CINEMATICA DIFFERENZIALE
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- Roberto Massimo Clemente
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1 CINEMATICA DIFFERENZIALE Paolo Forn Dartmento d Informatca Unverstà degl Stud d Verona ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8
2 Introduzone Cnematca Dfferenzale Esrme l legame che ntercorre tra le veloctà a gunt e le corrsondent veloctà lneare ed angolare dell organo termnale er la osa data I legam sono esress da una matrce d trasformazone ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 2 2
3 Jacobano Jacobano Geometrco Matrce dendente dalla confgurazone (geometra) corrente del manolatore Jacobano Analtco Sfrutta oerazon d dfferenzazone n caso n cu la confgurazone sa esressa con raresentazon mnme ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 3 3
4 Proretà dello Jacobano Strumento d anals delle caratterstche del manolatore: Identfca le sngolartà Anals della rdondanza Calcolo dell nversone cnematca Evdenza l legame tra forze al olso e coe a gunt ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 4 4
5 Jacobano Geometrco Consderamo l equazone cnematca dretta nella forma classca T ( q) ( q) ( ) R q T In cu q [ q K ] T q n è l vettore delle varabl d gunto ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 5 5
6 Jacobano Geometrco S vuole esrmere la veloctà lneare e la veloctà angolare ω del tool n funzone delle veloctà q a gunt Qund: ω J J P O ( q) q ( q)q Dove J P è la matrce (3xn) del contrbuto della veloctà lneare, mentre J O è la matrce (3xn er la veloctà angolare) J J J P O v ω ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 J ( q)q 6 6
7 Altre Proretà della Matrce R Dato che R raresenta oszone e orentazone dell organo termnale n funzone de arametr d gunto, l anals della veloctà orta allo studo della dervata rsetto al temo della matrce R Sa R funzone del temo: R R( t) ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 7 7
8 Altre Proretà della Matrce R Valgono seguent assagg: R ( ) T t R ( t) () T () () T t R t + R t R () t S S R er cu dervando osto () () T t R t R () t vale la () T t + S () t I roretà moltlcando er R ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 () t S() t R() t 8 R ( t) Questo ermette d esrmere la dervata temorale n funzone della matrce stessa 8
9 Interretazone dell oeratore d trasformazone S(t) Consderamo quanto segue: detta ( t) R( t) () t R() t er la defnzone d () t S() t R() t () ω t dervando ' la ' ' veloctà angolare () t ω() t R() t ' R(t) ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 L oeratore S(t) ammette la seguente nterretazone fsca: è l oeratore che descrve l rodotto vettorale tra l vettore ω e l vettore R(t) 9 9
10 Interretazone dell oeratore d trasformazone S(t) Se s consdera l vettore d veloctà angolare ( t) [ ω ω ω ] ω x La matrce equvalente che descrve l rodotto è data dalla seguente S ωz ω y ω ω x z y ω z y ω x ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8
11 Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Consderamo la matrce d rotazone elementare attorno all asse Z con funzone del temo Calcolamo la dervata n funzone d t Esemo () ( ) c s s c t R z () ( ) s c c s t R z
12 2 Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona 2 Alcando la defzone dell oeratore S(t) s ha e qund Esemo () () () c s s c s c c s t R t R t S T x y x z y z ω ω ω ω ω ω [ ] T ω
13 Uso dell oeratore S(t) S consder la trasformazone omogenea (non comatta) A A B _ Org + R A B B La dervata rsetto al temo dventa A A A B B Org + RB _ + R A B B ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 3 3
14 4 Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona 4 Alcando ancora la defnzone della dervata della matrce d rotazone s ottene Indcando con l vettore Uso dell oeratore S(t) B A B A B B A B A Org B A B A B B A B A Org B A R S R R R ) ( ω A B r B A R B A B A B B A B A Org B A r R + + ω _
15 Veloctà d un Bracco Consderamo l generco bracco della catena cnematca del manolatore Il bracco connette gunt e + La terna è soldale al bracco P - e P sono vettor d oszone delle orgn de sstem Consderamo + R r, ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 5 5
16 6 Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona 6 Per quanto gà vsto s uò calcolare la dervata rsetto al temo ottenendo E qund Che esrme la veloctà lneare del bracco n funzone delle veloctà lneare ed angolare del bracco - Veloctà d un Bracco,,, r R r R r R ω r v,, + + ω
