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Robótica TEMA 2: RELACIONES ESPACIALES EN ROBÓTICA Martin Mellado ([email protected]) Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática (DISA) Facultad de Informática de Valencia (FIV) Universidad Politécnica de Valencia (UPV) Relaciones espaciales en robótica Martin Mellado DISA - UPV 1 Universidad Politécnica de Valencia (UPV)

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Page 1: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Roboacutetica

TEMA 2RELACIONES ESPACIALESEN ROBOacuteTICAMartin Mellado (martinisaupves)

Departamento de Ingenieriacutea de Sistemas y Automaacutetica (DISA)Facultad de Informaacutetica de Valencia (FIV)Universidad Politeacutecnica de Valencia (UPV)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV1

Universidad Politeacutecnica de Valencia (UPV)

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

OBJETIVOS

bull Reconocer la importancia de representar localizaciones como posicioacuten y orientacioacuten en roboacuteticaen roboacutetica

bull Conocer meacutetodos de representacioacuten matemaacutetica de localizaciones adecuadasmatemaacutetica de localizaciones adecuadas para roboacutetica

bull Saber coacutemo utilizar los meacutetodos de representacioacuten de localizaciones aprendidos

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV2

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONTENIDOS

1 Introduccioacuten2 Matrices de Rotacioacuten3 Aacuteng los de E ler3 Aacutengulos de Euler4 Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea5 Utilidad y Aplicaciones5 Utilidad y Aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV3

Introduccioacuten

N id d d R t ioacute E i lbull Necesidad de Representacioacuten Espacialbull Posicioacuten y Orientacioacutenbull Herramientas Matemaacuteticasbull Herramientas Matemaacuteticas

bull Sistemas de Coordenadas Dextroacutegirosgbull XY=Z (YZ=X y ZX=Y)bull Regla de la Mano Derecha

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV4

Matrices de Rotacioacuten

x

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ u

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

zzyyxx

z

yxyz kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

== wwvvuu

w

vuvw kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

==

Pip kijiiiPiPip xx sdot=

Pjp yy sdot= wwyvvyuuyyy

wwxvvxuuxxx

pkjpjjpijPjppkipjipiiPipsdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

M t i d R t ioacute d P t i R

Pkp zz sdot= wwzvvzuuzzz pkkpjkpikPkp sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

Matriz de Rotacioacuten o de Permutaciones R

uwxvxuxx

PRp

kjjjijkijiiip

P ⎥⎤

⎢⎡

⎥⎤

⎢⎡ sdotsdotsdot

⎥⎤

⎢⎡

uvw

w

v

wzvzuz

wyvyuy

z

yxyz PRpp

kkjkikkjjjij

ppP sdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

sdot⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣ sdotsdotsdotsdotsdotsdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV5

Matrices de Rotacioacuten

xyzuvw PQP =uvwxyz PRP sdot=

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= wyvyuy

wxvxux

kjjjijkijiii

R⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= zvyvxv

zuyuxu

kjjjijkijiii

Q⎥⎦⎢⎣ sdotsdotsdot wzvzuz kkjkik ⎥

⎦⎢⎣ sdotsdotsdot zwywxw kkjkik

T1

31T

T1

IRRRRQR

RRQ

=sdot=sdot=

==minus

minus

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV6

Matrices de Rotacioacuten

Interpretacioacuten GeomeacutetricaInterpretacioacuten Geomeacutetrica

1 Vector columna = vector unitario del eje del sistema1 Vector columna vector unitario del eje del sistemamoacutevil en funcioacuten del sistema de referencia OXYZ2 Vector fila = vector unitario de los ejes del sistemade referencia en funcioacuten del sistema moacutevil OUVW3 Moacutedulo de Vector ColumnaFila = 1 Determinante=+14 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)4 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)5 La inversa de una matriz de rotacioacuten es su traspuesta

R-1=RT RRT=I33

Las matrices de Rotacioacuten son matrices ORTONORMALES

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV7

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

OBJETIVOS

bull Reconocer la importancia de representar localizaciones como posicioacuten y orientacioacuten en roboacuteticaen roboacutetica

bull Conocer meacutetodos de representacioacuten matemaacutetica de localizaciones adecuadasmatemaacutetica de localizaciones adecuadas para roboacutetica

bull Saber coacutemo utilizar los meacutetodos de representacioacuten de localizaciones aprendidos

