六轴机械臂正解（FK）和逆解（IK）算法
整理出了如下几个计算六轴机械臂正解和逆解的关键点：01_机器人坐标系和关节的说明02_算法坐标系的建立03_D-H参数表的建立04_FK（正解）算法05_Matlab辅助计算FK（正解）06_IK（逆解）算法07_Matlab辅助计算IK（逆解）文档中针对FK以及IK算法的推导均有详细的推导过程。希望各位能根据推导过程写出自己的代码。图1针对机器人的关节坐标系,我们还需要规定各个关节的转动方向,如下图所示,我们依次描叙了各个关节的正负方向。在关节坐标系下,机器人各个关节的转动方向,必须和下图相符图22.机器人直角坐标系目前所说的直角坐标系是机器人的工具坐标系,如下图所示,因为该机器人没有安装执行末端,所以,工具坐标系原点在第六轴末端法兰中心处,红色箭头是Ⅹ轴,蓝色箭头是乙轴,根据右手定则确定Y轴方向@图3基坐标系所在的位置是定义机器人基座的位置,如上图所示,坐标系原点在第一关节的中心处,红色箭头所示为Ⅹ轴,蓝色箭头所示为乙轴,根据右手定则,即可确定Y轴的方向。具体如上图旁边那个坐标系所示。当我们说六轴机械臂位姿时,说的是六轴机械臂末端的位姿,该位姿包括六个参数,分别为Ⅹ YZABC。六轴机械臂未端的位姿是以基坐标系作为参考坐标系的:笛卡尔坐标系的Ⅹ轴,Ⅹ轴距离Y:笛卡尔坐标系的Y轴,Y轴距离Z:笛卡尔坐标系的Z轴,z轴距离A:XY-Z固定角坐标系下的偏转角B:X-Y-Z固定角坐标系下的俯仰角C:XY-Z固定角坐标系下的回转角ZA2呈Ax图如上图所示,A对应第一个坐标系中的γ,B对应第二个坐标系中的β,C对应第三个坐标系中的Q。为什么我们需要花费专门的一节来讲解六轴机器人的坐标系和关节?因为我们后续要学习的FK和就是以这个为基础的。FK是已知六轴机械臂在关节坐标系下各个关节转动的角度,然后求解直角坐标系下的Ⅹ YZABOK是已知六轴杋械臂在直角坐标系下的 XYZABO,然后求解关节坐标系下各个关节转动的角度二.算法坐标系的建立为了得出D-H参数表,我们首先需要针对六轴机器人的各个关节建立坐标系,在固定的坐标系下,才能最终得出连杆之间的变换关系,从而建立D-H参数表。82个2算法坐标系确定的通用方法如下1)坐标系的Z轴,与各个关节的旋转中心轴线重合2)坐标系的X轴,与沿着相邻两个z轴的公垂线重合3〕坐标系的Y轴,可以通过右手定则来确定当相邻两个z轴相交时,确定坐标系的方法如下1)坐标系的Y轴,沿着第一个Z轴与下一个z轴相交的延长线为Y轴2)坐标系的Ⅹ轴,通过右手定则确定当相邻两个Z轴平行时,确定坐标系的方法如下1)坐标系Ⅹ轴,相邻两个乙轴平行,做两个乙轴的公垂线,相交于下一个z轴为Ⅹ轴,方向为第一个Z轴到下一个Z轴的方向2)坐标系Y轴,通过右手定则确定三.D-H参数表的建立D-H参数表,实际上是相邻各个关节坐标的变换关系表,根据之前针对各个关节所建立的丛标系,按照如下四条变换规则,即可得到D-H参数表。变换规则1)绕Z轴,旋转9n+1n与Xn+1平行(方向一致))沿Zn轴,平移与Xn+1共线3)沿Xn轴,平移aAn与Xn+1原点重4)将Zn绕Xn+1轴,旋转αn+1Zn与Zn+1共线建立D-H参数表的详细步骤第一步,从第一关节到第二关节之间的变换绕z轴,旋转0度,让X0与X1平行且方向一致沿z轴,平移242,让Ⅺ0与X1共线沿Ⅺ轴,平移0,Ⅺ与X1原点重合将石绕X1轴,旋转90度,Z0与z1共线第二步,从第二关节到第三关节之前的交化绕z1轴,旋转90度,让X1与X2平行且方向一致沿Z1轴,平移0,让X1与X2共线沿X1轴,平移225,X1与X2原点重合将Z1绕X2轴,