17 Veloctà d un Bracco In consderazone del fatto che vale la relazone La formula generale ω ω + ω, + v, + ω r, Può essere artcolarzzata a seconda che s tratt d un gunto d to rsmatco o rotodale ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 7 7
18 Veloctà - Gunto Prsmatco L orentamento della terna non vara ω, La veloctà lneare rsulta defnta come v d, D conseguenza le veloctà angolar e lnear dventano ω ω + d z + ω r, z ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 8 8
19 Veloctà - Gunto Rotodale In questo caso abbamo ω, La veloctà lneare rsulta defnta come θ v, ω, r, D conseguenza le veloctà angolar e lnear dventano ω ω z + θ z + ω r, ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 9 9
20 Calcolo dello Jacobano Consderamo l oeratore Jacobano artzonato secondo vettor colonna (3x) E ndchamo con q q jp jo l l J jp jo L contrbuto alla contrbuto alla jp jo n n veloctà lneare veloctà angolare ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 2 2
21 2 Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona 2 Per quanto vsto rma s uo scrvere Gunto rsmatco Gunto rotodale Calcolo dello Jacobano jo jo q z jp z d jp q ( ) ( ),, n z jo z jo q z jp z r jp q θ θ ω
22 Calcolo dello Jacobano In defntva jp jo z z ( ) z Dove: Z - è dato dalla terza colonna della matrce R P è dato da rm tre element della quarta colonna d P - da rm tre element della quarta colonna d ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 er un gunto rsmatco er un gunto rotodale 22 R 22 T n
23 Esemo Tornamo a consderare l manolatore lanare a tre bracc J ( q) z ( ) z ( ) z ( ) z z 2 z 2 2 Alcando le regole d costruzone dello Jacobano ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
24 24 Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona 24 I vettor d oszone de var bracc s ottengono dalla comoszone delle matrc d trasformazone Mentre versor degl ass sono dat da Esemo s a s a a s a c c a a c s a a s c a a c a s a c 2 z z z
25 25 Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona 25 Svolgendo calcol, la matrce del Jacobano rsulta essere data dalla seguente Esemo a c s a a c c a s a s a a c c a a c s a s a a s J
26 Esemo Nota: Solo tre rghe non sono nulle (rango 3 della matrce) Le rme due rghe caratterzzano le comonent d veloctà lneare lungo gl ass X e Y L ultma rga raresenta nvece la comonente angolare rsetto all asse Z Avendo solo 3 DOF s ossono secfcare solo 3 comonent d veloctà ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
27 Jacobano Analtco E calcolable se oszone e orentamento sono esress tramte raresentazon mnme (angol d Eulero ZYZ) In questo caso è ossble rcavare lo Jacobano drettamente dalla dervazone della funzone k della cnematca dretta x k( q) ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
28 Jacobano Analtco Rotazone e Traslazone Veloctà d traslazone della terna utensle Dervata rsetto al temo del vettore d oszone del tool q J ( P q)q q ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
29 Jacobano Analtco Rotazone e Traslazone Veloctà d rotazone della terna utensle Dervata rsetto al temo della raresentazone mnma (ZYZ) dell orentazone del tool φ φ q q ( q)q Nota: Soltamente non concde con la controarte dello Jacobano geometrco J φ ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
30 Jacobano Analtco Per quanto vsto ossamo raresentare n modo comatto lo Jacobano analtco ( q) JP x q J ( q) φ φ J A ( q)q E qund J A ( q) ( q) k q ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 3 3
31 Jacobano Analtco Veloctà d rotazone n terna corrente d Eulero ZYZ Comoszone delle veloctà d rotazone n terna d Eulero ZYZ ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 3 3
32 Relazone Tra ω e φ Se s consderano le veloctà rortate n fgura er la terna ZYZ s hanno le seguent Per effetto d Per effetto d Per effetto d ϕ : ϑ: ψ : [ ] T ω ω ω ϕ[ ] x [ ] T ω ω ω ϑ[ sϕ cϕ ] x [ ω ω ω ] T ψ [ cϕs ϑ sϕsϑ cϑ] T x y y y z z z T T ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
33 Relazone Tra ω e φ La relazone che lega le veloctà angolar nelle due raresentazon è la seguente ω sϕ cϕ cϕs ϑ sϕsϑ φ T( φ)φ cϑ ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
34 Relazone Tra Due Jacoban Una volta defnta la trasformazone T(φ) s uò scrvere e qund I v x T ( )x T( ) A φ φ J ( φ) A T A J ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
