cos

2

 

0

cos

2

3





sin

2

 

sin

2

3





cos

2

 

0

cos

2

3





cos

2

 

sin

2

3





sin

2

 

0

0

1

0

0

100 cos

2

3





cos

2

 

180 sin

2

 

100 sin

2

3





sin

2

 

0

180 cos

2

 

100 cos

2

3





sin

2

 

100 sin

2

3





cos

2

 

1

 

Aby wyznaczyd pierwszy kąt niewiadomy, decydujemy się na porównanie komórki (1,3) 

 

 

Po wprowadzeniu kąta do macierzy otrzymujemy : 

  

 

 

To

0.966

0

0.259

0

0.259

0

0.966

0

0

1

0

0

186.593

0

231.766

1











 

Macierz końcowa To=T01*T12*T23*T34 
tutaj oznaczona jako To 

Oblicz

anie pierwszego kąta t1, czyli teta 1 

T

1

 

1

To

0.966cos

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

0.966sin

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

0.259

0

0.259cos

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

0.259sin

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

0.966

0

sin

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

cos

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

0

0

186.593cos

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

186.593sin

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

181.766

1

 

sin

1

 

cos

1

 

2

sin

1

 

2

0



2

 

  sin(θ1)=0 czyli θ1=0 

.. To1=T01^(-1) *To 

To1

0.966

0

0.259

0

0.259

0

0.966

0

0

1

0

0

186.593

0

181.766

1











 

background image

 
 

str. 6

 

 

 

Z powyższych macierzy wyznaczamy również zależności między kolejnymi dwoma kątami. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Dla θ

1

=0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. 

 

 

 

 

cos

2

3





cos

2

 

sin

2

3





sin

2

 

0.966



2

 

sin

3

 

cos

2

 

cos

3

 

sin

2

 

0.966



 

- sin

3

 

cos

2

 

cos

3

 

sin

2

 

)=0.966  

-sin(

3

+

2

)=0.966  

sin(

3

+

2

)=-0.966 

3

+

2

=arcsin(-0.966) 

3

+

2

=-750 

2

=-75o-

3

 

 
 

100 cos

2

3





cos

2

 

180 sin

2

 

100 sin

2

3





sin

2

 

=186.593 

100(-sin(

3

))cos(

2

)-100cos(

3

)sin(

2

)-180sin(

2

)=186.593 

-100(sin(

3

)cos(

2

)+cos(

3

)sin(

2

))--180sin(

2

)=186.593 

-100sin(

3

+

2

)-180sin(

2

)=186.593 

2

=-75o-

3

 

-100sin(-75o-

3

+

3

)-180sin(-75o-

3

)=186.593 

-100sin(-75o)-180sin(-75o-

3

)=186.593 

-180sin(-75o-

3

)=186.593-96.593//-180 

180sin(-75o-

3

)= -0.5 

-75o-

3

=arcsin(-0.5) 

-75o-

3

=-30o 

3

=-45o 

3

=-45o 

2

=-75o-

3

 

2

=-75o-(-450) 

2

=-300 

  

background image

 
 

str. 7

 

 

Dla θ

1

=180

o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Manipulator może byd ustawiony w 2 różnych pozycjach aby ostatni człon był w tym samym miejscu, 
jednakże dla θ

1

=180

wartośd innego kąta θ

2

=120

co nie zawiera się w założeniach konstrukcyjnych, i 

nie może byd zrealizowane. 

 

 

 

100 cos

2

3





cos

2

 

180 sin

2

 

100 sin

2

3





sin

2

 

=-186.593 

100(-sin(

3

))cos(

2

)-100cos(

3

)sin(

2

)-180sin(

2

)=-186.593 

-100(sin(

3

)cos(

2

)+cos(

3

)sin(

2

))--180sin(

2

)=-186.593 

-100sin(

3

+

2

)-180sin(

2

)=-186.593 

2

=-75o-

3

 

-100sin(-75o-

3

+

3

)-180sin(-75o-

3

)=-186.593 

-100sin(-75o)-180sin(-75o-

3

)=-186.593 

-180sin(-75o-

3

)=-186.593-96.593//-180 

180sin(-75o-

3

)= 0.5 

-75o-

3

=arcsin(0.5) 

-75o-

3

=30o 

3

=45o 

3

=45o 

2

=-75o-

3

 

2

=-75o-(450) 

2

=1200 

  

background image

 
 

str. 8

 

 

 

 

Kinematyka Manipulatora metodą macierzową 

 

Kinematykę manipulatora przedstawimy dla dokładnie takiego samego układu manipulatora jak w 
prostym i odwrotnym zadaniu kinematyki. 

