第三章齐次变换课件.ppt
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- 第三 章齐次 变换 课件
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1、机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键12.1 引言 机器人位置和姿态的描述 机器人可以用一个开环关节链来建模 由数个驱动器驱动的转动或移动关节串联而成 一端固定在基座上,另一端是自由的,安装工具,用以操纵物体inoa 人们感兴趣的是操作机末端执行人们感兴趣的是操作机末端执行器相对于固定参考坐标数的空间器相对于固定参考坐标数的空间几何描述,也就是机器人的运动几何描述,也就是机器人的运动学问题学问题 机器人的运动学即是研究机器人机器人的运动学即是研究机器人手臂末端执行器位置和姿态与关手臂末端执行器位置和姿态与关节变量空间之间的关系节变量空间之间的关系机械工程与
2、汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键2 丹纳维特(Denavit)和哈顿贝格(Hartenberg)于1955年提出了一种矩阵代数方法解决机器人的运动学问题D-H方法 具有直观的几何意义 能表达动力学、计算机视觉和比例变换问题 其数学基础即是齐次变换机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键32.2 齐次坐标 一般来说,n维空间的齐次坐标表示是一个(n+1)维空间实体。有一个特定的投影附加于n维空间,也可以把它看作一个附加于每个矢量的特定坐标比例系数。kcj bi av zy x TwwzyxV式中式中i,j,k为为x,y,z 轴上的
3、单位矢量,轴上的单位矢量,a=,b=,c=,w为比例系数为比例系数 wxwywz 显然,齐次坐标表达并不是唯一的,随显然,齐次坐标表达并不是唯一的,随w值的不同而不同。在计算机图学中,值的不同而不同。在计算机图学中,w 作为通用比例因子,它可取任意正值,但作为通用比例因子,它可取任意正值,但在机器人的运动分析中,总是取在机器人的运动分析中,总是取w=1。列矩阵列矩阵机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键4例:kjiV543可以表示为:可以表示为:V=3 4 5 1V=3 4 5 1T T 或或 V=6 8 10 2V=6 8 10 2T T 或或 V=-12
4、 -16 -20 -4V=-12 -16 -20 -4T T 机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键5 齐次坐标与三维直角坐标的区别 V点在OXYZ坐标系中表示是唯一的(x、y、z)而在齐次坐标中表示可以是多值的。不同的表示方法代表的V点在空间位置上不变。xyzzzxV图2-2o机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键6 几个特定意义的齐次坐标:0,0,0,nT坐标原点矢量的齐次坐标,n为任意非零比例系数 1 0 0 0T指向无穷远处的OX轴 0 1 0 0T指向无穷远处的OY轴 0 0 1 0T指向无穷远处的OZ轴 机械工
5、程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键72.3坐标系在固定参考坐标系原点的表示 一个中心位于参考坐标系原点的坐标系由三个向量表示,通常这三个向量相互垂直,称为单位向量每个单位向量都由它们所在参考坐标系中的三个分量表示。则坐标系可以由三个向量以矩阵的形式表示为:,aonzzzyyyxxxaonaonaonFxyznoa机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键82.4坐标系在固定参考坐标系中的表示 在该坐标系的原点与参考坐标系的原点之间做一个向量来表示该坐标系的位置。这个向量由相对于参考坐标系的三个分量来表示。那么,这个坐标系就可以由
6、三个表示方向的单位向量以及第四个位置向量来表示。1000zzzzyyyyxxxxPaonPaonPaonFxyznoaP机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键92.4坐标系在固定参考坐标系中的表示 前三个向量是w0的方向向量,表示该坐标系的三个单位向量 的方向,而第四个w1的向量表示该坐标系原点相对于参考坐标系的位置。1000zzzzyyyyxxxxPaonPaonPaonFxyznoaP,aon机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键102.4坐标系在固定参考坐标系中的表示 例:如图所示的F坐标系位于参考坐标系中3,5,7
7、的位置,它的n轴与x轴平行,o轴相对于y轴的角度为45,a轴相对于z轴的角度为45。该坐标系可表示为:xyznoaP454510007707.0707.005707.0707.003001F机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键112.5齐次变换矩阵 在同一矩阵中既表示姿态又表示位置,那么可以在矩阵中加入比例因子使之成为44矩阵。如果只表示姿态,则可去掉比例因子得到33矩阵。这种形式的矩阵称为齐次矩阵:1000zzzzyyyyxxxxPaonPaonPaonF机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键122.5齐次变换矩阵 变
8、换定义为空间的一个运动,当空间的一个坐标系相对于固定的参考坐标系运动时,这一运动可以用类似于表示坐标系的方式来表示。变换可有以下几种形式:(1)纯平移变换;(2)绕一个轴的纯旋转变换;(3)平移与旋转相结合的变换。机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键131000100010001),Trans(dTxzyxzyddddd2.5齐次变换矩阵纯平移 纯平移的变换:一个坐标系在空间以不变的姿态运动。它的方向单位向量保持同一方向不变。所有的改变只是坐标系原点相对于参考坐标系的变化。相对于固定参考坐标系的新的坐标系的位置可以用原来坐标系的原点位置向量加上表示位移的向