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV2

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONTENIDOS

1 Introduccioacuten2 Matrices de Rotacioacuten3 Aacuteng los de E ler3 Aacutengulos de Euler4 Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea5 Utilidad y Aplicaciones5 Utilidad y Aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV3

Introduccioacuten

N id d d R t ioacute E i lbull Necesidad de Representacioacuten Espacialbull Posicioacuten y Orientacioacutenbull Herramientas Matemaacuteticasbull Herramientas Matemaacuteticas

bull Sistemas de Coordenadas Dextroacutegirosgbull XY=Z (YZ=X y ZX=Y)bull Regla de la Mano Derecha

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV4

Matrices de Rotacioacuten

x

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ u

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

zzyyxx

z

yxyz kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

== wwvvuu

w

vuvw kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

==

Pip kijiiiPiPip xx sdot=

Pjp yy sdot= wwyvvyuuyyy

wwxvvxuuxxx

pkjpjjpijPjppkipjipiiPipsdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

M t i d R t ioacute d P t i R

Pkp zz sdot= wwzvvzuuzzz pkkpjkpikPkp sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

Matriz de Rotacioacuten o de Permutaciones R

uwxvxuxx

PRp

kjjjijkijiiip

P ⎥⎤

⎢⎡

⎥⎤

⎢⎡ sdotsdotsdot

⎥⎤

⎢⎡

uvw

w

v

wzvzuz

wyvyuy

z

yxyz PRpp

kkjkikkjjjij

ppP sdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

sdot⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣ sdotsdotsdotsdotsdotsdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV5

Matrices de Rotacioacuten

xyzuvw PQP =uvwxyz PRP sdot=

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= wyvyuy

wxvxux

kjjjijkijiii

R⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= zvyvxv

zuyuxu

kjjjijkijiii

Q⎥⎦⎢⎣ sdotsdotsdot wzvzuz kkjkik ⎥

⎦⎢⎣ sdotsdotsdot zwywxw kkjkik

T1

31T

T1

IRRRRQR

RRQ

=sdot=sdot=

==minus

minus

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV6

Matrices de Rotacioacuten

Interpretacioacuten GeomeacutetricaInterpretacioacuten Geomeacutetrica

1 Vector columna = vector unitario del eje del sistema1 Vector columna vector unitario del eje del sistemamoacutevil en funcioacuten del sistema de referencia OXYZ2 Vector fila = vector unitario de los ejes del sistemade referencia en funcioacuten del sistema moacutevil OUVW3 Moacutedulo de Vector ColumnaFila = 1 Determinante=+14 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)4 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)5 La inversa de una matriz de rotacioacuten es su traspuesta

R-1=RT RRT=I33

Las matrices de Rotacioacuten son matrices ORTONORMALES

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV7

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 3: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONTENIDOS

1 Introduccioacuten2 Matrices de Rotacioacuten3 Aacuteng los de E ler3 Aacutengulos de Euler4 Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea5 Utilidad y Aplicaciones5 Utilidad y Aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV3

Introduccioacuten

N id d d R t ioacute E i lbull Necesidad de Representacioacuten Espacialbull Posicioacuten y Orientacioacutenbull Herramientas Matemaacuteticasbull Herramientas Matemaacuteticas

bull Sistemas de Coordenadas Dextroacutegirosgbull XY=Z (YZ=X y ZX=Y)bull Regla de la Mano Derecha

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV4

Matrices de Rotacioacuten

x

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ u

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

zzyyxx

z

yxyz kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

== wwvvuu

w

vuvw kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

==

Pip kijiiiPiPip xx sdot=

Pjp yy sdot= wwyvvyuuyyy

wwxvvxuuxxx

pkjpjjpijPjppkipjipiiPipsdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

M t i d R t ioacute d P t i R

Pkp zz sdot= wwzvvzuuzzz pkkpjkpikPkp sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