Dla przypomnienia: 

Lp. 

Α

l

Θ

d

T

0

 

50 

T

2

 

90

30

T

3

 

-90

180 

T

4

 

90

-45

0

+90

T

5

 

100 

 

 

 

 

 

 

Postad macierzy kierunkowych: 

Macierz R

1

 jest nie używana w obliczeniach, ze względu na brak ruchu w parze obrotowej 

 

 

 

 

 

 

 

Postad wektorów przesuwu: 

 

 

 

Pozostałe wektory są równe zero. 

 

R

2

cos

2

 

0

sin

2

 

sin

2

 

0

cos

2

 

0

1

0



 

R

3

1

0

0

0

0

1

0

1

0



 

R

4

cos

3

2





0

sin

3

2





sin

3

2





0

cos

3

2









0

1

0







 

R

5

1

0

0

0

1

0

0

0

1



 

P

3

0

d

3

0







 

P

5

l

5

0

0







 

background image

 
 

str. 9

 

 

 

Dobrane wartości prędkości kątowych: w

i

=ω*Z 

Z- wersor kierunkowy

 

 

 

 

Prędkości kątowe wynikające z odpowiednich transformacji układu: 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obliczanie prędkości liniowych: 

 

 

 

 

 

Prędkośd V

odpowiada prędkości liniowej punktu B 

 

 

 

 

w

2

0

0

0.5



  w

3

0

0

0.5



 

1

0

0

0



 

2

R

2

T

1

w

2

0

0

0.5



 

3

R

3

T

2

0

0.5

0



 

4

R

4

T

3

w

4

0

0

1



 

5

R

5

T

4

0

0

1



 

V

1

0

0

0



 

V

2

R

2

T

V

1

1

0

0

0

0

0

0



 

V

3

R

3

T

V

2

2

P

3

V3

0.09

0

0.5



 

0.09

2

0.5

2

0.508

 

background image

 
 

str. 10

 

 

 

 

Prędkośd V

5

 odpowiada prędkości liniowej punktu C 

 

 

 

 

 

Obliczanie przyspieszeo kątowych. 

Przyspieszenie kątowe wynikające z charakterystyki silników: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obliczanie przyspieszeo liniowych:  

Przyspieszenie kątowe wynikające z charakterystyki silników: 

 

 

 

V

5

R

5

T

V

( )

4

4

P

5





0

0.417

0.19

0



 

V

4

R

4

T

V

3

3

0

0

0

0.417

0.29

0



 

0.417

2

0.19

2

0.458

 

E

2

0

0

0.1



 

E

4

0

0

0.1



 

1

0

0

0



 

2

R

2

T

1

R

2

T

1

w

2

E

2

0

0

0.1



 

3

R

3

T

2

0

0.1

0



 

4

R

4

T

3

R

4

T

3

w

4

E

4

0

0

0.2



 

5

R

5

T

4

0

0

0.2



 

A

2

0

0

0.05



 

background image

 
 

str. 11

 

 

 

 

 

 

 

Przyspieszenie a

3

 odpowiada przyspieszeniu liniowemu punktu B : 

 

 

 

 

 

 

 

Przyspieszenie a

5

 odpowiada przyspieszeniu liniowemu punktu C: 

 

 

a

1

0

0

0



 

a

2

R

2

T

1

P

2

1

1

P

2

a

1





0

0

0



 

a

3

R

3

T

2

P

3

2

2

P

3

a

2





2

3

V3

A

2

0.518

0

5

10

3







 

0.518

2

0.005

2

0.518

 

a

4

R

4

T

3

P

4

3

3

P

4

a

3





0.37

0.363

0



 

a

5

R

5

T

4

P

5

4

4

P

5

a

4





2

5

V5

A

5

0.27

0.383

0



 

0.27

2

0.383

2

0.469

 

background image

 
 

str. 12

 

 

Dynamika 

Aby wyznaczyd działające siły i momenty w manipulatorze, które będą przybliżone do warunków 
panujących w rzeczywistości, należy przyspieszenia liniowe powiększyd o działanie grawitacji 
ziemskiej. Aby tego dokonad wystarczy do wektora odpowiadającemu za przyspieszenie liniowe 1 
członu dodad g=9.87m/s^2. W takim wypadku przyspieszenia przyjmują postad :  

ag

1

0

0

g

0

0

9.87



 

ag

2

R

2

T

1

P

2

1

1

P

2

ag

1





4.935

8.548

0



 

ag

3

R

3

T

2

P

3

2

2

P

3

ag

2





2

3

V3

A

2

4.417

0

8.553



 

ag

4

R

4

T

3

P

4

3

3

P

4

ag

3





2.924

9.171

0



 

ag

5

R

5

T

4

P

5

4

4

P

5

ag

4





2

5

V5

A

5

2.824

9.151

0



 

