Descripción de la posición y orientación.

Documentos relacionados
TEMA 4. Geometría, cinemática y dinámica

TSTC. Dpt. Teoría de la Señal, Telemática y Comunicaciones Tema 2 CINEMÁTICA DE MANIPULADORES

Cinemática del Robot

CINEMÁTICA Y DINÁMICA DE ROBOTS MANIPULADORES: RESPUESTAS DE EJERCICIOS UNIDAD 02. Roger Miranda Colorado

2 Transformaciones en 3D

MAGNITUDES ESCALARES. expresadas por medio de un número y la correspondiente unidad. Masa Temperatura Presión Densidad

CINEMÁTICA DEL ROBOT

en dos dimensiones como objetos que tienen magnitud, dirección y su representación geométrica.

Dr. Roberto Carlos García Gómez

Cinemática Directa del Robot. CI-2657 Robótica M.Sc. Kryscia Ramírez Benavides

UNIDAD 2: ESPACIOS VECTORIALES

Tema 2 Campo de velocidades del sólido rígido

CALCULO VECTORIAL.CONCEPTOS BÁSICOS.

Tema 3: Transformaciones Geométricas

Esta definición se puede ampliar a cualquier par de bases de los espacio inicial y final MATRIZ DE UNA APLICACIÓN LINEAL EN BASES ARBITRARIAS

Matemáticas Aplicadas

TENSIONES. 1. El estado de tensiones de un punto viene dado por el siguiente tensor de segundo orden: es efectivamente un tensor de segundo orden.

VECTORES Y OPERACIONES CON VECTORES

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI CAPITULO 2 VECTORES

VECTORES 1.2 CONCEPTOS Y DEFINICIONES FUNDAMENTALES. En este capítulo estudiaremos los vectores y su álgebra.

APUNTES DE FÍSICA I Profesor: José Fernando Pinto Parra UNIDAD 2 ÁLGEBRA VECTORIAL

TEMA No 3.- VECTORES EN EL PLANO.

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VERACRUZ ANTORCHA Y LUZ DE FUEGO PERMANENTE

PRÁCTICA DEMOSTRATIVA N

INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DEL ROBOT. Curso de Extensión. Tema 2. Laboratorio de Robótica Aplicada (LABRA) 1

V E C T O R E S L I B R E S E N E L P L A N O

Primer Sumario de la Cinemática del Cuerpo Rígido.

Guía Nº 2 Transformaciones Isométricas

CFGS CONSTRUCCION METALICA MODULO 246 DISEÑO DE CONSTRUCCIONES METALICAS

OPERACIONES GEOMÉTRICAS CON VECTORES

Expresión matricial de las operaciones de simetría

Apéndice A. Vectores: propiedades y operaciones básicas.

Modelado cinemático directo de un robot humanoide Universidad Politécnica de Sinaloa 1. Antecedentes 2. Marco teórico Espacio de articulaciones

Programa de Acceso Inclusivo, Equidad y Permanencia. PAIEP, Universidad de Santiago

VECTORES. también con letras sobre las cuales se coloca una flechita ( a ). A = módulo de A. modulo o magnitud, dirección y sentido. vector.

Transformaciones Isométricas

ESCALARES Y VECTORES

UNIDAD 1: ELEMENTOS ALGEBRAICOS 1B : VECTORES

Visión artificial y Robótica Geometría. Depto. de Ciencia de la Computación e Inteligencia Artificial

6 DINAMICA DEL CUERPO RIGIDO

Problema Cinemático Directo

GUÍA DE APRENDIZAJE Introducción al álgebra vectorial

Cuáles son las imágenes de los puntos M,N,O,P respecto eje x?

1.1 Definición de Vectores en R^2 y R^3 y su generalización. Anteriormente vimos que un vector es un objeto matemático con dirección y magnitud.

