IAR234_02_Fundamentos_1

IAR234 Robótica UNIDAD 02: FUNDAMENTOS MATEMÁTICOS Y FÍSICOS. (1ra parte)

Contenidos 1. Descrip Descripció ción n de de la posici posición: ón: coorde coordenad nadas as cartesi cartesiana anas, s, cilíndricas y esféricas 2. Descrip Descripció ción n de de la orien orientac tación ión y matric matrices es asociad asociadas. as. 3. Trasla aslaci ción ón y rot rotac ació ión n.

4. Velocid elocidad, ad, acele acelera ració ción n momen momento to de de inerc inercia, ia, cen centro tro de masa masa y tensor de inercia. 5. Cinemá Cinemátic ticaa del del robot robot:: cinemá cinemátic ticaa dire directa cta e inve invers rsa. a. 6. Cine Cinemá máti ticca del del mov movim imie ien nto to.. 7. Fu Fuer erza zass que que actú actúan an sobr sobree el rob robot ot y equ equililib ibri rio. o. 8. Dinámi Dinámica ca del del robo robot: t: métod métodos os de de Lagra Lagrange nge y de Newt Newtonon-Eul Euler er 9. Ejer Ejerci cici cios os sobr sobree diná dinámi mica ca de robo robots ts.. Primavera-2008

Dr Juan José Aranda Aboy

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Contenidos 1. Descrip Descripció ción n de de la posici posición: ón: coorde coordenad nadas as cartesi cartesiana anas, s, cilíndricas y esféricas 2. Descrip Descripció ción n de de la orien orientac tación ión y matric matrices es asociad asociadas. as. 3. Trasla aslaci ción ón y rot rotac ació ión n.

4. Velocid elocidad, ad, acele acelera ració ción n momen momento to de de inerc inercia, ia, cen centro tro de masa masa y tensor de inercia. 5. Cinemá Cinemátic ticaa del del robot robot:: cinemá cinemátic ticaa dire directa cta e inve invers rsa. a. 6. Cine Cinemá máti ticca del del mov movim imie ien nto to.. 7. Fu Fuer erza zass que que actú actúan an sobr sobree el rob robot ot y equ equililib ibri rio. o. 8. Dinámi Dinámica ca del del robo robot: t: métod métodos os de de Lagra Lagrange nge y de Newt Newtonon-Eul Euler er 9. Ejer Ejerci cici cios os sobr sobree diná dinámi mica ca de robo robots ts.. Primavera-2008

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Objetivos específicos •

Explicar el funcionamiento de la arquitectura de un robot y de las partes que integran esa arquitectura.

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Localización espacial del robot •

•

La necesidad de manipular piezas demanda el movimiento espacial del extremo del robot, lo que muestra muestra la necesidad de disponer de herramientas herramientas matemáticas matemáticas para especificar la posición y orientación de dicho extremo. Por nuestros nuestros estudios e studios previos, conocemos que podemos representar representar una posición en el espacio empleando un sistema sistema de coordenadas, siendo comunes el cartesiano y el polar.

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Representación espacial: Posición •

Se establece un sistema de coordenadas con el cual podemos localizar cualquier punto en el espacio mediante un vector de posición (3x1).

•

Se indica con un superíndice el sistema de coordenadas al cual dicho vector es referido.

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Representación de la posición en coordenadas cartesianas

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Representación de la posición en coordenadas polares/cilíndricas

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Representación de la posición en coordenadas esféricas •

Otra alternativa 3D son las coordenadas esféricas:

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Orientación •

Para describir la orientación de un cuerpo respecto de un sistema de coordenadas dado, se le asigna solidariamente a este, otro sistema de coordenadas:

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Descripción de la orientación relativa •

•

Luego se da la “descripción” de este sistema de coordenadas “relativa” al sistema de coordenadas de

referencia. Existen varios métodos para representar orientaciones:  –

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Matriz de Rotación. Ángulos de Euler (ZXZ y ZYZ) Roll, pitch and yaw. Par de rotación (o Vector - ángulo). Cuaternios: Para describir la orientación de un cuerpo respecto de un sistema de coordenadas dado.

