В последние годы мир робототехники добился значительных успехов, что привело к значительным достижениям в различных отраслях. Чтобы ориентироваться в сложной среде, роботы полагаются на точную систему координат. Понимание системы координат робота имеет решающее значение как для инженеров, программистов, так и для энтузиастов, поскольку она служит основой для управления движением, локализации и планирования пути. В этой статье мы углубимся в тонкости системы координат робота, изучая ее компоненты, представления, преобразования и приложения.
1. Что такое система координат?
Система координат — это математическая структура, используемая для определения положения и ориентации в заданном пространстве. Он состоит из осей, начала координат и единиц измерения. Роботы используют определенный тип системы координат, известный как система координат робота или система координат робототехники. Эта система позволяет роботу эффективно понимать окружающую среду и ориентироваться в ней.
2. Компоненты системы координат робота
Система координат робота обычно состоит из трех основных компонентов:
а. Оси X, Y и Z: представляют трехмерное пространство, в котором работает робот. Ось X указывает вперед, ось Y указывает налево, а ось Z указывает вверх, образуя декартову систему координат.
б. Исходная точка: исходная точка — это точка отсчета, от которой отсчитываются все положения. Он служит отправной точкой для движения робота.
в. Ориентация: Ориентация робота описывается с помощью углов Эйлера (крен, тангаж и рыскание) или кватернионов. Эти углы представляют вращение робота вокруг его осей X, Y и Z соответственно.
3. Представления системы координат робота
Для точного представления положения и ориентации робота используются разные системы координат:
а. Мировая система координат: также известная как глобальная система координат, это абсолютная система отсчета, зафиксированная в среде робота. Положение и ориентация робота измеряются относительно этого глобального кадра.
б. Базовая система координат робота: это локальная система координат, привязанная к базе робота. Углы соединения робота и положение инструмента измеряются относительно этой системы координат.
в. Система координат рабочего органа: Рабочий орган — это инструмент или захват робота, имеющий собственную систему координат. Положение и ориентация инструмента измеряются относительно этой локальной системы отсчета.
4. Преобразования в системе координат робота
Робототехника часто требует преобразования позиций и ориентации между различными системами координат. Наиболее распространенными преобразованиями являются:
а. Перевод: это включает в себя перемещение точки из одного положения в другое в той же системе координат. Он влияет только на координаты X, Y и Z.
б. Вращение: Вращение включает в себя изменение ориентации точки или объекта в пространстве без изменения его положения. Это необходимо для преобразования ориентации между системами координат.
в. Однородные преобразования: однородная матрица преобразования используется для объединения преобразований перемещения и вращения. Он обеспечивает плавное преобразование позиций и ориентаций между различными системами координат.
5. Прямая кинематика
Прямая кинематика является фундаментальной концепцией робототехники. Это процесс определения положения и ориентации рабочего органа робота на основе углов сочленения робота. Расчеты прямой кинематики зависят от кинематической цепи робота и параметров Денавита-Хартенберга (DH).
6. Обратная кинематика
Обратная кинематика — это процесс, обратный прямой кинематике. Учитывая желаемое положение и ориентацию рабочего органа, инверсная кинематика помогает вычислить углы сочленения, необходимые для достижения этой конфигурации. Решение обратной кинематики сложнее, чем прямой кинематики, и часто требует численных методов.
7. Применение системы координат робота
Система координат робота находит широкое применение в робототехнике и автоматизации:
а. Планирование движения: роботы используют систему координат для планирования и выполнения точных движений, что позволяет им точно выполнять задачи.
б. Локализация: для автономной навигации роботы должны определять свое положение и ориентацию относительно окружающей среды, часто используя такие методы, как одновременная локализация и картографирование (SLAM).
в. Планирование пути: система координат робота помогает находить оптимальные пути для достижения целевого местоположения, избегая при этом препятствий.
д. Роботизированные манипуляции: чтобы роботы взаимодействовали с объектами и выполняли манипулятивные задачи, им необходимо точно управлять своим рабочим органом с помощью системы координат.
е. Операции захвата и размещения: промышленные роботы полагаются на систему координат, чтобы брать объекты из одного места и размещать их в другом.