За останні роки світ робототехніки досяг значних успіхів, що призвело до значного прогресу в різних галузях промисловості. Щоб орієнтуватися в складному середовищі, роботи покладаються на точну систему координат. Розуміння системи координат робота має вирішальне значення як для інженерів, програмістів, так і для ентузіастів, оскільки вона служить основою для керування рухом, локалізації та планування шляху. У цій статті ми заглибимося в тонкощі системи координат робота, досліджуючи її компоненти, представлення, перетворення та застосування.
1. Що таке система координат?
Система координат — це математична система, яка використовується для визначення позицій і орієнтацій у заданому просторі. Він складається з осей, початку координат і одиниць вимірювання. Роботи використовують певний тип системи координат, відомий як система координат робота або система координат робототехніки. Ця система дозволяє роботу розуміти середовище та ефективно орієнтуватися в ньому.
2. Компоненти системи координат робота
Система координат робота зазвичай складається з трьох основних компонентів:
a. Осі X, Y і Z: вони представляють тривимірний простір, у якому працює робот. Вісь X спрямована вперед, вісь Y спрямована вліво, а вісь Z спрямована вгору, утворюючи декартову систему координат.
b. Початкова точка: Початкова точка є точкою відліку, від якої вимірюються всі положення. Він служить відправною точкою для руху робота.
в. Орієнтація: орієнтація робота описується за допомогою кутів Ейлера (крену, тангажу та повороту) або кватерніонів. Ці кути представляють обертання робота навколо своїх осей X, Y і Z відповідно.
3. Представлення системи координат робота
Для точного представлення положення та орієнтації робота використовуються різні системи координат:
a. Світова система координат: також відома як глобальна система координат, це абсолютна система відліку, зафіксована в середовищі робота. Положення й орієнтація робота вимірюються відносно цієї глобальної рамки.
b. Базова система координат робота: це локальна система координат, закріплена на основі робота. Кути з’єднання робота та положення інструменту вимірюються відносно цієї системи координат.
в. Система координат кінцевого ефектора: кінцевий ефектор — це інструмент або захват робота, який має власну систему координат. Положення та орієнтація інструменту вимірюються відносно цієї локальної рамки.
4. Перетворення в системі координат робота
Робототехніка часто вимагає перетворення позицій і орієнтацій між різними системами координат. Найпоширенішими перетвореннями є:
a. Переклад: це передбачає переміщення точки з одного положення в інше в тій самій системі координат. Він впливає лише на координати X, Y та Z.
b. Обертання: обертання передбачає зміну орієнтації точки або об’єкта в просторі без зміни його положення. Це важливо для перетворення орієнтації між системами координат.
в. Однорідні перетворення: матриця однорідного перетворення використовується для поєднання перетворень трансляції та обертання. Це забезпечує плавне перетворення позицій і орієнтацій між різними системами координат.
5. Передня кінематика
Передня кінематика є фундаментальною концепцією робототехніки. Це процес визначення положення та орієнтації кінцевого ефектора робота на основі кутів з’єднання робота. Обчислення прямої кінематики залежить від кінематичного ланцюга робота та параметрів Денавіта-Хартенберга (DH).
6. Зворотна кінематика
Інверсна кінематика — це процес, зворотний до прямої кінематики. Враховуючи бажане положення та орієнтацію кінцевого ефектора, зворотна кінематика допомагає обчислити кути з’єднання, необхідні для досягнення цієї конфігурації. Розв’язування зворотної кінематики є більш складним, ніж пряма кінематика, і часто вимагає чисельних методів.
7. Застосування системи координат робота
Система координат робота знаходить широке застосування в робототехніці та автоматизації:
a. Планування руху: роботи використовують систему координат для планування та виконання точних рухів, що дозволяє їм точно виконувати завдання.
b. Локалізація: для автономної навігації роботам потрібно визначити своє положення й орієнтацію відносно навколишнього середовища, часто використовуючи такі методи, як одночасна локалізація та картографування (SLAM).
в. Планування шляху: система координат робота допомагає знаходити оптимальні шляхи для досягнення цільового місця, уникаючи перешкод.
d. Роботизоване маніпулювання: щоб роботи могли взаємодіяти з об’єктами та виконувати завдання маніпулювання, їм потрібно точно керувати своїм кінцевим ефектором за допомогою системи координат.
д. Операції підбору та розміщення: промислові роботи покладаються на систему координат, щоб вибрати об’єкти з одного місця та розмістити їх в іншому.