Matriz de Rotacioacuten o de Permutaciones R

uwxvxuxx

PRp

kjjjijkijiiip

P ⎥⎤

⎢⎡

⎥⎤

⎢⎡ sdotsdotsdot

⎥⎤

⎢⎡

uvw

w

v

wzvzuz

wyvyuy

z

yxyz PRpp

kkjkikkjjjij

ppP sdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

sdot⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣ sdotsdotsdotsdotsdotsdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV5

Matrices de Rotacioacuten

xyzuvw PQP =uvwxyz PRP sdot=

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= wyvyuy

wxvxux

kjjjijkijiii

R⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= zvyvxv

zuyuxu

kjjjijkijiii

Q⎥⎦⎢⎣ sdotsdotsdot wzvzuz kkjkik ⎥

⎦⎢⎣ sdotsdotsdot zwywxw kkjkik

T1

31T

T1

IRRRRQR

RRQ

=sdot=sdot=

==minus

minus

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV6

Matrices de Rotacioacuten

Interpretacioacuten GeomeacutetricaInterpretacioacuten Geomeacutetrica

1 Vector columna = vector unitario del eje del sistema1 Vector columna vector unitario del eje del sistemamoacutevil en funcioacuten del sistema de referencia OXYZ2 Vector fila = vector unitario de los ejes del sistemade referencia en funcioacuten del sistema moacutevil OUVW3 Moacutedulo de Vector ColumnaFila = 1 Determinante=+14 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)4 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)5 La inversa de una matriz de rotacioacuten es su traspuesta

R-1=RT RRT=I33

Las matrices de Rotacioacuten son matrices ORTONORMALES

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV7

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 4: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Introduccioacuten

N id d d R t ioacute E i lbull Necesidad de Representacioacuten Espacialbull Posicioacuten y Orientacioacutenbull Herramientas Matemaacuteticasbull Herramientas Matemaacuteticas

bull Sistemas de Coordenadas Dextroacutegirosgbull XY=Z (YZ=X y ZX=Y)bull Regla de la Mano Derecha

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV4

Matrices de Rotacioacuten

x

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ u

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

zzyyxx

z

yxyz kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

== wwvvuu

w

vuvw kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

==

Pip kijiiiPiPip xx sdot=

Pjp yy sdot= wwyvvyuuyyy

wwxvvxuuxxx

pkjpjjpijPjppkipjipiiPipsdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

M t i d R t ioacute d P t i R

Pkp zz sdot= wwzvvzuuzzz pkkpjkpikPkp sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

Matriz de Rotacioacuten o de Permutaciones R

uwxvxuxx

PRp

kjjjijkijiiip

P ⎥⎤

⎢⎡

⎥⎤

⎢⎡ sdotsdotsdot

⎥⎤

⎢⎡

uvw

w

v

wzvzuz

wyvyuy

z

yxyz PRpp

kkjkikkjjjij

ppP sdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

sdot⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣ sdotsdotsdotsdotsdotsdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV5

Matrices de Rotacioacuten

xyzuvw PQP =uvwxyz PRP sdot=

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= wyvyuy

wxvxux

kjjjijkijiii

R⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= zvyvxv

zuyuxu

kjjjijkijiii

Q⎥⎦⎢⎣ sdotsdotsdot wzvzuz kkjkik ⎥

⎦⎢⎣ sdotsdotsdot zwywxw kkjkik

T1

31T

T1

IRRRRQR

RRQ

=sdot=sdot=

==minus

minus

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV6

Matrices de Rotacioacuten

Interpretacioacuten GeomeacutetricaInterpretacioacuten Geomeacutetrica

1 Vector columna = vector unitario del eje del sistema1 Vector columna vector unitario del eje del sistemamoacutevil en funcioacuten del sistema de referencia OXYZ2 Vector fila = vector unitario de los ejes del sistemade referencia en funcioacuten del sistema moacutevil OUVW3 Moacutedulo de Vector ColumnaFila = 1 Determinante=+14 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)4 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)5 La inversa de una matriz de rotacioacuten es su traspuesta

