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Cinématica inversa 3GDL

Para encontrar la cinemática inversa de este robot usaremos la resolución mediante las matrices de transformación homogeneas. Para esto usaremos la relación:

T=0A11A22A3(1)T = ^{0}A_1 \cdot ^{1}A_2 \cdot ^{2}A_3 \qquad\qquad (1)

donde

T=[nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001]T= \left[\begin{matrix}n_{x} & o_{x} & a_{x} & p_{x}\\n_{y} & o_{y} & a_{y} & p_{y}\\n_{z} & o_{z} & a_{z} & p_{z}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right]

Para este método iremos pasando cada matriz de transformación i1Ai^{i-1}A_i al otro lado de la igualdad e iremos encontrando ecuaciones que nos permitan relacionar la variable articulares qiq_i con las posiciones del efector final (px,py,pz)(p_x,p_y,p_z).

0A11T=1A22A3(2)^{0}A_1^{-1} \cdot T = ^{1}A_2 \cdot ^{2}A_3 \qquad\qquad (2)

luego,

[nxcos(q1)+nysin(q1)oxcos(q1)+oysin(q1)axcos(q1)+aysin(q1)pxcos(q1)+pysin(q1)nzozazd1+pznxsin(q1)nycos(q1)oxsin(q1)oycos(q1)axsin(q1)aycos(q1)pxsin(q1)pycos(q1)0001]=[cos(q2)0sin(q2)q3sin(q2)sin(q2)0cos(q2)q3cos(q2)01000001]\left[\begin{matrix}n_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} + n_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} & o_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} + o_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} & a_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} + a_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} & p_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} + p_{y} \sin{\left(q_{1} \right)}\\n_{z} & o_{z} & a_{z} & - d_{1} + p_{z}\\n_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} - n_{y} \cos{\left(q_{1} \right)} & o_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} - o_{y} \cos{\left(q_{1} \right)} & a_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} - a_{y} \cos{\left(q_{1} \right)} & p_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} - p_{y} \cos{\left(q_{1} \right)}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right] = \left[\begin{matrix}\cos{\left(q_{2} \right)} & 0 & - \sin{\left(q_{2} \right)} & - q_{3} \sin{\left(q_{2} \right)}\\\sin{\left(q_{2} \right)} & 0 & \cos{\left(q_{2} \right)} & q_{3} \cos{\left(q_{2} \right)}\\0 & -1 & 0 & 0\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right]

extrayendo el termino (3,4)(3,4):

pxsin(q1)pycos(q1)=0p_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} - p_{y} \cos{\left(q_{1} \right)} = 0

despejando q1q_1, obtenemos:

q1=atan(pypx)(Q1)q_{1} = \operatorname{atan}{\left(\frac{p_{y}}{p_{x}} \right)} \qquad\qquad (Q1)

repetimos el proceso de pasar una matriz en la ecuación (2)(2):

1A210A11T=2A3(3)^{1}A_2^{-1} \cdot ^{0}A_1^{-1} \cdot T = ^{2}A_3 \qquad\qquad (3)

quedando:

[nxcos(q1)cos(q2)+nysin(q1)cos(q2)+nzsin(q2)oxcos(q1)cos(q2)+oysin(q1)cos(q2)+ozsin(q2)axcos(q1)cos(q2)+aysin(q1)cos(q2)+azsin(q2)d1sin(q2)+pxcos(q1)cos(q2)+pysin(q1)cos(q2)+pzsin(q2)nxsin(q1)+nycos(q1)oxsin(q1)+oycos(q1)axsin(q1)+aycos(q1)pxsin(q1)+pycos(q1)nxsin(q2)cos(q1)nysin(q1)sin(q2)+nzcos(q2)oxsin(q2)cos(q1)oysin(q1)sin(q2)+ozcos(q2)axsin(q2)cos(q1)aysin(q1)sin(q2)+azcos(q2)d1cos(q2)pxsin(q2)cos(q1)pysin(q1)sin(q2)+pzcos(q2)0001]=[10000100001q30001]\left[\begin{matrix}n_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + n_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + n_{z} \sin{\left(q_{2} \right)} & o_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + o_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + o_{z} \sin{\left(q_{2} \right)} & a_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + a_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + a_{z} \sin{\left(q_{2} \right)} & - d_{1} \sin{\left(q_{2} \right)} + p_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + p_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + p_{z} \sin{\left(q_{2} \right)}\\- n_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} + n_{y} \cos{\left(q_{1} \right)} & - o_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} + o_{y} \cos{\left(q_{1} \right)} & - a_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} + a_{y} \cos{\left(q_{1} \right)} & - p_{x} \sin{\left(q_{1} \right)} + p_{y} \cos{\left(q_{1} \right)}\\- n_{x} \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)} - n_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + n_{z} \cos{\left(q_{2} \right)} & - o_{x} \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)} - o_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + o_{z} \cos{\left(q_{2} \right)} & - a_{x} \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)} - a_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + a_{z} \cos{\left(q_{2} \right)} & - d_{1} \cos{\left(q_{2} \right)} - p_{x} \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)} - p_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + p_{z} \cos{\left(q_{2} \right)}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right] = \left[\begin{matrix}1 & 0 & 0 & 0\\0 & 1 & 0 & 0\\0 & 0 & 1 & q_{3}\\0 & 0 & 0 & 1\end{matrix}\right]

extrayendo el termino (1,4)(1,4):

d1sin(q2)+pxcos(q1)cos(q2)+pysin(q1)cos(q2)+pzsin(q2)=0- d_{1} \sin{\left(q_{2} \right)} + p_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + p_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \cos{\left(q_{2} \right)} + p_{z} \sin{\left(q_{2} \right)} = 0

despejando q2q_2, obtenemos:

q2=atan(px2+py2d1pz)(Q2)q_{2} = \operatorname{atan}{\left(\frac{\sqrt{p_{x}^2 + p_{y}^{2}}}{d_{1} - p_{z}} \right)} \qquad\qquad (Q2)

teniendo presente que:

pxcos(q1)+pysin(q1)=px2+py2p_{x} \cos{\left(q_{1} \right)} + p_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} = \sqrt{p_{x}^2 + p_{y}^{2}}

Para q3q_3 podemos extraer el termino (3,4)(3,4) de la ecuación (2)(2):

d1cos(q2)pxsin(q2)cos(q1)pysin(q1)sin(q2)+pzcos(q2)=q3- d_{1} \cos{\left(q_{2} \right)} - p_{x} \sin{\left(q_{2} \right)} \cos{\left(q_{1} \right)} - p_{y} \sin{\left(q_{1} \right)} \sin{\left(q_{2} \right)} + p_{z} \cos{\left(q_{2} \right)} = q_{3}

reorganizando los terminos:

q3=(pzd1)cos(q2)(px2+py2)sin(q2)(Q3)q_{3} = \left( p_{z} - d_{1}\right) \cos{\left(q_{2} \right)} - \left(\sqrt{p_{x}^2 + p_{y}^{2}}\right) \sin{\left(q_{2} \right)} \qquad\qquad (Q3)

con las ecuaciones (Q1)(Q1), (Q2)(Q2) y (Q3)(Q3) completamos la cinemática inversa de este robot.