Świat robotyki poczynił niezwykłe postępy w ostatnich latach, prowadząc do znacznych postępów w różnych branżach. Aby poruszać się po złożonym środowisku, roboty polegają na precyzyjnym układzie współrzędnych. Zrozumienie układu współrzędnych robota ma kluczowe znaczenie zarówno dla inżynierów, programistów, jak i entuzjastów, ponieważ stanowi podstawę sterowania ruchem, lokalizacji i planowania ścieżki. W tym artykule zagłębimy się w zawiłości układu współrzędnych robota, badając jego komponenty, reprezentacje, transformacje i zastosowania.
1. Co to jest układ współrzędnych?
Układ współrzędnych to struktura matematyczna używana do definiowania pozycji i orientacji w danej przestrzeni. Składa się z osi, pochodzenia i jednostek miary. Roboty wykorzystują określony typ układu współrzędnych, znany jako układ współrzędnych robota lub układ współrzędnych robotów. System ten umożliwia robotowi zrozumienie otoczenia i efektywne poruszanie się po nim.
2. Elementy składowe układu współrzędnych robota
Układ współrzędnych robota zazwyczaj składa się z trzech głównych elementów:
A. Osie X, Y i Z: reprezentują trójwymiarową przestrzeń, w której działa robot. Oś X jest skierowana do przodu, oś Y jest skierowana w lewo, a oś Z jest skierowana do góry, tworząc kartezjański układ współrzędnych.
B. Początek: Początek to punkt odniesienia, od którego mierzone są wszystkie pozycje. Służy jako punkt wyjścia dla ruchu robota.
C. Orientacja: Orientacja robota jest opisana za pomocą kątów Eulera (przechylenie, pochylenie i odchylenie) lub kwaternionów. Kąty te reprezentują obrót robota odpowiednio wokół jego osi X, Y i Z.
3. Reprezentacje układu współrzędnych robota
Aby dokładnie odwzorować pozycję i orientację robota, stosowane są różne układy współrzędnych:
A. Globalny układ współrzędnych: Znany również jako globalny układ współrzędnych, jest to bezwzględny układ odniesienia ustalony w środowisku robota. Pozycja i orientacja robota są mierzone względem tej globalnej ramki.
B. Układ współrzędnych podstawy robota: Jest to lokalny układ współrzędnych przymocowany do podstawy robota. Kąty przegubów robota i pozycja narzędzia są mierzone względem tego układu współrzędnych.
C. Układ współrzędnych efektora końcowego: Efektor końcowy jest narzędziem lub chwytakiem robota i ma własny układ współrzędnych. Położenie i orientacja narzędzia są mierzone względem tej lokalnej ramki.
4. Transformacje w układzie współrzędnych robota
Robotyka często wymaga przekształcania pozycji i orientacji między różnymi układami współrzędnych. Najczęstsze przekształcenia to:
A. Translacja: Obejmuje to przesunięcie punktu z jednej pozycji do drugiej w tym samym układzie współrzędnych. Wpływa tylko na współrzędne X, Y i Z.
B. Obrót: Obrót polega na zmianie orientacji punktu lub obiektu w przestrzeni bez zmiany jego położenia. Jest to niezbędne do konwersji orientacji między układami współrzędnych.
C. Homogeniczne transformacje: Jednorodna macierz transformacji służy do łączenia transformacji translacji i rotacji. Umożliwia bezproblemową konwersję pozycji i orientacji między różnymi układami współrzędnych.
5. Kinematyka do przodu
Kinematyka do przodu jest podstawową koncepcją w robotyce. Jest to proces określania pozycji i orientacji efektora końcowego robota na podstawie kątów przegubów robota. Obliczenia kinematyki do przodu zależą od łańcucha kinematycznego robota i parametrów Denavita-Hartenberga (DH).
6. Kinematyka odwrotna
Kinematyka odwrotna jest procesem odwrotnym do kinematyki postępowej. Biorąc pod uwagę pożądaną pozycję i orientację efektora końcowego, kinematyka odwrotna pomaga obliczyć kąty połączenia wymagane do uzyskania tej konfiguracji. Rozwiązywanie kinematyki odwrotnej jest bardziej złożone niż kinematyki postępowej i często wymaga metod numerycznych.
7. Zastosowania układu współrzędnych robota
Układ współrzędnych robota znajduje szerokie zastosowanie w robotyce i automatyce:
A. Planowanie ruchu: Roboty wykorzystują układ współrzędnych do planowania i wykonywania precyzyjnych ruchów, umożliwiając im dokładne wykonywanie zadań.
B. Lokalizacja: aby nawigować autonomicznie, roboty muszą określić swoją pozycję i orientację względem otoczenia, często przy użyciu technik takich jak jednoczesna lokalizacja i mapowanie (SLAM).
C. Planowanie ścieżki: Układ współrzędnych robota pomaga w znalezieniu optymalnych ścieżek dotarcia do lokalizacji docelowej, unikając przeszkód.
D. Manipulacja robotami: aby roboty mogły wchodzić w interakcje z obiektami i wykonywać zadania manipulacyjne, muszą precyzyjnie kontrolować efektor końcowy za pomocą układu współrzędnych.
mi. Operacje Pick-and-Place: Roboty przemysłowe wykorzystują układ współrzędnych do wybierania obiektów z jednego miejsca i umieszczania ich w innym.