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Representación de la orientación. Matrices de Rotación 2D •

•

La orientación de un objeto respecto a una referencia se realiza empleando una matriz. Una matriz de rotación es ortonormal: R-1=RT

R es conocida como matriz de cosenos directores Primavera-2008

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Matrices de Rotación 3D (1)

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Matrices de Rotación 3D (2)

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Composición de rotaciones Orden de la composición: 1. Rotación sobre OX 2. Rotación sobre YO 3. Rotación sobre OZ

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Ángulos de Euler 1. Girar el sistema OUVW un ángulo f con respecto al eje OZ, convirtiéndose así en el OU'V'W'. 2. Girar el sistema OU'V'W' un ángulo q con respecto al eje OU', convirtiéndose así en el OU''V''W''. 3. Girar el sistema OU''V''W'' un ángulo y respecto al eje OW'‘ convirtiéndose finalmente en el OU'''V'''W''' Primavera-2008

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Roll, Pitch y Yaw 1. Girar el sistema OUVW un ángulo y con respecto al eje OX. (Yaw) 2. Girar el sistema OUVW un ángulo q con respecto al eje OY. (Pitch) 3. Girar el sistema OUVW un ángulo f con respecto al eje OZ. (Roll)

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Par de rotación •

Mediante la definición de un vector k (kx,ky.kz) y un ángulo de giro q , tal que el sistema OUVW corresponde al sistema OXYZ girado un ángulo q sobre el eje k

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Cuaternios •

•

Alta eficiencia computacional Utilizados por algunos fabricantes de robots (ABB) Q=[q0,q1,q2,q3]=[s,v   ]

•

Giro de un ángulo 2 sobre el vector k:

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Coordenadas homogéneas •

•

•

•

Coordenadas de un espacio (n+1)-dimensional para representar sólidos en el espacio n-dimensional. p(x,y,z) p(wx,wy,wz,w) con w=factor de escala Vector en coordenadas homogéneas:

Ejemplo: 2i+3j+4k [4,6,8,2]T ó [-6,-9,-12,-3]T Vector nulo:[0,0,0,n]T

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Matrices de transformación homogénea •

Matriz 4x4 que representa la transformación de un vector en coordenadas homogéneas de un sistema de coordenadas a otro.

R3x3: matriz de rotación p3x1: vector de traslación f 1x3: transformación de perspectiva w1x1: escalado global (1) Primavera-2008

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Aplicación de las matrices de transformación homogénea

•

•

•

Representar la posición y orientación de un sistema girado y trasladado O'UVW con respecto a un sistema fijo de referencia OXYZ., que es lo mismo que representar una rotación y traslación realizada sobre un sistema de referencia. Transformar un vector expresado en coordenadas con respecto a un sistema O'UVW, a su expresión en coordenadas del sistema de referencia OXYZ. Rotar y trasladar un vector con respecto a un sistema de referencia fijo OXYZ.

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Traslación con matrices homogéneas •

Matriz básica de traslación:

•

Cambio de sistema de coordenadas:

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Ejemplo de traslación (1) •

•

Según la figura el sistema O'UVW está trasladado un vector p(6,-3,8) con respecto del sistema OXYZ. Calcular las coordenadas (rx , ry ,rz) del vector  r cuyas coordenadas con respecto al sistema O'UVW son ruvw(-2,7,3)

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Ejemplo de traslación (2) •

Calcular el vector r’xyz resultante de trasladar al vector rxyz(4,4,11) según la transformación T(p) con p(6,-3,8)

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Rotación con matrices homogéneas •

Matrices de rotación básicas:

•

Cambio de sistema de coordenadas:

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Ejemplo de rotación •

•

Según la figura el sistema OUVW se encuentra girado -90º alrededor del eje OZ con respecto al sistema OXYZ. Calcular las coordenadas del vector rxyz si ruvw = [4,8,12]T

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Combinación de rotaciones y traslaciones (1) •

