工业机器人控制技术基础——坐标变换计算与编程 郇极

工业机器人坐标变换计算与编程是工业机器人控制的关键技术,本书通过5种典型结构的工业机器人介绍坐标正变换和逆变换计算方法和程序示例。所选机器人包括6自由度和7自由度的关节式工业机器人,以及6自由度并联工业机器人。每个程序示例都提供了详细的坐标变换公式推导过程和完整的源程序,内容涉及机构学、解析几何、线性代数、数值计算和计算机编程等多方面内容。 

工业机器人坐标变换计算与编程是工业机器人控制的关键技术,本书通过5种典型结构的工业机器人介绍坐标正变换和逆变换计算方法和程序示例。所选机器人包括6自由度和7自由度的关节式工业机器人,以及6自由度并联工业机器人。每个程序示例都提供了详细的坐标变换公式推导过程和完整的源程序,内容涉及机构学、解析几何、线性代数、数值计算和计算机编程等多方面内容。程序示例使用Java语言编写,可以在安卓操作系统平板计算机或手机上运行。本书介绍的坐标变换计算方法和程序示例也可以应用于实际的工业机器人控制系统。
本书可作为机器人工程、智能制造工程、工业自动化专业“机器人控制技术”及相近课程的本科和研究生教材,也可作为工业机器人控制系统开发人员的参考书。

高等院校教师

第1章概述/1
11工业机器人控制与坐标变换计算方法/1
12本书内容与特点/2
13编程环境和程序示例/2
第2章关节式工业机器人结构和控制
系统/3216自由度关节式工业机器人结构和
控制系统/3
22工业机器人控制系统基本原理及控制
过程/3
221工业机器人控制系统基本原理/3
222工业机器人控制具体过程/5
第3章基于几何法的坐标逆变换计算
方法和程序示例1/731坐标正变换计算方法/7
32坐标正变换程序示例1/12
321创建安卓应用程序/12
322创建程序参数/13
323创建_coord_trans_k类/14
324示例程序axis_to_space()/15
325示例程序axis_to_space_op()/18
326测试计算程序示例/20
33坐标逆变换计算方法/23
34坐标逆变换程序示例1/26
341示例程序tool_uvw()/26
342示例程序 space_to_axis()/28
343示例程序uvwx_to_a5()/29
344示例程序space_tool_to_axis()/30
345测试计算程序示例/31
第4章基于几何法的坐标逆变换计算
方法和程序示例2/3441坐标正变换矩阵/34
42坐标正变换程序示例2/36
421坐标正变换程序/36
422测试计算程序示例/37
43坐标逆变换计算方法/39
44坐标逆变换程序示例2/43
441示例程序 tool_uvw()/43
442示例程序space_to_p3p()/45
443示例程序get_a012()/47
444示例程序get_a34p()/48
445示例程序space_to_axis()/49
446示例程序uvw_to_a5()/49
447示例程序space_tool_to_axis
(float[]pos)/50
448测试计算程序示例/51
第5章基于几何法的坐标逆变换计算
方法和程序示例3/5451坐标正变换矩阵/54
52坐标正变换程序示例3/56
521坐标正变换程序/56
522测试计算程序示例/57
53坐标逆变换计算方法/59
531计算关节位置P3/59
532计算关节转角α1和α2/61
533计算关节转角α3和α4/62
534计算关节转角α5/62
54坐标逆变换程序示例3/63
541示例程序tool_uvw()/63
542示例程序space_to_p3()/64
543示例程序get_a012()/65
544示例程序get_a34()/65
545示例程序space_to_axis()/66
546示例程序uvwx_to_a5()/66
547示例程序space_tool_to_axis()/67
548测试计算程序示例/68
第6章数字迭代坐标逆变换计算方法和
程序示例4/7161坐标正变换矩阵/71
62坐标正变换程序示例4/74
621坐标正变换程序/74
622测试计算程序示例/74
63坐标逆变换计算方法/76
631牛顿拉普森迭代法/76
632建立非线性方程组/77
633计算雅可比矩阵和逆矩阵/78
634迭代计算求解sinα0,sinα1,sinα3,
sinα4,sinα5/84
635求解关节转角α6/85
636多重解的选择/85
64坐标逆变换程序示例4/86
641示例程序tool_uvw()/86
642示例程序space_to_axis_sub()/87
643示例程序set_t012345()/90
644示例程序newton_func3()/91
645示例程序set_df_ds()/92
646示例程序set_df3_ds()/93
647示例程序set_jacob()/95
648示例程序uvwx_to_a6/95
649示例程序space_to_axis()/96
6410示例程序space_tool_to_axis()/97
6411测试计算程序示例/98
第7章六杆并联工业机器人坐标变换
计算方法和程序示例5/10271六杆并联机器人结构参数 /103
72坐标逆变换计算方法/103
721计算下平台球铰的位置/103
722计算关节转角/104
73坐标逆变换程序示例5/106
731机器人结构参数/106
732示例程序set_trans101112()/107
733示例程序pos_pt_to_6p4()/108
734示例程序p4xy_to_a1()/109
735示例程序pos_p4_to_a1()/110
736示例程序pos_pt_to_6a1()/112
737测试计算程序示例/113
74坐标正变换计算方法/115
741构建非线性方程组/115
742建立雅可比矩阵/116
743迭代计算/117
744计算工具位置和姿态/117
75坐标正变换程序示例6/118
751示例程序axis_6a1_to_p5()/118
752示例程序axis_6a1_to_pt()/123
753测试计算程序示例/123
第8章复合迭代坐标逆变换计算方法和
程序示例6/12581坐标正变换矩阵和坐标正变换程序
示例6/125
82坐标逆变换计算方法/126
821计算工具方向矢量/126
822复合迭代计算初始参数/126
823复合迭代计算/127
824用牛顿拉普森迭代法求解关节
转角α0,α1,α3/128
83坐标逆变换程序示例6/130
831示例程序tool_uvw()/131
832示例程序set_t012345()/131
833示例程序set_df_ds()/132
834示例程序space_a45_to_a013()/134
835示例程序space_to_axis()/136
836示例程序uvwx_to_a6()/138
837示例程序space_tool_to_axis()/138
84测试计算程序示例/138
附录/142
附录A主程序MainActivity/142
附录B程序参数源程序/174
B1常数CONST/174
B2参数ROB_PAR/174
B3静态变量ROB_MOVE/176
附录C程序示例1的_coord_trans_k类源

