迭代牛顿-欧拉法——机器人动力学逆解

2023-05-16

迭代牛顿-欧拉法

  • 牛顿欧拉法的步骤
    • 向外回归(outward recursion)
      • step 1
      • step 2
    • 向内回归(inward recursion)
      • step 3
      • step 4
  • 牛顿欧拉法的三种形式
    • 无坐标系NE算法(Coordinate-Free Algorithm)
    • 连杆坐标系NE算法(Link-Coordinates Algorithm)
    • 3-D向量NE算法

牛顿欧拉法的步骤

牛顿欧拉法(NE)是求解机器人动力学逆解的一种方法。动力学逆解定义为:已知机器人的构型 q q q和运动的速度 q ˙ \dot{q} q˙和加速度 q ¨ \ddot{q} q¨,求解产生这种运动状态的各关节的力矩 τ τ τ
我们把机器人的构型描述成一棵树,base body 为根节点,相应的末端工具手就是叶节点。NE分为两次回归:向外回归和向内回归,每个回归分为2步,所以NE一共四部。

向外回归(outward recursion)

step 1

从根节点开始向外逐个计算每个link的速度和加速度,一直计算到末端。速度公式为
在这里插入图片描述
其中v i i i是link i的速度,v p ( i ) p(i) p(i)是link i-1的速度, Φ i Φ_i Φi是joint i的运动矩阵, q i ˙ \dot{q_i} qi˙是joint i的速度。
对上式求导即可得每个link的加速度
在这里插入图片描述
上式没有考虑重力的作用,若是考虑重力加速度的作用,a 0 0 0也就是初试加速度应该为-a g g g

step 2

根据每个link的速度和加速度计算其运动方程
在这里插入图片描述
其中 I i I_i Ii是link i的惯量,f i a ^a_i ia是link i所受合力

向内回归(inward recursion)

step 3

根据每一个关节,计算link 所受的力
在这里插入图片描述
上式中,f i e ^e_i ie是该link所受外力,比如弹簧、阻尼、力场力,包括由于和环境接触而受到的力。f i _i i是joint i施加于link i的力, c ( i ) c(i) c(i)是link i的所有子link,就是接在link i上的link。
故而上式可以变成
在这里插入图片描述
如果重力也需要考虑在内,应当将重力包含在f i e ^e_i ie中。

step 4

计算每个joint 应当提供的力矩
在这里插入图片描述

牛顿欧拉法的三种形式

无坐标系NE算法(Coordinate-Free Algorithm)

最为简单方便,但是不适合数值计算。
在这里插入图片描述

连杆坐标系NE算法(Link-Coordinates Algorithm)

先解释一下什么是两岸坐标系算法,
如果为每一个link都定义了一个坐标系、并且与link i相关的计算都是在这个为link i定义的坐标系中计算的,这个算法就叫做连杆坐标系算法(Link-Coordinates Algorithm)。
式(3.71)~(3.75)中,(3.73)和(3.75)只和link i有关,因而符合连杆坐标系算法的要求。(3.71)、(3.72)和(3.74)不符合要求,需要进行处理。
处理后的结果如下所示
在这里插入图片描述
其实就是把不是用link i坐标系表示的变量,统统换成用link i坐标系表示。
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其中jtype返回joint i的关节类型,xjcalc计算关节i的变换矩阵。

3-D向量NE算法

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