斯坦福公开课机器人学

1.概述

这门课程主要讲述机器人的一些基本知识,包括运动学,动力学,机臂控制,一些前沿研究。
由于最近做定位地图,涉及较多robotic的知识,在这里直接看一下入门,之后希望可以对ROS、PCL、G2O等重要工具展开学习。

2.空间描述,广义的坐标

在二维空间,一个刚性物体的姿态只有3个自由度,$x,y,\theta$
在三维空间,一个刚性物体的姿态会有6个自由度,$x,y,z,\theta,\gamma,\phi$

这里描述坐标系的转换可以用一个矩阵,其中旋转矩阵$ R_{AB}=R_{BA}^T $,具有正交性
$ R_{AB}^{-1} = R_{BA} = R_{BA}^T $,并且满足:
$$ r_X^2 = r_Y^2 = r_Z^2 = 1 $$
$$ r_X * r_Y = r_X * r_Z = r_Y * r_Z = 0 $$
其中正交矩阵相关的一些矩阵分解有:QR、SVD、谱分解和极分解。

相对而言,T不会满足旋转矩阵R的这些特性,这里也是基于右手系的约束。
为了方便矩阵的运算,我们将R和T矩阵组合并添加一维[0 0 0 1]变成4 * 4的矩阵,形成齐次.

3.讨论欧拉角和旋转

介绍了柔性制动器,气压驱动,上节课讲的内容的转换,可以描述坐标系转换,或者点的映射。由于扩展了齐次坐标系,所以末端的坐标系可以直接从基座变换矩阵T相乘解得,但在描述旋转的时候,用3*3的矩阵有9个参数,过于冗余,我们考虑更为精炼的表达方式,更高效地表示旋转。

引入一个,对于刚性物体的坐标表示方式根据坐标系的表达而变化,分为

  • Cartesion : $(x,y,z)$
  • Cylindrical: $(\rho,\theta,\tau)$
  • Spherical: $(r,\theta,\phi)$
    这是针对应用的场景而变化的,对于某些运动变化,采用适用的坐标系能大大简化问题,适应与问题。

首先来讨论用三个角来表示旋转,分别是yaw,roll,hawl.$$R_{AB} = R_Z(\alpha).R_Y(\beta).r_X(\gamma)$$
求解一系列矩阵运算之后,出现cp = 0 的时候,会出现奇异性(回头查google)的点,此时无法进一步计算(因为除0出错),无法进行继续跟踪,而其他以三个参数为旋转的也无法解决这个奇异点的问题。于是尝试进行四个参数的旋转表达,便有了经典的欧拉角,Euler Prameters。

欧拉角指根据x,y,z轴旋转,一共有24种顺规,使用前先确定规则,

4.DH参数

引入了“蜂鸟”机器人,如何通过连杆和终端执行器控制机械手,建立正运动学。用DH参数描述来表达对连杆的控制,,从而精确定义坐标系,设置不同参数进行变换得到总的变换,从而建立正运动学

5.仿灵长类机械臂

介绍了如何用欧拉角进行坐标转换,对ROBOT建立数学模型。
首先选定较优的坐标原点,尽量方便表达和减少参数,进而根据连杆的变换推导出新的节点的坐标表达,建立坐标表达矩阵,这样的坐标表达就包括(yaw,hawl,roll,Distance)

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