DH法中的齐次变换矩阵及其应用解析

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问题:

DH法的齐次矩阵是什么

回答:

DH法(Denavit-Hartenberg法)是机器人学中用于描述机械臂各关节之间相对位置和姿态的一种标准化方法。DH法通过引入一组标准化的参数(DH参数)来简化机械臂的运动学建模。DH参数包括四个变量:连杆长度 (a_i)、连杆偏移 (d_i)、连杆扭转角 (\alpha_i) 和关节角 (\theta_i)。

齐次变换矩阵(Homogeneous Transformation Matrix)是用来描述从一个坐标系到另一个坐标系的变换关系的矩阵。在DH法中,每个关节的变换可以用一个4x4的齐次变换矩阵来表示。这个矩阵综合了旋转和平移变换。

对于第 (i) 个关节,齐次变换矩阵 (A_i) 可以表示为:

[ A_i = \begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i \cos\alpha_i & \sin\theta_i \sin\alpha_i & a_i \cos\theta_i \ \sin\theta_i & \cos\theta_i \cos\alpha_i & -\cos\theta_i \sin\alpha_i & a_i \sin\theta_i \ 0 & \sin\alpha_i & \cos\alpha_i & d_i \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} ]

其中:

  • (\theta_i) 是第 (i) 个关节的关节角。
  • (d_i) 是第 (i) 个关节的连杆偏移。
  • (a_i) 是第 (i) 个关节的连杆长度。
  • (\alpha_i) 是第 (i) 个关节的连杆扭转角。

通过将这些齐次变换矩阵按顺序相乘,可以得到从基坐标系到末端执行器坐标系的总变换矩阵。这种方法极大地简化了机械臂的运动学分析和计算。