R-1=RT RRT=I33

Las matrices de Rotacioacuten son matrices ORTONORMALES

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV7

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 5: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

x

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ u

kpjpippp

PP ++⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

zzyyxx

z

yxyz kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

== wwvvuu

w

vuvw kpjpipppPP sdot+sdot+sdot=

⎟⎟

⎠⎜⎜

==

Pip kijiiiPiPip xx sdot=

Pjp yy sdot= wwyvvyuuyyy

wwxvvxuuxxx

pkjpjjpijPjppkipjipiiPipsdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

M t i d R t ioacute d P t i R

Pkp zz sdot= wwzvvzuuzzz pkkpjkpikPkp sdotsdot+sdotsdot+sdotsdot=sdot=

Matriz de Rotacioacuten o de Permutaciones R

uwxvxuxx

PRp

kjjjijkijiiip

P ⎥⎤

⎢⎡

⎥⎤

⎢⎡ sdotsdotsdot

⎥⎤

⎢⎡

uvw

w

v

wzvzuz

wyvyuy

z

yxyz PRpp

kkjkikkjjjij

ppP sdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

sdot⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣ sdotsdotsdotsdotsdotsdot=

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV5

Matrices de Rotacioacuten

xyzuvw PQP =uvwxyz PRP sdot=

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= wyvyuy

wxvxux

kjjjijkijiii

R⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= zvyvxv

zuyuxu

kjjjijkijiii

Q⎥⎦⎢⎣ sdotsdotsdot wzvzuz kkjkik ⎥

⎦⎢⎣ sdotsdotsdot zwywxw kkjkik

T1

31T

T1

IRRRRQR

RRQ

=sdot=sdot=

==minus

minus

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV6

Matrices de Rotacioacuten

Interpretacioacuten GeomeacutetricaInterpretacioacuten Geomeacutetrica

1 Vector columna = vector unitario del eje del sistema1 Vector columna vector unitario del eje del sistemamoacutevil en funcioacuten del sistema de referencia OXYZ2 Vector fila = vector unitario de los ejes del sistemade referencia en funcioacuten del sistema moacutevil OUVW3 Moacutedulo de Vector ColumnaFila = 1 Determinante=+14 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)4 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)5 La inversa de una matriz de rotacioacuten es su traspuesta

R-1=RT RRT=I33

Las matrices de Rotacioacuten son matrices ORTONORMALES

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV7

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 6: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

xyzuvw PQP =uvwxyz PRP sdot=

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= wyvyuy

wxvxux

kjjjijkijiii

R⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

sdotsdotsdotsdotsdotsdot

= zvyvxv

zuyuxu

kjjjijkijiii

Q⎥⎦⎢⎣ sdotsdotsdot wzvzuz kkjkik ⎥

⎦⎢⎣ sdotsdotsdot zwywxw kkjkik

T1

31T

T1

IRRRRQR

RRQ

=sdot=sdot=

==minus

minus

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV6

Matrices de Rotacioacuten

Interpretacioacuten GeomeacutetricaInterpretacioacuten Geomeacutetrica

1 Vector columna = vector unitario del eje del sistema1 Vector columna vector unitario del eje del sistemamoacutevil en funcioacuten del sistema de referencia OXYZ2 Vector fila = vector unitario de los ejes del sistemade referencia en funcioacuten del sistema moacutevil OUVW3 Moacutedulo de Vector ColumnaFila = 1 Determinante=+14 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)4 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)5 La inversa de una matriz de rotacioacuten es su traspuesta

R-1=RT RRT=I33

Las matrices de Rotacioacuten son matrices ORTONORMALES

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV7

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 7: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Interpretacioacuten GeomeacutetricaInterpretacioacuten Geomeacutetrica

1 Vector columna = vector unitario del eje del sistema1 Vector columna vector unitario del eje del sistemamoacutevil en funcioacuten del sistema de referencia OXYZ2 Vector fila = vector unitario de los ejes del sistemade referencia en funcioacuten del sistema moacutevil OUVW3 Moacutedulo de Vector ColumnaFila = 1 Determinante=+14 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)4 Producto escalar entre dos columnasfilas es cero (perp)5 La inversa de una matriz de rotacioacuten es su traspuesta

R-1=RT RRT=I33

Las matrices de Rotacioacuten son matrices ORTONORMALES

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV7

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 8: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje X⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

αα sencos0001

RRotacioacuten en el Eje XSe supone una rotacioacutende un aacutengulo α

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ αα

αminusα=α

cossen0sencos0R x

respecto del eje OXZ

Y

W

αY

VZ

W

α = 90ordm

oY

XU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV8

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 9: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Y ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