Kolejnym krokiem który należy wykonać jest określenie masy danego ramienia. Ze względu na 

wtyczne projektu m

asa musi zostać określona jako masa punktowa znajdująca się na końcu danego 

ramienia. Aby, wykonać taki zabieg korzystamy z zależności energi kinetycznej. Wiadomo, że energia 

kinetyczna w każdym punkcie danego ciała przyjmuje takie same wartości, dlatego: 

m

s

V

sr

2

m

k

V

k

2



2

2

 

m

k

m

s

V

sr

V

k



V

 

Gdzie: 

M

s

Masa środka ciężkości 

M

k

-  Masa zredukowana na koniec ramienia 

background image

 
 

str. 13

 

 

V

sr

-

prędkość liniowa środka ciężkości ramienia 

V

k

prędkość liniowa końcówki ramienia: w projekcie : V

B

 i V

Aby wyznaczyć prędkość liniową środka ciężkości ramienia, należy określić położenie środka 

ciężkości. W naszym przypadku, środek ciężkości znajduje się w połowie ramienia, czyli : 

Położenie środka ciężkości dla ramienia pierwszego: 

Ps

3

1

2

P

3

0

0.09

0



 

Do wyznaczenia prędkości liniowej tegoż ramienia użyjemy gotowych wzorów: 

Vs

3

R

3

T

V

2

2

Ps

3

V3

0.045

0

0.5



 

Położenie środka ciężkości dla ramienia drugiego: 

Ps

5

1

2

P

5

0.05

0

0



 

Wyznaczenie prędkości liniowej środka ciężkości ramienia drugiego, wykonujemy adekwatnie jak w 
poprzednim kroku: 

Vs

5

R

5

T

V

( )

4

4

Ps

5





0

0.417

0.24

0



 

Zakładamy, że masy poszczególnych ramion przyjmują wartości: 

M

3

=0.3 kg, m

5

=0.25kg 

Po skorzystaniu z zale

żności na równowagę energii kinetycznej, otrzymujemy wartości mas: 

mk

3

m

3

V

3

Vs

3

0.304



 

mk

5

m

5

V

5

Vs

5

0.238



 

background image

 
 

str. 14

 

 

Wyznaczanie sił działających w manipulatorze. 

Do wyznaczenia sił skorzystamy ze wzoru : 

1

1

1

1

1

i

i

i

i

i

a

m

F

 

Gdzie : 

F- siła 

M

i+1

-masa aktualnego członu, zredukowana do kooca członu 

A

i+1

 –przyspieszenie liniowe aktualnego członu, powiększone o wartośd przyspieszenia ziemskiego. 

F

1

m

1

ag

1

0

0

0



 

F

2

m

2

ag

2

0

0

0



 

F

3

mk

3

ag

3

1.343

0

2.6



 

F

4

m

4

ag

4

0

0

0



 

F

5

mk

5

ag

5

0.672

2.178

0



 

Siły napędowe 

Aby obliczyd siły napędowe, skorzystamy z wzoru: 

i

i

i

i

i

i

i

i

F

f

R

f

1

1

1

 

Gdzie, 

f

i

- siła napędowa 

R

i

- macierz przekształcenia dla danego członu 

F

i

- siła działająca na dany człon. 

 

background image

 
 

str. 15

 

 

f

5

F

5

0.935

3.029

0



 

f

4

R

5

f

5

F

4

1.903

6.065

0



 

f

3

R

4

f

4

F

3

4.255

0

8.174



 

f

2

R

3

f

3

F

2

6.722

12.448

0



 

f

1

R

2

f

2

F

1

0.402

0

19.076



 

Momenty napędowe: 

 

 

n

5

N

5

P

5

F

5

0

0

0.303



 

n

4

N

4

R

5

n

5

P

4

F

4

P

5

R

5

f

5

0

0

0.606



n

3

N

3

R

4

n

4

P

4

F

3

P

4

R

4

f

4

0

0.606

0



 

n

2

N

2

R

3

n

3

P

2

F

2

P

3

R

3

f

3

0

0

1.372



 

n

1

N

1

R

2

n

2

P

2

F

1

P

2

R

2

f

2

0

1.372

0



 

N

5

0

0

0



 

N

4

0

0

0



 

N

3

0

0

0



  N

2

0

0

0



 

N

1

0

0

0

