Tính toán động học về phía trước thường là bước đầu tiên quan trọng để sử dụng robot mới trong nghiên cứu. Mặc dù có một số hướng dẫn thanh trượt vuông tốt có sẵn trực tuyến, cho đến nay vẫn chưa có hướng dẫn từng bước đơn giản để tính toán động học chuyển tiếp. Trong bài đăng này, chúng tôi cung cấp một hướng dẫn đơn giản cùng với một số mẹo tính toán động học của bất kỳ thao tác robot nào.
Tính toán động học là một kỹ năng nền tảng cho các kỹ sư robot. Động học đôi khi có thể là một nỗi đau, tuy nhiên, việc được nói với ông go go và tính toán Chuyển động chuyển tiếp gần như là một tốc ký nghiên cứu về robot cho việc đi và làm quen với robot robot này. Đây là bước đầu tiên quan trọng khi sử dụng bất kỳ robot mới nào trong nghiên cứu, đặc biệt là cho các tay thao tác.
Mặc dù tôi đã học lý thuyết về động học ở trường đại học, nhưng cho đến khi tôi tính toán các giải pháp động học khác nhau cho một vài robot thanh trượt vuông giá rẻ
nghiên cứu thực tế thì toàn bộ quá trình bắt đầu cảm thấy trực quan. Thậm chí sau đó, vì tôi không tính toán động học mỗi ngày nên tôi phải quay lại ghi chú của mình để nhắc nhở bản thân mình cách làm điều đó mỗi lần. Sẽ rất hữu ích khi có một hướng dẫn từng bước để nhắc nhở bản thân tôi phải trải qua giai đoạn nào, mà không cần phải đọc qua hàng trăm trang phương trình học thuật được viết trong sách giáo khoa. Một loại động lực gian lận trong trò chơi gian lận có thể hữu ích.
Bài này chính xác là loại gian lận. Hiện tại, chúng tôi chủ yếu tập trung vào phương pháp Devanit-Hartenberg (DH) để chuyển tiếp động học, vì nó là phổ biến nhất, và chúng tôi sẽ chuyển động ngược lại trong một bài viết trong tương lai.
Bước 1: Lấy bút chì và giấy
Nó có thể hấp dẫn để nhảy thẳng vào máy tính khi bắt đầu với một robot mới. Tuy nhiên, ngay cả khi robot trông giống như một ray trượt vuông cũ hay máy thao tác tiêu chuẩn của BBC 6R, tôi luôn ngồi xuống với một cây bút chì và giấy để vẽ sơ đồ động học. Nhiệm vụ đơn giản này buộc bạn phải xem xét cẩn thận cấu hình vật lý thực tế của robot, tránh các giả định sai lầm có thể tàn phá sau này trong quá trình mã hóa.
Có nhiều cách khác nhau để vẽ một chuỗi động học. Chọn bất cứ phong cách nào bạn thích. Tôi ủng hộ các hình trụ đơn giản cho các khớp và vòng quay cho các liên kết. Thực hiện Tìm kiếm hình ảnh của Google cho sơ đồ động học của người Hồi giáo và xem một số kiểu khác nhau có sẵn.
Khi bạn vẽ, hãy tìm ra cách mỗi khớp di chuyển và vẽ chuyển động này dưới dạng mũi tên hai đầu vào sơ đồ.
Bước 2: Tìm ra trục của bạn
Bước quan trọng tiếp theo là vẽ các trục lên mỗi khớp. Cách tiếp cận DH gán một trục khác nhau cho mỗi khớp di chuyển.
Nếu bạn thiết lập trục chính xác thì làm việc với robot sẽ dễ dàng. Thiết lập chúng không chính xác và bạn sẽ chịu vô số đau đầu. Các trục này sẽ được yêu cầu bởi các trình mô phỏng, bộ giải động học nghịch đảo và thậm chí các nhà nghiên cứu khác (không ai muốn giải quyết vấn đề động học về phía trước nếu ai đó đã làm nó).
Trục z phải nằm trên trục quay, đối với khớp quay tròn hoặc trục mở rộng, đối với khớp hình lăng trụ. Trục x phải nằm dọc theo đường trục thông thường phổ biến, đó là đường trực giao ngắn nhất giữa trục z trước và trục z hiện tại. Hãy xem video dưới đây để xem cách thiết lập chúng:
Cá nhân, tôi vẽ các trục bằng cách tô màu sau: trục z (màu xanh) , trục x (màu đỏ) và trục y (màu xanh lá cây) . Đây là bảng màu được sử dụng trong trình hiển thị RViz từ ROS. Quay trở lại thời đại học của tôi, giảng viên của chúng tôi đã tạo ra một tác phẩm điêu khắc trục Trục trong số ba ống hút màu bị mắc kẹt trong một quả cầu màu xanh để giải thích lý thuyết cho chúng tôi. Mặc dù điều này có vẻ hơi giống vở kịch giáo dục, nhưng đôi khi nó thực sự hữu ích khi bạn có thể đặt tác phẩm điêu khắc bên cạnh robot vật lý để đảm bảo rằng bạn đã cầm rìu đi đúng hướng. Đối với phiên bản ảo này, hãy kiểm tra công cụ tương tác này .