FACULTAD DE INGENIERIA. ESTABILIDAD I A Sistemas de fuerzas concentradas. Principios de la estática

3º ESO - UNIDAD 12.- TRASLACIONES, GIROS Y SIMETRÍAS EN EL PLANO

TEMA 2 4º ESO Editorial Oxford. INTERACCIONES ENTRE LOS CUERPOS: Fuerzas

TIPOS DE MAGNITUDES. Las magnitudes físicas se pueden clasificar en:

SECRETARÍA DE EDUCACIÓN PÚBLICA DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VERACRUZ. Carrera: Ingeniería Mecatrónica

Cinemática del sólido rígido

UNIVERSIDADES PÚBLICAS DE LA COMUNIDAD DE MADRID. PRUEBAS DE ACCESO A ESTUDIOS UNIVERSITARIOS (LOGSE) MODELO DE EXAMEN (Curso )

Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Bahía Blanca Ingeniería Mecánica. Mecánica Racional. Ejercicio de Mecánica Vectorial y Analítica

Cinemática del Robot. UCR ECCI CI-2657 Robótica Prof. M.Sc. Kryscia Daviana Ramírez Benavides

En física en realidad existen muchas otras situaciones que no se pueden describir simplemente

Mecánica Graduado en Ingeniería Mecánica Complementos de formación Máster/Doctorado

Sistemas de Proyecciones. Norbertino Suárez. Setiembre, 2014

Cambios del Sistema de Coordenadas. Transformación de

ALGEBRA. Escuela Politécnica Superior de Málaga

ROBÓTICA. Especialidad: Electrónica M.C. Ignacio Dávila Ríos

En física en realidad existen muchas otras situaciones que no se pueden describir simplemente

INSTRUCCIONES GENERALES Y VALORACIÓN

Geometría Prof. L. Solorza Curso: 1 medio. Guía de isometrías

REPASO MATEMÁTICO 1. Operaciones matemáticas. 2. Magnitudes físicas. 3. Factores de conversión. 4. Gráficas. 5. Vectores.

1. Determina cuáles de los siguientes conjuntos son subespacios vectoriales. Para aquellos que lo sean, halla una base.

EJERCICIOS DE ÁLGEBRA LINEAL TEMA 3 ESPACIOS EUCLÍDEOS

VECTORES : Las Cantidades Vectoriales cantidades escalares

ANALISIS CINEMATICO DIRECTO E INVERSO

COMPLEJO EDUCATIVO SAN FRANCISCO PRIMER PERIODO. Nombre del estudiante: No.

ALGEBRA. Escuela Politécnica Superior de Málaga

Transformaciones geométricas

ÁLGEBRA VECTORIAL MAGNITUDES ESCALARES Y VECTORIALES:

1.18 Convertir de coordenadas cilíndricas a esféricas el campo vectorial H = (A/r), donde A es constante.

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

Derivación de funciones de varias variables.

INTRODUCCIÓN AL CÁLCULO VECTORIAL

APUNTES 1 VECTORES M.C. CESAR GUERRA TORRES

Fundamentos de Cinemática.

VELOCIDAD Y ACELERACION. RECTA TANGENTE.

Vector Un vector se define como todo segmento de recta dirigido que tiene un punto inicial, un punto final, dirección, sentido y magnitud.

TRANSFORMACIONES ISOMÉTRICAS EN EL PLANO CARTESIANO

Parámetros Redundantes para Rotación y Traslación en Cinemática

Análisis de imágenes digitales

CENTRO DE GRAVEDAD Y CENTROIDE. Considerando el sistema de n partículas fijo dentro de una región del espacio,

Dinámica del Robot. UCR ECCI CI-2657 Robótica Prof. M.Sc. Kryscia Daviana Ramírez Benavides

Recordemos que la ecuación para un vector viene dada por

TEMA 11.- VECTORES EN EL ESPACIO

Resumen teórico de los conceptos necesarios para resolver el práctico 1. Vectores VECTORES

MAGNITUDES VECTORIALES

Translaciones, giros, simetrías.

Álgebra y Geometría Analítica I - LF 2016 Práctica 1: Algunos elementos de la Geometría Analítica

SIMETRÍA INFINITA. nt = kt

Sólido Rígido. Miguel Ángel Otaduy. Animación Avanzada 6 de Febrero de 2014

Cinemática Directa del Robot. UCR ECCI CI-2657 Robótica Prof. M.Sc. Kryscia Daviana Ramírez Benavides

F 28º 1200 N ESTÁTICA Y DINÁMICA

Examen de TEORIA DE MAQUINAS Diciembre 03 Nombre...