9、量求得。若用矩阵形式,新坐标系的表示可以通过坐标系左乘变换矩阵得到。由于在纯平移中方向向量不变,变换矩阵T可以简单地表示为:xyznoaPnoad机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键142.5齐次变换矩阵纯平移变换oldzyxnewFdddTransF),(xyznoaPnoad100010001000100010001zzzzzyyyyyxxxxxzzzzyyyyxxxxzyxdPaondPaondPaonPaonPaonPaonddd机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键152.5齐次变换矩阵纯平移变换 结论:1.新
10、坐标系位置可通过在坐标系矩阵前面左乘变换矩阵得到;2.方向向量经过纯平移后保持不变,但新的坐标系的位置是各向量相加的结果;3.齐次变换矩阵与矩阵乘法的关系使得到的新矩阵的维数各变换前相同。100010001000100010001zzzzzyyyyyxxxxxzzzzyyyyxxxxzyxnewdPaondPaondPaonPaonPaonPaondddFPd机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键162.5齐次变换矩阵纯平移变换 例:坐标系F沿参考坐标系的x轴移动9个单位,沿z轴移动5个单位。求新的坐标系位置。10008643.00766.03439.081
11、9.0369.05628.0574.0527.0FoldoldzyxnewFTransFdddTransF)5,0,9(),(解:机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键17OaP当坐标系绕x轴旋转时,坐标系上的点P也随坐标系一起旋转。旋转前,P点在两个坐标系中的坐标是相同的。旋转后,该点的坐标在旋转坐标系中保持不变,但在参考坐标系中改变了。求P点在固定参考坐标系中的新坐标。为了简化绕轴旋转的推导,首先假设该坐标系位于参考坐标系的原点。然后推广到其他的旋转以及旋转的组合。P点为旋转坐标系上的一点则:P点相对于参考坐标系的坐标为:P点相对于运动坐标系的坐标为:2
12、.5齐次变换矩阵绕轴纯旋转的变换ZyxPPP,cossinsincosaozaoynxPPPPPPPPxyzaoPaonPPP,n(n)aonPPP,ZyxPPP,机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键18OaP任一矢量的分量就是该矢量在参考系上单位方向的投影。2.5齐次变换矩阵绕轴纯旋转的变换cossin0sincos000aozaoynxPPPPPPPPxyzaoPcossin0,sincos0,00,aaaooonnPPzyxPPPzyxPPzyxP,单位方向上的分量为在,单位方向上的分量为在,单位方向上的分量为在n(n)aonPPP,ZyxPPP,要
13、求可以先求在X、Y、Z单位方向上的分量,则:机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键19noaxyzPxRotP),(2.5齐次变换矩阵绕轴纯旋转的变换aonzyxPPPPPPcossin0sincos0001cossin0sincos0001),(xRot则机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键20noaxyzPxRotP),(2.5齐次变换矩阵绕轴纯旋转的变换1000cossin0sincos),(cos0sin010sin0cos),(zRotyRot同理机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的
14、的关关键键21例:旋转坐标系中有一点,此坐标系绕例:旋转坐标系中有一点,此坐标系绕参考坐标系参考坐标系x x轴旋转轴旋转9090。求旋转后该点相对于参考坐。求旋转后该点相对于参考坐标系的坐标。标系的坐标。TzyxP),(2.5齐次变换矩阵绕轴纯旋转的变换机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键22例例1:在动坐标中有一固定点:在动坐标中有一固定点 ,相对固定参,相对固定参考坐标系考坐标系 做如下运动:做如下运动:R(x,90););R(z,90);R(y,90)。求点。求点 在固定参考坐标系在固定参考坐标系 下下的位置。的位置。TuvwPo1321Oxyzuv
15、wPoOxyz解解1:用画图的简单方法:用画图的简单方法 2.5齐次变换矩阵复合变换机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键23解解2:用分步计算的方法:用分步计算的方法 R(x,90)R(z,90)R(y,90)123113211000001001-000001P12131231100001000001001-0 P1312121310000001-00100100 P(2-14)(2-15)(2-16)机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键24 上述计算方法非常繁琐,可以通过一系列计算得到上述上述计算方法非常繁琐,可以通
16、过一系列计算得到上述结果。将式(结果。将式(2-14)()(2-15)()(2-16)联写为如下形式:)联写为如下形式:1144wvuzyxPPPRPPPR4x4为二者之间的关系矩阵,我们令:为二者之间的关系矩阵,我们令:),(),(),RR44xRzRy(定义定义1:当动坐标系当动坐标系 绕固定坐标系绕固定坐标系 各坐标轴顺序有限次各坐标轴顺序有限次转动时,其合成旋转矩阵为各基本旋转矩阵依旋转顺序左乘。转动时,其合成旋转矩阵为各基本旋转矩阵依旋转顺序左乘。注意:旋转矩阵间不可以交换注意:旋转矩阵间不可以交换 uvwOOxyz机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关
17、关键键252.6 相对变换 举例说明:举例说明:例例1:动坐标系:动坐标系0起始位置与固定参考坐标系起始位置与固定参考坐标系0重合重合,动坐标系动坐标系0做如下运动:做如下运动:R(Z,90)R(y,90)Trans(4,-3,7),求合成矩阵,求合成矩阵 解解1:用画图的方法:用画图的方法:ozyx74-3owuvvuwzyxoo(o)xyzuvwzyxuwo(o)v机械工程与汽车学院耐耐心心与与自自学学的的热热情情是是成成功功的的关关键键26解解2:用计算的方法:用计算的方法 根据定义根据定义1,我们有:,我们有:1000701030014100 )R(Z,90)90 R(y,7),3 ,
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