旋转0度,Z1与Z2共线第三步:从第三关节到第四关节之间的交换绕z2轴,旋转0度,让X2与X3平行且方向一致沿Z2轴,平移0,让Ⅹ2与X3共线沿X2轴,平移0,X2与X3原点重合将Z2绕X3轴,旋转90度,Z2与z3共线第四步:从第四关节到第五关节之间的变换绕z3轴,旋转0度让X3与X4平行且方向一致沿3轴,平移22886,让X3与X4共线沿3轴,平移0,X3与X4原点重合将Z3绕X1轴,旋转90度,Z3与Z1共线第五步:从第五关节到第六关节之间的变换绕Z4轴,旋转90度,让X4与X5平行且方向一致沿Z4轴,平移0,让X4与X共线沿X轴,平移0,X1与K5原点重合将Z4绕X5轴,旋转90度,Z4与z共线第六步:从第六关节到未端之间的变换绕z轴,旋转0度,让X5与X6平行且方向一致沿z轴,平移-50,让X5与X6共线沿X轴,平移0,X5与K6原点重合将z绕X轴,旋转0度,Z5与z6共线根据上图所示机械臂的尺寸参数以及以上六个步骤的变换,D-H参数表如下所示420901-202253-4228.864-5900900-500四.正解(FK)算法根据连杆变换规贝T=R(Z, B1*T(Z, di)*T(X, ai)*R(X, ai)6;00因为R(Z06:00100000aT(Z,a1)=00001000011000T(xa10100001d0001000 caROX. a)= osa oa;0001根据以上矩阵变换,可以得到如下连杆变换的通用矩阵如下Bi -se, ca s0,sa, a,c61s0 ce:cad sa asa0 saca d00根据以上连杆变换的通用矩阵和之前的D-H参数表,可以得到如下δ个连杆变换矩阵e10s61^0S0 0T6100102420001s20-22S620225c62000001620s60b203001000040s日4000c0 0010228.860001s50c650C650s650000006-s6006000C001-40FK算法需要解决的问题是:已知各个关节的转动角度,需要求出末端的位姿。已知:(61,2,θ3,θ4,θs,θ6求解:(X,Y,乙,A,B,C)计算公式如下所示13机器末端的位姿矩阵为72272313273300011722723py07*1T2T*37*4T5Tp000在以上的推导过程中,、T、2、37、4、7分别为相对于01、02、63、64、6s、的已知量。由此可以求解出位置变量(pPP)以及姿态变量a1T2723五. Matlab辅助计算正解(FK)根据上一章,我们有如下结论10s10100102420001s2-c620-225s6CS20225C60010
- 2020-12-05下载
- 积分：1
遗传算法和遗传规划
关于遗传算法的详尽介绍，对于遗传算法中各个模块的参数进行解析，窥视遗传算法的核心部分，对于遗传算法模式定理的深入解析，及由模式定理产生的启迪思想，能够让你更好的理解遗传算法！遗传算法和遗传规划种搜索寻优技术云庆夏黄光球王战权编著冶金工业出版社1597内容筒介遗传算法和遗传规划是一种新兴的搜索优技术。它们仿效生物的进化与遗传,根据“优胜劣汰”原则,使所要解决的问题从初始解一步步地近最优解。本书全面介绍了传算法和遗传规划的基本知识、基本理论和基本技术。全书共分五章,即绪论,遗传算法、遗传规划、遗传算法的应用、邀传就划的应用。本书的特点是深入浅出,可适应不同层欢读者的受求符别适合于工程技术人员、科研人员阅读,也可作为大专院校的教材或参考书图书在版编目(CIP)数据遗传算法和遗传规划/云庆夏等编著.