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Cinématica directa 4GDL

Para definir la cinématica directa e inversa de un robot de 4 grados de libertad (GDL) necesitamos conocer inicialmente los parámetros del robot, es decir, los valores de Denavit-Hartenberg.

iiαi\alpha_i (rad)aia_i (mm)did_i (mm)θi\theta_i (rad)
100a1=400a_1=400d1=600d_1=600q1q_1
2π\pia2=400a_2=400d2=200d_2=200q2q_2
30000q3q_300
40000d4=400d_4=400q4q_4

Con los valores de la tabla anterior podemos contruir las matrices de transformación siguiendo la estructura:

i1Ai=Tz(θi)T(0,0,di)T(ai,0,0)Tx(αi)^{i-1}A_i = T_z(\theta_i)\cdot T(0,0,d_i) \cdot T(a_i,0,0) \cdot T_x(\alpha_i)

De esto tenemos

0A1=[cos(q1)sin(q1)0a1cos(q1)sin(q1)cos(q1)0a1sin(q1)001d10001]^{0}A_1 = \left[\begin{matrix}\cos{\left(q_{1} \right)} & - \sin{\left(q_{1} \right)} & 0 & a_{1} \cos{\left(q_{1} \right)}\\\sin{\left(q_{1} \right)} & \cos{\left(q_{1} \right)} & 0 & a_{1} \sin{\left(q_{1} \right)}\\0 & 0 & 1 & d_{1}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right] 1A2=[cos(q2)sin(q2)0a1cos(q2)sin(q2)cos(q2)0a1sin(q2)001d20001]^{1}A_2 = \left[\begin{matrix}\cos{\left(q_{2} \right)} & \sin{\left(q_{2} \right)} & 0 & a_{1} \cos{\left(q_{2} \right)}\\\sin{\left(q_{2} \right)} & - \cos{\left(q_{2} \right)} & 0 & a_{1} \sin{\left(q_{2} \right)}\\0 & 0 & -1 & d_{2}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right] 2A3=[10000100001q30001]^{2}A_3 = \left[\begin{matrix}1 & 0 & 0 & 0\\0 & 1 & 0 & 0\\0 & 0 & 1 & q_{3}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right] 3A4=[cos(q4)sin(q4)00sin(q4)cos(q4)00001d40001]^{3}A_4 = \left[\begin{matrix}\cos{\left(q_{4} \right)} & - \sin{\left(q_{4} \right)} & 0 & 0\\\sin{\left(q_{4} \right)} & \cos{\left(q_{4} \right)} & 0 & 0\\0 & 0 & 1 & d_{4}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right]

Luego,

0A4=[(sin(q1)sin(q2)+cos(q1)cos(q2))cos(q4)+(sin(q1)cos(q2)+sin(q2)cos(q1))sin(q4)(sin(q1)sin(q2)+cos(q1)cos(q2))sin(q4)+(sin(q1)cos(q2)+sin(q2)cos(q1))cos(q4)0a1sin(q1)sin(q2)+a1cos(q1)cos(q2)+a1cos(q1)(sin(q1)sin(q2)cos(q1)cos(q2))sin(q4)+(sin(q1)cos(q2)+sin(q2)cos(q1))cos(q4)(sin(q1)sin(q2)cos(q1)cos(q2))cos(q4)(sin(q1)cos(q2)+sin(q2)cos(q1))sin(q4)0a1sin(q1)cos(q2)+a1sin(q1)+a1sin(q2)cos(q1)001d1+d2d4q30001]^{0}A_4 = \left[\begin{matrix}\left(- \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)}\right) \cos{\left(q_{4} \right)} + \left(\sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)}\right) \sin{\left(q_{4} \right)} & - \left(- \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)}\right) \sin{\left(q_{4} \right)} + \left(\sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)}\right) \cos{\left(q_{4} \right)} & 0 & - a_{1} \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + a_{1} \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + a_{1} \cos{\left(q_{1} \right)}\\\left(\sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} - \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)}\right) \sin{\left(q_{4} \right)} + \left(\sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)}\right) \cos{\left(q_{4} \right)} & \left(\sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} - \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)}\right) \cos{\left(q_{4} \right)} - \left(\sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)}\right) \sin{\left(q_{4} \right)} & 0 & a_{1} \sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + a_{1} \sin{\left(q_{1} \right)} + a_{1} \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)}\\0 & 0 & -1 & d_{1} + d_{2} - d_{4} - q_{3}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right]

En esta matriz tenemos la transformación que sufre un objeto que se encuentra amarrado en el efector final del robot. Los terminos en las posiciones (1,4)(1,4), (2,4)(2,4) y (3,4)(3,4) de la matriz dan lugar a las posiciones (x,y,z)(x,y,z) del efector final del robot:

x=a1sin(q1)sin(q2)+a1cos(q1)cos(q2)+a1cos(q1)y=a1sin(q1)cos(q2)+a1sin(q1)+a1sin(q2)cos(q1)z=d1+d2d4q3\begin{array}{cl} x &= - a_{1} \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + a_{1} \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + a_{1} \cos{\left(q_{1} \right)} \\ y &= a_{1} \sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + a_{1} \sin{\left(q_{1} \right)} + a_{1} \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)} \\ z &= d_{1} + d_{2} - d_{4} - q_{3} \end{array}

Asi hemos completado la cinemática directa de este robot.