Resumen de Transformaciones Isométricas. Traslaciones

Transformaciones 2D. Andrea Rueda. Introducción a la Computación Gráfica. Pontificia Universidad Javeriana Departamento de Ingeniería de Sistemas

UNIVERSIDADES PÚBLICAS DE LA COMUNIDAD DE MADRID PRUEBA DE ACCESO A LAS ENSEÑANZAS UNIVERSITARIAS OFICIALES DE GRADO MATERIA: MATEMÁTICAS II

Transcripción:

Indice TEMA 5. FUNDAMENTS MATEMÁTICS Descripción de la posición y orientación. Transformaciones básicas: traslación y rotación. Composición de transformaciones. Velocidades y aceleraciones. Momento de inercia, centro de masa y tensor de inercia.

. Descripción de la posición y orientación Se empleará el término localización para referirse conjuntamente a una posición y orientación en el espacio. Es por tanto necesario establecer una herramienta matemática capaz de cuantificar y representar las magnitudes que indican, tanto la posición, como la orientación de un cuerpo rígido en el espacio con respecto a un sistema de referencia. 2

Sistemas de referencia 3

Descripción de la posición Una posición se establece de forma unívoca mediante un vector de posición p M con tres componentes con respecto a un sistema de referencia M, con origen el del sistema de referencia y extremo la posición. Al tener asociado cada objeto de interés un sistema de referencia, el vector p M representa la posición del origen de dicho sistema con respecto al M 4

Notación P M P M P 5

Coordenadas cartesianas Las componentes del vector p M son las proyecciones sobre cada uno de los ejes del sistema de referencia M p M (x,y,z) 6

Coordenadas cilíndricas Las componentes del vector p M en un sistema de referencia M se corresponden, con el módulo de la proyección del vector p M sobre el plano xy, el ángulo que forma dicha proyección con el eje x, y la proyección del vector p M sobre el eje z, respectivamente p M (r,, z). p M (r, ) 7

Coordenadas esféricas Coordenadas esféricas p M (r`,, ) P M (r,, ) r M P. r M P p M (r,, ) 8

Descripción de la orientación () La orientación del cuerpo con respecto al sistema de referencia M vendrá dada por la orientación relativa de los ejes del sistema de referencia asociado a él con respecto al sistema M. 9

Descripción de la orientación (2) Para ver mejor la orientación, se suele representar ambos sistemas coincidentes en el origen.

Matrices de rotación Una forma de indicar la orientación de un sistema con respecto a otro M es hacerlo mediante las coordenadas en el sistema M de los vectores unitarios en la dirección de los ejes del sistema

Matrices de rotación Y de forma matricial como las columnas de una matriz de dimensión 3x3, cuyos 9 elementos escalares son las coordenadas de los vectores unitarios del sistema en el sistema M, denominada matriz de rotación Al ser los vectores unitarios y los sistemas referencia ortogonales y dextrógiros, con tres parámetros, la orientación de un sistema con respecto a otro queda determinada. 2

3 Matrices de rotación Los 9 elementos de la matriz de rotación representan las proyecciones de los vectores unitarios x, y, z sobre los ejes del sistema M. M M M M M M M M M M M M M z z z y z x y z y y y x x z x y x x z y x Rot La matriz de rotación a veces recibe el nombre de matriz de cosenos directores

4 Matrices de rotación M M M M M M M M M M M M M z z z y z x y z y y y x x z x y x x z y x Rot La orientación del sistema M respecto al es la orientación inversa y viene expresada por: M Rot = ( Rot M ) T = ( Rot M ) - La matriz de rotación inversa es la matriz de rotación traspuesta

Matrices y coordenadas homogéneas En 969 Forest introduce las coordenadas homogéneas y la matriz de transformación homogénea para resolver diferentes problemas de gráficos por computador a través de operaciones con matrices rotación traslación T = = 3x3 3x perspectiva escalado x3 x 5

Matrices y coordenadas homogéneas Las coordenadas homogéneas en un espacio n-dimensional son n+. En 3D un punto p(x,y,z) en coordenadas homogéneas es: p(wx,wy,wz,w) donde w es un factor de escala (se considera w=). Matriz de transformación homogénea. Representación de la posición y orientación de forma conjunta de un sistema de coordenadas. 6

Matrices homogénea de transformación inversa La matriz de transformación permite localizar un sistema respecto a otro M. En ocasiones interesa conocer la relación inversa, es decir, conocer la localización de M respecto a, lo que se corresponderá con la matriz de transformación inversa a la primera. A A Adj A T 7