工业机器人的运动由控制系统控制产生,控制系统的计算机控制程序实现机器人操作工具的位置和姿态的运动控制。应用最广泛的关节式工业机器人或并联机器人通常具有6个或7个自由度,它的运动控制需要完成复杂的坐标逆变换计算,由机器人工具在直角坐标系的位置和姿态计算关节转角。它涉及机构学、解析几何、线性代数、数值计算和计算机编程等多方面内容,是机器人控制的核心关键技术。
作者于2016年开始在北京航空航天大学的数控和伺服技术实验室网站上(www.nc-servo.com)发布自己开发的系列虚拟工业机器人控制程序(PAD ROBOT),这些控制程序可在安卓操作系统手机和平板计算机上运行。目前已发布15种关节式机器人、3种双臂机器人和3种并联机器人的控制程序,以便于进行工业机器人教学和编程练习。其中一种7自由度机器人坐标变换方法和程序被国内著名工业机器人控制器生产厂商采用,应用于实际的工业机器人产品之上。本书选取了其中5种结构工业机器人的坐标逆变换程序作为编程示例,向读者介绍工业机器人控制技术中的坐标逆变换计算方法和编程技术。所选机器人包括6自由度和7自由度的关节式工业机器人,以及6自由度并联工业机器人,通过程序示例,读者可以更容易理解和掌握各种复杂的坐标逆变换计算方法和编程方法。
本书向读者介绍了3种关节式工业机器人坐标逆变换计算方法:
1)几何法:该方法利用机器人结构的几何关系,通过分解位置和姿态变量,完成关节式工业机器人的坐标逆变换计算。
2)牛顿拉普森迭代法 :该方法是一种数值计算方法,本书采用牛顿拉普森迭代法完成6自由度或7自由度关节式机器人坐标逆变换计算方法,包括工业机器人坐标逆变换非线性方程组和雅可比矩阵的构建方法。
3)复合迭代法:该方法是作者研究独创的一种数值计算方法。利用机器人结构的几何关系,分解机器人的位置和姿态变量,通过代数迭代和3元牛顿拉普森方程的复合迭代组合,可以完成所有复杂结构工业机器人的坐标逆变换计算。这种计算方法比直接牛顿拉普森迭代法更加简便。
此外,本书还结合两种方法完成了一种6自由度六杆并联机器人的坐标变换方法和编程:首先用牛顿拉普森迭代法完成坐标正变换计算,然后用几何法完成坐标逆变换计算。
本书的主要内容如下:
1)第1章为概述,介绍了本书的内容概要和特点。
2)第2章介绍工业机器人控制系统软硬件结构和控制系统的控制原理。
3)第3章介绍使用几何法完成一种典型6自由度关节式机器人坐标变换的计算方法和程序示例1。
4)第4章介绍使用几何法完成一种6自由度手腕关节偏移结构机器人坐标变换的计算方法和程序示例2。
5)第5章在第4章的基础上,改变关节J4和J5的旋转轴初始布置方向,介绍使用几何法完成一种6自由度手腕关节偏移结构机器人坐标变换的计算方法和程序示例3。
6)第6章介绍使用牛顿拉普森迭代法完成一种7自由度关节式机器人坐标变换的计算方法和程序示例4。
7)第7章介绍一种六杆并联机器人坐标逆变换计算方法和牛顿拉普森数值迭代坐标正变换计算方法,以及程序示例5。
8)第8章介绍一种6自由度关节式机器人的复合迭代坐标逆变换方法和程序示例6。
9)附录列出了全部程序示例的完整源程序,便于读者学习和进行编程应用。结合本书的理论讲解,读者可以利用本书提供的编程示例,编写自己的坐标变换计算程序并进行验证。本书程序示例是使用Java语言编写的,使用了与C语言相同的指令集,可以直接转换成C语言程序。
书中难免有疏漏和不足之处,敬请各位读者批评指正。
作者前言