机器人动力学模型和运动学模型的建立 PPT

机器人的运动学和动力学模型机器人的运动学和动力学是研究机器人运动和力学性质的重要内容。

运动学是研究机器人姿态、位移和速度之间关系的学科，动力学则是研究机器人运动过程中力的产生和作用的学科。

机器人的运动学和动力学模型可以帮助我们理解机器人的运动方式和受力情况，进而指导机器人的控制算法设计和路径规划。

一、机器人运动学模型机器人运动学模型是描述机器人运动方式和位置关系的数学表达。

机器人的运动状态可以用关节角度或末端执行器的位姿来表示。

机器人的运动学模型分为正运动学和逆运动学两种。

1. 正运动学模型正运动学模型是通过机器人关节角度或末端执行器的位姿来确定机器人的位置。

对于串联机器人，可以使用连续旋转和平移变换矩阵来描述机械臂的位置关系。

对于并联机器人，由于存在并联关节，正运动学模型比较复杂，通常需要使用迭代方法求解。

正运动学模型的求解可以通过以下几个步骤：(1) 坐标系建立：确定机器人的基坐标系和各个关节的局部坐标系。

(2) 运动方程描述：根据机器人的结构和连杆长度等参数，建立各个关节的运动方程。

(3) 正运动学求解：根据关节的角度输入，通过迭代计算，求解机器人的末端执行器的位姿。

正运动学模型的求解可以用于机器人路径规划和目标定位。

2. 逆运动学模型逆运动学模型是通过机器人末端执行器的位姿来确定机器人的关节角度。

逆运动学问题在机器人的路径规划和目标定位等任务中起着重要作用。

逆运动学求解的难点在于解的存在性和唯一性。

由于机器人的复杂结构，可能存在多个关节角度组合可以满足末端执行器的位姿要求。

解决逆运动学问题的方法有解析法和数值法两种。

解析法通常是通过代数或几何方法，直接求解关节角度，但是解析法只适用于简单的机器人结构和运动方式。

数值法是通过迭代计算的方式，根据当前位置不断改变关节角度，直到满足末端执行器的位姿要求。

数值法可以用于复杂的机器人结构和运动方式，但是求解时间较长。

二、机器人动力学模型机器人动力学模型是描述机器人运动时受到的力和力矩的模型。

机器人技术中的运动学和动力学模型随着科技的发展，机器人技术在各个领域不断得到应用和推广，尤其在工业自动化、医疗保健、军事装备等领域中起到了重要的作用。

而机器人的运动学和动力学模型作为机器人控制的基础，也越来越受到研究和关注。

一、运动学模型机器人的运动学模型主要研究机器人的运动规律、位置、速度、加速度等量，以及机器人运动过程中的位姿变换。

运动学模型可分为正向运动学和逆向运动学两种。

1. 正向运动学正向运动学是指已知机器人每个关节的角度，推导出机器人末端执行器的位置和朝向的方法。

正向运动学模型主要涉及到机器人坐标系和运动学代数，其中最核心的是DH参数求解方法。

DH参数是一种描述机器人关节和连杆长度、连杆间角度的方法，通过求解DH参数即可推导出机器人的正向运动学。

2. 逆向运动学逆向运动学是指已知机器人末端执行器的位置和朝向，推导出每个关节的角度的方法。

逆向运动学涉及到三角函数、矩阵计算、求解非线性方程等数学方法，相比正向运动学更加复杂。

逆向运动学有两种解法，一种是解析解法，即通过代数方法直接求解；另一种是数值解法，即通过迭代算法逼近解。

二、动力学模型机器人的动力学模型主要研究机器人关节力矩和末端执行器扭矩之间的关系，以及机器人运动过程中的动量、力矩等物理量。

动力学模型可分为正向动力学和逆向动力学两种。

1. 正向动力学正向动力学是指已知机器人关节力矩和末端执行器的扭矩，推导出机器人的加速度和力矩的方法。

正向动力学模型主要涉及到机器人运动学、多体动力学、牛顿欧拉法等知识，通过这些方法可以推导出机器人正向动力学方程，从而对机器人的力学性能有一定的分析和预测。

2. 逆向动力学逆向动力学是指已知机器人的加速度和末端执行器的力矩，推导出机器人关节力矩的方法。

逆向动力学模型主要涉及到拉格朗日动力学、最小二乘法等知识，比正向动力学更加复杂，常用的解法是数值解法。

三、应用领域机器人的运动学和动力学模型在机器人控制、路径规划、动态仿真和优化设计等方面得到广泛应用。