Bước 3: Ghi nhớ nỗ lực cuối cùng của bạn
Mục tiêu của việc tính toán động học về phía trước là để có thể tính toán tư thế đầu cuối từ vị trí của các khớp.
Hầu hết các hướng dẫn động học về phía trước sẽ khái quát hóa hiệu ứng cuối như một khoảng cách duy nhất từ khớp cuối cùng. Điều này là tốt cho một kẹp kẹp đơn giản, mở đóng mở. Tuy nhiên, vì các dụng cụ kẹp hiện đại thường phức tạp hơn mức này, nên xem xét cách thức hoạt động của bộ lọc cuối. Ví dụ, Bộ kẹp thích ứng 3 ngón Robotiq có một vài chế độ kẹp khác nhau. Mỗi chế độ sẽ tương ứng với một tư thế effector cuối mong muốn hơi khác nhau. Bạn nên xem xét hiệu ứng đầu cuối một cách cẩn thận khi xây dựng mô hình động học.
Bước 4: Tính toán các tham số DH
Các tham số Denavit-Hartenberg thường được yêu cầu để nhập mô hình robot vào trình giả lập và bắt đầu thực hiện bất kỳ loại phân tích nào trên nó.
Cách tốt nhất để hình dung các thông số DH là một lần nữa xem video ở trên. Có một cái nhìn thêm một lần nữa với các thông số DH trong tâm trí.
Các tham số DH chia mỗi khớp của robot thành bốn tham số, mỗi tham số được lấy với tham chiếu đến khớp trước đó. Chúng được tính toán theo tham chiếu đến các điểm chung thông thường của người dùng được mô tả ở trên. Lưu ý rằng nếu trục z trước đó giao với trục z hiện tại, thường là trường hợp thông thường, thì thông thường có độ dài bằng không.
- d - khoảng cách giữa trục x trước và trục x hiện tại, dọc theo thông thường
- θ - góc quanh trục z giữa trục x trước và hiện tại trục x.
- a (hoặc r) - chiều dài của bình thường
- α - góc xung quanh thông thường chung giữa trục z trước và trục z hiện tại.
Đi qua từng khớp trên bản vẽ của bạn và viết ra các tham số DH cho từng khớp. Mỗi khớp nên có một giá trị, đó là một biến đại diện cho khớp được kích hoạt. Để giải thích chi tiết hơn và một số ví dụ, tôi đề xuất bản tin này của Peter Corke hoặc chương này từ Giới thiệu về Robotics .
Các lựa chọn thay thế cho các tham số DH - Cách tiếp cận DH là cách tiếp cận phổ biến nhất để chuyển động, nhưng nó không hoàn hảo. Một trong những thất bại của nó là nó không xử lý các trục z song song rất thanh lịch. Có nhiều lựa chọn thay thế khác nhau, bao gồm các biểu diễn Lý thuyết trục vít, Hayati-Roberts và các mô hình hình học khác ( xem bài viết này để so sánh ). Mặc dù đây có thể là (hoặc có thể) không phải là cách tiếp cận tốt hơn, nhưng hầu hết các thư viện động học dưới đây đều chấp nhận các tham số DH và vì lý do đó, đó là cách tiếp cận hợp lý để bắt đầu.
Bước 5: Chọn thư viện của bạn
Có rất nhiều thư viện phần mềm động học, và nhiều trong số chúng làm được nhiều hơn là chỉ tính toán động học chuyển tiếp. Hầu hết trong số chúng bao gồm các bộ giải động học nghịch đảo, động lực học, trực quan hóa, lập kế hoạch chuyển động và phát hiện va chạm, để chỉ một vài tính năng. Các thư viện này sẽ chuyển đổi các tham số DH của bạn thành ma trận, sau đó được nhân với nhau để tính toán mối quan hệ giữa các vị trí khớp và tư thế kết thúc.
Tất nhiên, bạn cũng có thể dễ dàng di chuyển thư viện động học chuyển tiếp của riêng bạn bằng ngôn ngữ lập trình yêu thích của bạn, nếu bạn nghiêng về hướng đó. Tôi đã tự mình thực hiện phương pháp này, nhưng ngoài việc là một bài tập học tập tốt, nó không mang lại nhiều lợi ích hơn so với việc sử dụng một thư viện hiện có.
Một số thư viện phát triển tốt bao gồm: Thư viện Robotics , Thư viện Động lực học và Động lực học Orocos , ROS MoveIt , OpenRave , RoboAnalyzer và Hộp công cụ Robot Matlab .
Mặc dù bạn thường sẽ yêu cầu chuyển động nghịch đảo để thực sự điều khiển robot, tính toán động học về phía trước là một bước cần thiết để làm quen với bất kỳ cánh tay robot mới nào. Nếu bạn thấy bài đăng này hữu ích, hãy đảm bảo đánh dấu nó để bạn có thể tìm thấy nó khi bạn gặp một robot mới!
Phương pháp yêu thích của bạn để làm quen với động học của robot mới là gì? Bạn có thích phương pháp khác hơn các tham số DH? Bạn đã có câu hỏi nào về việc triển khai Chuyển động chuyển tiếp trong robot nghiên cứu của mình chưa? Hãy cho chúng tôi trong các ý kiến dưới đây.