北京:冶金工业出版社,1997,4ISBN7-5024-1983-7I.遗…I.最优搜索Ⅳ.0229中国版本图书馆CP数据核字(97)第07684号日版人卿启云(北京沙摊黄祝院北巷39号,邮编L0009资任编辑田锋赍任校对杨力北京昌平长城印刷「印刷;冶金工业出版社发行;各地新华书经销1997年4月第1版,1997年4月第1收印刷850mm×1168mm1/32;5.25印张;139千字;160页;1-1250册5元前遗传算法( Genetic Algorithm)和遗传规划( Genetic Prograrmming)是一种新兴的搜索寻优技术。它们仿效生物的进化与遗传,根据“生存竞争”和“忧胜劣汰”的原则,借助复制、交换、突变等操作,使所要解决的问题从初始解一步步地逼近最优解。因此,这两种方法又被称为进化计算遗传算法是以单一字符串的形式描述所研究的问题,遗传规划则是用计算机程序的层次格式反映题。前者简单易行,后者适用于各种复杂的间题。遗传规划常常被译作“遗传程序设计它很容易被误解为关于遗传算法的计算机编程技术,因此本书称之为遗传规划无论是遗传算法或遗传规划,在国外已得到广泛应用,它们特别适合解决其它科学技术无法解决或难以解决的复杂间题,如结构优化、非线性优化、机器学习等,是继专家系统、人工神经网络之后又一受人青睐的新学科。我国在这方面的研究和应用方兴未艾,由于缺乏有关这一学科的普及读物,严重影响它们在我国的推和发展。为此,作者根据自己近年来的研究及国内外有关论著编写本书,其目的在于向各专业本科生、研究生及广大工程技术人员全面介绍遗传算法和遗传规划的基本知识、基本理论和基本技术,使这一学科在我国得到莲勃的发展书共分5章:第1章是全书的概述。本章通过两个示例揭示遗传算法和遗传规划的特征。第2章全面介绍遗传算法的基本原理。它包括方法步骤、计算机理及各种算子,其中模式理论是遗传算法的理论基础第3章全面介绍遗传规划的基本原理及各种算子,其中有些法可推广用于遗传算法中。第4章是关于遗传算法的应用情况,限于篇幅这里只介绍四个方面的应用。第5章通过四个领域中的应用,介绍遗传规划的应用情况。本书由西安建筑科技大学云庆夏、黄光球、王战权编著,毋建宏参加本书的校对工作。限于作者水平,书中缺点和错误在所难免,恳请读者批评指作者996.10目录绪论會■早■司鲁郾■曾鲁■血會白■■■申■■■白·會中■會自『會自申■■早中“■鲁曾會『■會罩1■■血『■■■■口1.1生物的进化与遗传曾曾忄·■中中中■1q自『鲁·曾『曾中■中早看产q會會■卓會2遗传算法示例1.3遗传算法秆遗传规划的特征山·■山4哂自西101.4历史回顏与展望…162遗传算法………2.1遗传算法的实施■昏■鲁■212.2模式理论………………,…………322.3遗传算法的算子503遗传规划P山口血詈■■q血■■"口■画甲■■■t■■由口b■晋■口■■白d督甘晋鲁血甲583.1概述如卓●刂昏卓昌甲甲卓●口●昏甲即4甲罍歌●ψ··ψ斷●■■司P●■歌白■島看583.2遗传规划基本原理舂ψ·咖■●自●↓··●■■■仙●■■晕司■·■讠;●■卧看■683.3辅助算子……………………………………………803,4控制参数……853.5模式理论…864遗传算法的应用■894.1概述………………894.2遗传算法在结构优化中应用……se3遗传算法在非线性优化中的应用9644遗传算法在输电系统规划中的应用………………101基于漶传算法的机器学习系统■■口■中白■■■ψ··卩自■195传规划的应用4●■■中自■●中■鲁晋■甲卓晋●画昏斷卩■■顰斷『甚日■口斷1231遗传规划在符号回归中的应用5.2最优控制……………………………………13853人工蚂蚁问题……14754布尔复合算子………………………………………153参文献■司■■司■■■■●『■·冒………4160I1绪论11生物的进化与传遗传算法和遗传规划是受生物进化学说和遗传学说的启发而发展起来的。