=φ 010sen0cos

R yRotacioacuten en el Eje YSe supone una rotacioacutende un aacutengulo φ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φ

cos0seny

respecto del eje OYZ

W

X

φ

o

Z UW

φ = -90ordm

U

φo

YX

V

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV9

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 10: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten Baacutesicas

Rotacioacuten en el Eje Z⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

= 0cossen0sencos

RRotacioacuten en el Eje ZSe supone una rotacioacutende un aacutengulo θ

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

θθ=θ

1000cossenR z

respecto del eje OZ

Y

V

θo

o

VZ W

X

YX

U

θ = 90ordm

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV10

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 11: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasInversa (traspuesta)

⎤⎡⎤⎡ 001001

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

ααminusαα=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αminusαminusαminusminusαminus=== ααminus

minusα

cossen0sencos0

001

cossen0sencos0

001RRR T

xx1x

⎤⎡⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φφ

φminusφ=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

φminusφminusminus

φminusφminus=== φφminus

minusφ

cos0sen010

sen0cos

cos0sen010

sen0cosRRR T

yy1y

⎦⎣ φφ⎦⎣ φφ

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θθminusθθ

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡θminusθminusθminusminusθminus

=== θθminusminus

θ

1000cossen0sencos

1000cossen0sencos

RRR Tzz

1z

⎥⎦⎢⎣⎥⎦⎢⎣ 100100

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV11

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 12: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten BaacutesicasMatrices de Rotacioacuten BaacutesicasRotacioacuten respecto a ejes del Moacutevil

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

αααminusα== αα

cossen0sencos0001

RR xu

⎦⎣ αα cosse0

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡ φφ

== φφ 010sen0cos

RR yv⎥⎥⎦⎢

⎢⎣ φφminus

φφ

cos0senyv

⎥⎤

⎢⎡ θminusθ 0sencos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000cossenRR zw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV12

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 13: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Matrices de Rotacioacuten CompuestasMatrices de Rotacioacuten CompuestasComposicioacuten de RotacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesR = I3

Por cada rotacioacuten realizadaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre multiplicaSi giro respecto a eje de OXYZ se pre-multiplica

R = Rbaacutesica-xyz sdot RSi giro respecto a eje de OUVW se post-multiplicaS g o espec o a eje de OU se pos u p ca

R = R sdot Rbaacutesica-uvw

uvwxyz PRP sdot=

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV13

uvwxyz PRP

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 14: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Rotacioacuten

Rotacioacuten Respecto a Eje ArbitrarioRotacioacuten Respecto a Eje Arbitrario

Wminusβα

αβminusφβαminusφ sdotsdotsdotsdot= xyzyxr RRRRRRZW Z

r

rrsquoZZ

V

minusβ

minusββ

r x

d

ZW Z

Vrrsquo

ryα

α

α

r x

d d

X

Y

U

V

φ

X

Y

Ur

minusβ

X

Y

U

r rz

α

ZW Z

V

φZ

W

Z

V

Z

W

Z

V

X

YU

r

β

X

YU

r

minusαX

Y

U

V

r

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV14

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 15: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 1

g

Aacutengulos de Euler Tipo 1(giroscoacutepicos o ZXZ) Z W Z Wrsquo

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα) Y V

Y

2 en U de aacutengulo β (Ruβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X U

X

Z θ

WW Z

WZ

VWrsquo ψ

Rαβγ=RzαRuβRwγY

θ

V

V

Y

θ

XUrdquoU X

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV15

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 2

g

Aacutengulos de Euler Tipo 2(ZYZ) Z W Z W

φ

Rotaciones1 en Z de aacutengulo α (Rzα)

Y V

XY

V

φ

2 en V de aacutengulo β (Rvβ)3 en W de aacutengulo γ (Rwγ)

X UU

φ

Z

W Z

W

Rαβγ=RzαRvβRwγY

V

θ

Y

V

ψ

XY

UU

θ

XY

UψU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV16

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 17: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Aacutengulos de Euler

Aacutengulos de Euler Tipo 3

g

Aacutengulos de Euler Tipo 3(Roll-Yaw-Pitch)