•

Es posible combinar rotaciones y traslaciones básicas multiplicando las matrices correspondientes El producto NO es conmutativo: rotar y trasladar ≠ trasladar y rotar

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Combinación de rotaciones y traslaciones (2) •

Rotación seguida de traslación:

•

Traslación seguida de rotación:

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Ejemplo de combinación traslaciónrotación (1) •

•

Un sistema OUVW ha sido girado 90º alrededor del eje OX y posteriormente trasladado un vector p(8,4,12) con respecto al sistema OXYZ. Calcular las coordenadas (rx ,ry ,rz) del vector r con coordenadas ruvw (-3,4,-11)

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Ejemplo de combinación traslaciónrotación (2) •

•

Un sistema OUVW ha sido trasladado un vector p(8,4,12) con respecto al sistema OXYZ y girado 90º alrededor del eje OX. Calcular las coordenadas (rx , ry , rz) del vector  r de coordenadas ruvw (-3,4,-11)

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Significado geométrico de las matrices homogéneas

n,o,a: terna ortonormal que representa la orientación p: vector que representa la posición

||n||=||o||=||a||=1 nxo=a

[n o a]-1=[n o a]T Primavera-2008

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Inversa de una matriz de transformación homogénea

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Composición de matrices homogéneas (1) •

•

•

Una transformación compleja puede descomponerse en la aplicación consecutiva de transformaciones simples: giros básicos y traslaciones. Una matriz que representa un giro de un ángulo a sobre el eje OX, seguido de un giro de ángulo f sobre el eje OY y de un giro de un ángulo q sobre el eje OZ, puede obtenerse por la composición de las matrices básicas de rotación:

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Composición de matrices homogéneas (2)

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Criterios de composición de matrices homogéneas •

•

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Si el sistema fijo OXYZ y el sistema transformado O'UVW son coincidentes, la matriz homogénea de transformación será la matriz 4 x 4 unidad, I4 Si el sistema O'UVW se obtiene mediante rotaciones y traslaciones definidas con respecto al sistema fijo OXYZ, la matriz homogénea que representa cada transformación se deberá premultiplicar sobre las matrices de las transformaciones previas. Si el sistema O'UVW se obtiene mediante rotaciones y traslaciones definidas con respecto al sistema móvil, la matriz homogénea que representa cada transformación se deberá postmultiplicar sobre las matrices de las transformaciones previas.

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Ejemplo de composición de matrices homogéneas (1) •

PREMULTIPLICACIÓN Obtener la matriz de transformación que representa al sistema O'UVW obtenido a partir del sistema OXYZ mediante un giro de ángulo -90º alrededor del eje OX, de una traslación de vector pxyz(5,5,10) y un giro de 90º sobre el eje OZ:

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Ejemplo de composición de matrices homogéneas (2) •

POSMULTIPLICACIÖN Obtener la matriz de transformación que representa las siguientes transformaciones sobre un sistema OXYZ fijo de referencia: traslación de un vector pxyz(-3,10,10); giro de -90º sobre el eje O'U del sistema trasladado y giro de 90º sobre el eje O'V del sistema girado  –

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Gráficos de transformación

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Comparación entre métodos de localización espacial

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Descripción de “frame” •

La información necesaria para especificar completamente la ubicación del efector final (o cualquier elemento) de un manipulador puede definirse por medio de un “Frame”: Conjunto de 4 vectores que dan información de posición y orientación.

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Mapeos: cambiando la descripción de un frame a otro •

Mapeos sobre frames trasladados de igual orientación:

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Mapeos: cambiando la descripción de un frame a otro •

Mapeos sobre frames rotados sin traslación:

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Mapeo general: Traslación + Rotación

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Referencias de archivos en .PDF •

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Fundamentos de Robótica (Cap3, p49 (57 de 314)) curso_biom_ar/Cap_2_2007 curso_umh_es/Tema3 upm_disam_es/Herramientas matemáticas robotica/Apuntes de Robotica (Tema 2, 18 de 177) robots_springer_2008/07_PositionOrientation y 08_EulerRPYHomogeneous

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