因此,有必要首先简单回顾生物学的有关内容,以便深入了解遗传算法和遗传规划的本来面貌。不过,读者也可以跳过本节直接阅读下一节1】.1生物的进化地球上的生物,都是经过长期进化而形成的。解释生物进化的学说,主要是达尔文的自然选择学说。该学说的主要内容为:(1)不断繁殖。地球上的生物具有很强的繁殖能力,能产生许多后代。(2)生存竞争。生物的不断繁殖使后代的数目大量增加,而在自然界中生物赖以生存的资源是有限的。因此,为了生存,生物就需要竞争3)适者生存。生物在生存竞争中,根据对环境的适应能力,适者生存,不适者消亡,这是自然选择的结果。4〉遗传和变异。生暂在繁殖过程中,通过遗传,使物种保持相似。与此同时,由于变异,物种会产生差剜,甚至形成新物遗传算法和遗传规划,就是借用生物进化的规律,通过繁殖、遗传、变异、竞争,实现优胜劣汰,一步一步地逼近问题的最优解。因此,它们又被称为进化计算( Evolutionary Computation)。1.z细胞、染色体与DNA1.i.2.1细胞细胞是生物结构和功能的基本单位。细胞通常由细胞膜、细胞质与细胞核三部分组成。细胞膜是细胞最外面的一层薄膜,它把细胞内的物质与外界分隔,起到保护细胞的作用。细胞质是介于细胞膜和细胞核之间的原生质,是透明的胶状物。细胞核是细跑的最内层,是遗传物质贮存和复制的场所。细胞核由核膜、染色质、核液组成11.2.2染色体细胞核中的染色质是一些容易被碱性染料染成深色的物质。逍常,染色质为细长的丝,交织成网状。在细胞分裂期,细胞核内长丝状的染色质高度螺旋化,缩短变粗,形成光学显微镋可以看见的染色体。因此,染色体是染色质在细胞分裂时的一种待殊表现。1.1.2.3DNA染色体主要由蛋白质和DNA组成。DNA又称脱氧核糖核酸,是灬种高分子化合物。组成它的基本单位是脱氧核苷酸,后者又由磷酸、脱氧核糖和含氮碱基三者组成。DNA含四种含氮碱基,即:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤〔G)、胞嘧啶(C〉和胸腺嘧啶T)。DNA的结构是有规则的双螺旋结构,由两条平行的脱氧核苷酸长链盘旋而成,两条链上的碱基通过氢链连结起来,形成碱基对。碱基对只有两种配对方式:A与T配对,C与G配对1.13生物的遗传与变异1.1.3.1传物质生物上下代之间传递遗传信息的物质,称作遗传物质。绝大多数生物的遗传物质是1NA。由于细胞里的DNA大部分在染色体上,因此,遗传物质的主要载体是染色体。生物所以具有遗传现象,是与遗传物质DNA分子的复制有关系的,DNA分子的复制过程始图1-1所示。首先,DNA的两股双螺旋链分离开。然后,以解开的毎股链(母链)为模板,按照碱基互补配对原则,合成出与母链互补的子链。新生成的子链不浙延伸,与相应的母链互相盘绕组成螺旋结构,形成一个新的DNA分子。这样,一个DNA分子就形成两个DNA分子,每条链的碱基序列都和祖体相同,使亲代的遗传信息传递给子代0[j[G】R◇c3OK CH干篮链图1-1DNA分子复制l一解旋:2—碱基配对;3—形成新DNA分子◇一脱氬核糖;一磷酸11.3.2基因基因是控制生物遗传的物质单元,它是有遗传效应的DNA片段。每个基因含有成百上干个脱氧核苷酸。它们在染色体上呈线性排列,这种排列顺序就代表遗传信息
- 2020-12-09下载
- 积分：1