φGiro

Z W ZW ψ

Rotaciones1 en X de aacutengulo α (Rxα)

θψDesviacioacuten

Elevacioacuten

Y VX

Y

V

ψ

ψ

2 en Y de aacutengulo β (Ryβ)3 en Z de aacutengulo γ (Rzγ)

Elevacioacuten

X U

X U

Z

W

W

θ

Z

W

φ

φ W

Rαβγ= Rzγ Ryβ RxαX

Y

V

W

θ

XY

V

W φ

φ

V

X

X

U φU

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV17

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 18: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2R=RzαRvβRwγ

⎤⎡ asn ⎤⎡ βαγαγβαγαγβα sincoscossinsincoscossinsincoscoscos=

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

zzz

yyy

xxx

asnasnasn

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγβminusβαγβαminusγαγα+γβαβαγαminusγβαminusγαminusγβα

cossinsincossinsinsinsincossincoscossincoscoscossinsincoscossinsincoscossinsincoscoscos

Solucioacutencosβ = a tgγ = s ( n ) tgα = a acosβ = az tgγ = sz(-nz) tgα = ayax

PeroLa funcioacuten arcocoseno no es recomendableSi |az|asymp1 entonces nzasymp0 szasymp0 axasymp0 ayasymp0

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV18

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 19: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2Si azasymp+1 cosβasymp+1 (βasymp0ordm)nx=cosαcosγ-sinαsinγ sx=-cosαsinγ-sinαcosγnx cosαcosγ sinαsinγ sx cosαsinγ sinαcosγny=sinαcosγ+cosαsinγ sy=cosαcosγ-sinαsinγnx=sy y ny=-sx

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ minus 0nn yxy y

nx=cos(-α)cosγ+sin(-α)sinγ=cos(γ+α)ny=-sin(-α)cosγ+cos(-α)sinγ=sin(γ+α)tg(γ+α)=n n por lo que existen infinitas soluciones

⎟⎟⎟

⎠⎜⎜⎜

=1000nnR xy

tg(γ+α)=nynx por lo que existen infinitas solucionesα=0 β=0ordm y obtener γ mediante tg(γ)= nynxSi azasymp-1 cosβasymp-1 (βasymp180ordm)z β (β )α=0 β=180ordm y obtener γ mediante tg(γ)=ny(-nx)

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV19

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 20: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 2

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 2alfa=beta=gama=0if |az|gt1+ε return ERROR matriz incorrectaelsif |az|lt1 εelsif |az|lt1-εbeta=invcos(az)180pialfa=atan2(ayax)180pigama=atan2(sz-nz)180pi

elseelseif |nz|+|sz|+|ax|+|ay|ltε

if azgt0if (|nx-sy|ltε) AND (|ny+sx|ltε)gama=atan2(nynx)180pi

l O i ielse return ERROR matriz incorrectaelse

if (|nx+sy|ltε) AND (|ny-sx|ltε)beta=180gama=atan2(ny -nx)180pigama=atan2(ny nx) 180pi

else return ERROR matriz incorrectaelse return ERROR matriz incorrecta

return OK

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV20

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 21: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 1

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 1R=RzαRuβRwγ

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βγβγββαminusγαminusγβαγβα+γα

βαγβαminusγαminusγβαminusγα

coscossinsinsinsincossinsincoscoscossincoscoscossin

sinsincoscossinsincossincossincoscos

cosβ = a tgγ = n s tgα = a a

⎥⎦⎢⎣ βγβγβ coscossinsinsin

cosβ = az tgγ = nzsz tgα = -axaySi azasymp+1 cosβasymp+1

α=0 β=0ordm tg(γ)= nynxα 0 β 0 g(γ) y xSi azasymp-1 cosβasymp-1

α=0 β=180ordm tg(γ)=(-ny )nx

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV21

Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Aacutengulos de Euler

Resolucioacuten Inversa Tipo 3

g

Resolucioacuten Inversa Tipo 3R= Rzγ Ryβ Rxα

⎤⎡

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

βββαγminusαβγαγ+αβγβγαγ+αβγαγminusαβγβγ

iisincoscossinsincoscossinsinsincossinsinsincossincoscossinsinsincoscoscos

sinβ = n tgγ = n n tgα = s a

⎥⎦⎢⎣ αβαββminus coscossincossin

sinβ = -nz tgγ = nynx tgα = szazSi nzasymp+1 sinβasymp-1

α=0ordm β=-90ordm tg(γ)=(-ay)(-ax)α 0 β 90 g(γ) ( ay)( ax)Si nzasymp-1 sinβasymp+1