35 Sngolartà Cnematche Lo Jacobano defnsce una trasformazone tra l vettore delle veloctà a gunt e l vettore delle veloctà dell organo ternmale v J( q)q Lo Jacobano è funzone della confgurazone q assunta nello sazo de gunt I valor d q er cu lo Jacobano J dmnusce d rango dentfcano delle sngolartà cnematche ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
36 Sngolartà Cnematche Imortanza delle sngolartà cnematche: Raresentano confgurazon er cu s ha erdta d mobltà della struttura Per la data confgurazone s ossono resentare nfnte soluzon er l calcolo della cnematca nversa Nell ntorno d una sngolartà, veloctà mnme nello sazo oeratvo ossono ortare a veloctà elevate nello sazo de gunt ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
37 Sngolartà Cnematche Classfcazone dell sngolartà cnematche: A confn dello sazo d lavoro S resentano nelle confgurazon n cu l manolatore è comletamente esteso o comletamente regato su se stesso Non raresentano un grosso nconvenente All nterno dello sazo d lavoro Causate soltamente dall allneamento d qualche asse d gunto Sono un roblema erchè ossono nteressare traettore d lavoro del manolatore ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
38 Esemo Manolatore lanare a due bracc J a s a2s ac + a2c 2 2 a 2 2 a c s 2 2 Il determnante della matrce rsulta essere det ( J ) aa 2s2 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
39 Esemo Nell otes n cu bracc del manolatore non abbano lunghezza nulla a, a2 Il determnante s annulla er ϑ 2 ϑ π 2 Sono le due confgurazon d sngolartà ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
40 Dsaccoamento delle Sngolartà Per strutture comlesse l anals n base al comortamento del determnante non è banale Come er l nversone cnematca s tende a dvdere l roblema dstnguendo tra: Sngolartà della struttura ortante Sngolartà del olso ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 4 4
41 Dsaccoamento delle Sngolartà Consderamo l caso del manolatore antroomorfo con olso sferco Lo Jacobano rsulta una matrce (6x6) 3 colonne er la struttura 3 colonne er l olso ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte 8 4 4
42 Dsaccoamento delle Sngolartà Partzonamo la matrce dello Jacobano Dove J J 22 J J J 2 J2 J 22 ( [ z ] 3 ( 3) z4 4) z5 ( 5 [ z z z ] 2 ) Le sngolartà non dendono dalle scelte fatte er descrvere la cnematca ma dalla meccanca del manolatore ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
43 Dsaccoamento delle Sngolartà Imonamo che l sstema d rfermento dell organo termnale abba orgne sul unto d ntersezone degl ass del olso In tal caso s ottene J 2 [ ] E qund l calcolo del determnante dventa det ( J ) det ( J ) ( J ) det 22 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
44 Dsaccoamento delle Sngolartà In defntva l determnante dello Jacobano annulla se uno de due sotto-determnant è nullo s La condzone det ( J ) det( J ) ( J ) det det( J ) Conduce alle sngolartà della struttura ortante 22 La condzone det( J ) 22 Conduce alle sngolartà d olso ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
45 Sngolartà d Polso Le sngolartà d olso solo legate qund all annullamento del determnante del blocco J 22 ( J ) det 22 Che er costruzone saamo essere J [ z z ] z5 I versor Z devono qund essere lnearmente dendent Data la struttura questo accade solo quando Z 3 e Z 5 sono allneat ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
46 Sngolartà d Polso La sngolartà d olso è data qund er θ θ π 5 5 In artcolare, er un angolo ar a π la erdta d mobltà ha due conseguenze: Rotazon ugual e ooste su θ 4 effetto e θ 6 non hanno Nessuna rotazone è ossble sull asse ortogonale a Z 4 e Z 6 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
47 Sngolartà della Struttura Portante Consderamo ora l determnante del blocco J er l manolatore antroomorfo ( J ) a a s ( a c + a ) det c23 L annullamento del determnante s ha n due cas s 3 a2c2 + a3c23 ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
48 Sngolartà della Struttura Portante s 3 Caso : Il manolatore è tutto steso o tutto rtratto θ 3 θ3 π a2 c + a c Caso 2: Il olso s trova sull asse g rotazone del rmo gunto ( soluzon) x y ALTAIR -- Comuter Scence Deartment Unversty of Verona Master n Informatca Medca, Corso d Robotca, Parte
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