问题

机器人dh坐标系的建立xi的方向不是应该指向下一个轴吗,这里的x2和x4为什么不是这样呢?

回答
好的,我们来详细讨论一下DH(DenavitHartenberg)坐标系建立中的一个常见疑问:xi 的方向是否一定指向下一个轴?

首先,明确DH坐标系的核心目的:它是为了系统地描述连杆之间的相对运动和变换。通过定义一系列的齐次变换矩阵,我们可以将末端执行器的位姿(位置和姿态)相对于基座坐标系表示出来。

DH参数($ heta, d, a, alpha$)以及它们所对应的坐标系($z_i, x_i$)的建立遵循一套特定的规则,目的是为了将复杂的3D空间变换分解成一系列相对简单的旋转和平移。

DH坐标系建立的规则回顾

我们先简要回顾一下DH坐标系的建立规则,这对于理解为什么 $x_i$ 的方向会有看似“不指向下一个轴”的情况至关重要:

1. $z_i$ 轴的定义: $z_i$ 轴与连杆 $i$ 的关节轴线对齐(对于旋转关节)或沿连接两个连杆的轴线方向(对于移动关节)。通常,$z_i$ 轴是沿着关节的运动方向。

2. $x_i$ 轴的定义: $x_i$ 轴是垂直于 $z_i$ 和 $z_{i1}$ 两个轴的共同法线方向。更具体的说,它是沿着从 $z_i$ 轴到 $z_{i1}$ 轴的向量的右手螺旋方向。换句话说,$x_i$ 轴的定义是通过 $z_i$ 和 $z_{i1}$ 的叉乘得到。

3. $y_i$ 轴的定义: $y_i$ 轴通过右手螺旋定则来确定,使得 $(x_i, y_i, z_i)$ 构成一个右手坐标系。即 $y_i = z_i imes x_i$。

4. 原点的定义: 坐标系 $i$ 的原点通常定义在 $z_i$ 轴上,并且距离前一个坐标系 $i1$ 的原点(或 $z_{i1}$ 轴)的距离是 $d_i$(沿 $z_i$ 轴)。同时,$x_i$ 轴与 $z_{i1}$ 轴的交点处是 $x_i$ 轴的原点。

理解 $x_i$ 的方向

这里的关键在于对 $x_i$ 定义的理解。$x_i$ 轴的方向是根据 $z_i$ 和 $z_{i1}$ 轴的相对位置来确定的,而不是简单地指向下一个连杆或下一个关节的运动方向。

DH参数的核心是定义两个坐标系之间的变换。坐标系 $i1$ 和坐标系 $i$ 是通过一系列的变换(绕 $z_{i1}$ 旋转 $ heta_i$,沿 $z_{i1}$ 平移 $d_i$,沿 $x_i$ 平移 $a_i$,绕 $x_i$ 旋转 $alpha_i$)来联系起来的。

$x_i$ 轴的方向是由 $z_i$ 和 $z_{i1}$ 的方向决定的,它是连接这两个轴的“最短路径”的右手螺旋方向。

为什么会出现看似“不指向下一个轴”的情况?

这种情况的出现,通常是因为:

1. 关节轴线不平行: 如果连杆 $i1$ 的关节轴线 ($z_{i1}$) 和连杆 $i$ 的关节轴线 ($z_i$) 不平行(即 $alpha_i eq 0$ 或 $alpha_i eq pm pi$),那么它们的共同法线方向(也就是 $x_i$ 的方向)就不会与其中任何一个关节轴线平行。
2. 关节轴线不共面: 即使关节轴线平行,但如果连杆 $i$ 的关节轴线不是简单地“平行移动”或“平行旋转”到下一个连杆的关节轴线,那么 $x_i$ 的方向也可能看起来不指向下一个轴。
3. 连杆 $i$ 的运动是沿着 $x_i$ 的。 DH变换的顺序是:先绕 $z_{i1}$ 旋转 $ heta_i$,然后沿 $z_{i1}$ 平移 $d_i$,接着沿新的 $x_i$ 方向平移 $a_i$,最后绕 $x_i$ 旋转 $alpha_i$。因此,$x_i$ 的方向定义了连杆 $i$ 相对于连杆 $i1$ 的平移方向。

以你的例子 $x_2$ 和 $x_4$ 为例

要具体分析 $x_2$ 和 $x_4$ 为什么看起来不指向下一个轴,我们需要知道它们的具体连接的连杆和关节轴线的方向。

假设我们有这样的一个简单机械臂:

关节 1 (J1): 绕 $z_0$ 轴旋转,连杆 0 (基座) 和 连杆 1 (Upper Arm) 连接。
关节 2 (J2): 绕 $z_1$ 轴旋转,连杆 1 (Upper Arm) 和 连杆 2 (Forearm) 连接。
关节 3 (J3): 绕 $z_2$ 轴旋转,连杆 2 (Forearm) 和 连杆 3 (Wrist) 连接。
关节 4 (J4): 绕 $z_3$ 轴旋转,连杆 3 (Wrist) 和 连杆 4 (Endeffector) 连接。

让我们考虑 $x_2$ 的建立(从坐标系 1 到坐标系 2):

1. $z_1$ 轴: 沿着关节 2 的旋转轴。
2. $z_0$ 轴: 沿着关节 1 的旋转轴。
3. $x_1$ 轴: $x_1$ 轴的定义是垂直于 $z_1$ 和 $z_0$ 的共同法线方向。它也定义了从坐标系 0 到坐标系 1 的平移方向 ($a_1$) 和最后一个旋转方向 ($alpha_1$)。
4. $x_2$ 轴: 现在我们要从坐标系 1 到坐标系 2 定义变换。
$z_2$ 轴沿着关节 3 的旋转轴。
$x_2$ 轴是垂直于 $z_2$ 和 $z_1$ 的共同法线方向。
如果 $z_1$ 和 $z_2$ 不平行,那么 $x_2$ 就不会平行于 $z_1$ 或 $z_2$。 它的方向是由这两个轴的相对位置决定的。

想象一下一个机器人手臂的肘部关节 (J2) 和腕部第一个旋转关节 (J3)。

J2 的旋转轴是 $z_1$。
J3 的旋转轴是 $z_2$。

如果 J2 和 J3 的轴线不是完全平行或者有一定角度的偏差,那么它们的共同法线方向 $x_2$ 就可能不指向 J3 的旋转轴本身。

$x_2$ 的作用是定义了从坐标系 1 到坐标系 2 的平移 $a_2$ 的方向,以及从 $z_1$ 轴上的点到 $z_2$ 轴上的点之间的最短距离(如果是 $a_2$ 的话)。 它也是后面绕 $z_2$ 平移 $d_3$ 和绕 $x_2$ 旋转 $alpha_2$ 的参考轴。

同理,考虑 $x_4$ 的建立(从坐标系 3 到坐标系 4):

$z_3$ 轴沿着关节 4 的旋转轴。
$z_4$ 轴(通常定义在末端执行器上,可能与 $z_3$ 平行,也可能不同)沿着末端执行器的某个方向。
$x_4$ 轴是垂直于 $z_4$ 和 $z_3$ 的共同法线方向。

如果关节 4 的旋转轴 $z_3$ 和末端执行器的定义轴 $z_4$ 不平行,那么 $x_4$ 的方向就不可能指向 $z_4$。

$x_i$ 轴的真正意义是:

定义了连杆 $i$ 相对于连杆 $i1$ 的平移方向 ($a_i$)。
定义了连杆 $i$ 的旋转方向 ($alpha_i$)。

DH参数的建立,特别是 $x_i$ 的定义,是为了在每个步骤中将坐标系的变换分解为绕 $z_{i1}$ 旋转,沿 $z_{i1}$ 平移,沿 $x_i$ 平移,绕 $x_i$ 旋转。 $x_i$ 轴被选择为共同法线方向,确保了平移 $a_i$ 和旋转 $alpha_i$ 是在彼此正交的轴上进行的,从而简化了齐次变换矩阵的构建。

总结来说:

$x_i$ 轴的方向不一定指向下一个关节轴 ($z_i$) 或下一个连杆的方向。它的方向是由当前连杆的关节轴线 ($z_i$) 和前一个连杆的关节轴线 ($z_{i1}$) 的相对位置关系决定的,具体来说是它们共同法线的方向。 它的作用是定义连杆 $i$ 相对于连杆 $i1$ 的平移 ($a_i$) 和旋转 ($alpha_i$)。

如果你能提供具体的机器人模型或者DH参数表,我可以更详细地为你分析 $x_2$ 和 $x_4$ 的具体方向是如何确定的。

网友意见

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因为图中的机器人姿态不是在0位啊。

dh坐标只有在所有关节转角皆为0的时候才呈现“xi轴指向下一关节方向”这种姿态。第i关节在转动的时候,其后所有关节的坐标系都会绕zi轴旋转,因此在运行中xi轴是否指向下一关节是受theta_i是否等于0决定的。

图中的dh坐标系的姿态明显是用于描述左图照片中机器人的姿态,这个姿态的关节角并不是全0啊,自然和dh参数描述的标准姿态不一样。

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