α=0 β=90ordm tg(γ )=-ayax

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV22

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 23: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Aacutengulos de Euler

Cuaterniones

g

Cuaternionesbull cuatro nuacutemeros (q1 q2 q3 q4)bull q1=cos(θ2) q2=rxsin(θ2) q3=rysin(θ2) q4=rzsin(θ2)q1 cos(θ2) q2 rxsin(θ2) q3 rysin(θ2) q4 rzsin(θ2)

bull θ es el aacutengulo de giro del sistema de coordenadasmoacutevil alrededor del eje de giro

bull (rxryrz) es un vector unitario r director del eje alrededordel cual se efectuacutea la rotacioacutendel cual se efectuacutea la rotacioacuten

bull Utilizado por ABBU ado pobull Velocidad de caacutelculo y ahorro memoria pero poco

intuitivo

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV23

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 24: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Coordenadas Homogeacuteneas

g

Coordenadas HomogeacuteneasppRp uvwxyz +sdot=

)( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛sdot⎥

⎤⎢⎣

⎡=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛1

p1)000(pR

1p uvwxyz

11p)000(1 uvw sdot+sdot= ⎟⎠

⎜⎝

⎥⎦

⎢⎣

⎟⎠

⎜⎝ 11)000(1

uvw4x4xyz PTP sdot=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

=p

P uvw4x4xyz

⎤⎡⎤⎡ posicioacuten|rotacioacutenp|R 1333

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

=1

P

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

=⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

= |

posicioacuten|rotacioacuten

|

p|R

T1x33x3

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎥

⎥⎦⎢

⎢⎣ escalado|aperspectiv1x1|f 3x1

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV24

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

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RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

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⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

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⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 25: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformacioacuten Inversa

g

Transformacioacuten Inversa

⎤⎡ T

⎥⎤

⎢⎡ minus=⎥

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

minusminus

=minus pRRpsRpn

TTT

3x3TT

3x3

T

1

⎥⎥⎦⎢

⎢⎣

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

minus 101000

paT TT

⎦⎣

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV25

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 26: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones

g

Transformacionesbull Una matriz de transformacioacuten homogeacutenea representa

la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)la localizacioacuten (posicioacuten y orientacioacuten)de un sistema de coordenadas moacutevilrespecto a uno fijo

bull La relacioacuten o transformacioacuten entre dos sistemas de coordenadassistemas de coordenadas

bull El vector p es el origen del sistema moacutevil la matriz R ec o p es e o ge de s s e a oacute a aes la orientacioacuten del sistema moacutevil

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV26

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

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W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 27: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Baacutesicas

⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

αminusα== αα

0sencos00001

RR ux ⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

0010a001

DD⎥⎥

⎦⎢⎢

αααα

10000cossen0

RR ux

⎤⎡ φφ 0sen0cos

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

10000100

DD auax

⎤⎡ 0001

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

φφminus

φφ

== φφ

10000cos0sen00100sen0cos

RR vy

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

==

10000100b0100001

DD bvby

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

θθθminusθ

00cossen00sencos

⎦⎣ 1000

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

00100001

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

θθ== θθ

1000010000cossen

RR wz

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

==

1000c1000010

DD cwcz

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV27

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 28: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas Compuestas

g

Matrices de Transformacioacuten Homogeacuteneas CompuestasComposicioacuten de TransformacionesProducto de Matrices no ConmutativoProducto de Matrices no Conmutativo

Sistemas de coordenadas coincidentesT = I4

Por cada transformacioacuten realizadaSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZSi transformacioacuten respecto a eje de OXYZ

se pre-multiplica T = Tbaacutesica-xyz sdot TSi transformacioacuten respecto a eje de OUVWS a s o ac oacute espec o a eje de OU

se post-multiplica T = T sdot Tbaacutesica-uvw

Pxyz = T sdot Puvw

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV28

xyz uvw

Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

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Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

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Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Matrices de Transformacioacuten Homogeacutenea

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

g

Transformaciones respecto a ejes fijos y moacuteviles

WrsquoWI

Wrsquo

WIII

WII

UII

VII

Uacute

Vrsquo

W

U

V

W

U

V

UI

VI

Ursquo

Vrsquo

UIII VIIIV

W

U

V

Wrsquo

Ursquo

Vrsquo

W

V W

V UU

U

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV29

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 30: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Objetos

y p

Modelado de ObjetosLocalizacioacuten de Primitivas

LjTPiTPi

YPi

XPi

ZPi

XL3

ZL3

YL3

XPj

ZPj

YPj

L3TPi

L3TPj

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV30

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 31: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de RobotsLocalizacioacuten de Elementos

RTLiTLi

RTL3RTL4

L5RT

RTL1

RTL0

RTL2

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV31

Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Utilidad y Aplicaciones

Modelado de Robots

y p

Modelado de Robots

Sistema de la HerramientaSistema de la Herramienta

Si la herramienta se acopladirectamente a la bridaFlangeTtool = FlangeTFTi FTiTtool

Si las herramientas seacoplan a la bridaacop a a a b damediante un adaptadorFlangeTtooli = FlangeTA ATATi ATiTFTi FTiTtooli

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV32

Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Utilidad y Aplicacionesy p

Resolucioacuten de los problemas debull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica directa del puntobull Cinemaacutetica inversa del puntobull Cinemaacutetica directa de velocidadCinemaacutetica directa de velocidadbull Cinemaacutetica inversa de velocidad

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV33

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV36

Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV37

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten OriginTtool describe doacutende estaacute la herramientaLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotLa transformacioacuten que lleva del SCorigen del robotal sistema de coordenadas que localiza su herramienta

Instruccioacuten de movimiento del robotMoveRobot(OriginT)

Cambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreCambiar configuracioacuten del robot para que la relacioacuten entreSCorigen de programacioacuten del robot y SCherramientasea igual a la transformacioacuten especificadasea gua a a a s o ac oacute espec cada

Fuerza al robot a cumplir OriginTtool=OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV34

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV35

Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

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Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

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Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

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Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotTransformacioacuten Absoluta Respecto a SCoriginTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool toolTTransformacioacuten Relativa Respecto a SCtool TMoveRobot(OriginTtool toolT)

toolT

OriginT

T

Ttool

OriginT

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Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

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Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

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Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

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Utilidad y Aplicaciones

Movimiento del Robot

y p

Movimiento del RobotInstruccioacuten de Aproximacioacuten (-Ztool)APPROX(OriginT distance) = MoveRobot(OriginT DW distance)APPROX( T distance) MoveRobot( T DW-distance)Instruccioacuten de Retirada (-Ztool)DEPART(distance) = MoveRobot(OriginTtool DW-distance)

DistanceDistance

DistanceOrigin

Ttool

Origin

T

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Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

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Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

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Utilidad y Aplicaciones

Relacioacuten entre Robot y Entorno

y p

Relacioacuten entre Robot y EntornoOriginTPickPart1=OriginTRobotRobotTWorldWorldTTableTableTSupportSupportTPart1Part1TPickPart1

SCtool

SCSupport

SCPickPart1

SCPart1

SupportTPart1

Part1TPickPart1

OriginTtool

SCOrigin

SC

TableTSupport

RobotTSCWorld

SCTable

SCRobot

WorldTTable

TOrigin

WorldTRobot

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Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

Relaciones espaciales en roboacutetica Martin Mellado DISA - UPV38

Page 38: 2 Relaciones espaciales en robótica - poliformat.upv.es. 1... · Tema 2 Relaciones espaciales en robótica OBJETIVOS • Reconocer la importancia de representar localizaciones como

Tema 2Relaciones espaciales en roboacutetica

CONCLUSIONES

bull Se ha visto el uso de las matrices de rotacioacuten para representar orientacionesS h li d l aacute l d E lbull Se han explicado los aacutengulos de Euler como meacutetodos de representar orientaciones

bull Se han estudiado las matrices deSe han estudiado las matrices de transformacioacuten homogeacutenea para representar localizaciones

bull Se han introducido ejemplos de utilidad y aplicaciones

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