Indice TEMA 5. FUNDAMENTS MATEMÁTICS Descripción de la posición y orientación. Transformaciones básicas: traslación y rotación. Composición de transformaciones. Velocidades y aceleraciones. Momento de inercia, centro de masa y tensor de inercia. 8

2. Transformacipones básicas Las matrices homogéneas pueden emplearse para: Para transformar un vector expresado con respecto a XYZ (sistema transformado) a su expresión en MXYZ (sistema original). 9

Transformacipones básicas Localización de un sistema de referencia con respecto a otro. Descripción del movimiento de un objeto o sistema de referencia de una localización inicial M a otra final M. 2

Transformacipones básicas Localización de un sistema respecto a otro M tras un movimiento de 2

Traslación Se pueden considerar tres traslaciones básicas sobre cada uno de los ejes principales de un sistema de referencia. 22

Traslación Traslación compuesta 23

Traslación p i Tras (x, y,z) p i El orden en que se efectúan las operaciones básicas de traslación entre sí, no afecta al resultado de la traslación total. 24

25 Traslación El sistema `X`Y`Z` está trasladado un vector p(6,-3,8) con respecto del sistema XYZ. Calcular las coordenadas (r x, r y, r z ) del vector r cuyas coordenadas con respecto al sistema `X`Y`Z` son r (-2, 7, 3) 4 4 3 7 2 8 3 6 r r r z y x r r p 3,8) (6, Tras p

26 Traslación Calcular el vector r`xyz resultante de trasladar al vector r xyz (4, 4, ) según la transformación Tras (6, -3, 8) 9 4 4 8 3 6 r r` r` z y x

Rotación respecto al eje x 27

Rotación respecto al eje y 28

Rotación respecto al eje z 29

Indice TEMA 5. FUNDAMENTS MATEMÁTICS Descripción de la posición y orientación. Transformaciones básicas: traslación y rotación. Composición de transformaciones. Velocidades y aceleraciones. Momento de inercia, centro de masa y tensor de inercia. 3

3. Composición de transformaciones La composición de transformaciones, al estar representadas por matrices, supone que el orden en que se aplica cada una de las transformaciones básicas que la componen es relevante, puesto que el producto de matrices no es conmutativo. 3

C.T. expresadas con referencia a un sistema fijo () Supóngase que un robot, cuya base tiene asociada un sistema de referencia R, debe girar con respecto a él -9 en la dirección del eje z R un objeto, cuyo sistema de referencia asociado es, desde su posición inicial P R (a, b, c) R i p R Tras (a,b,c) p i 32

C.T. expresadas con referencia a un sistema fijo (2) p i p i R ifinal R p Rot ( z, 9) p R i inicial p inicial R i R Tras (a,b,c) p i R pi final R Rot (z, 9) R Tras (a,b,c) p i 33

Ejemplo. Enunciado () R i p final R Rot ( z, 9)( R Tras ( a, b, c) p i ) 34

35 Ejemplo. Cálculo (2),5,5 2 4 9) cos( 9) ( 9) ( 9) cos( sen sen 2,5 4,5 2,5 4,5

C.T. expresadas con referencia a un sistema móvil () Será necesario en primer lugar, que el sistema H se traslade hasta el objeto, o lo que es lo mismo, que los orígenes de ambos sistemas de referencia, H de la herramienta y del objeto, sean coincidentes En segundo lugar será necesario que el sistema asociado a la herramienta, el H' (sistema H trasladado hasta ), se oriente de forma adecuada para que finalmente coincida plenamente con el del objeto 36

C.T. expresadas con referencia a un sistema móvil (2) p H H Tras H (a,b,c)p H p H H Rot H (z, 9)p H p H H Tras H (a,b,c) H Rot H (z, 9)p H 37

Composición de transformaciones (3) No sólo es importante el orden en que se aplican las transformaciones, sino que también es necesario identificar en cada transformación con respecto a qué sistema se realiza. Si la transformación se realiza con respecto al sistema fijo se premultiplica sobre las transformaciones ya efectuadas. Si la transformación se realiza sobre el sistema móvil, es decir, con respecto a la última localización del sistema transformado, la nueva transformación se posmultiplica respecto a las aplicadas previamente. 38

C.T. Ejemplo (a) Ejemplo : La localización del extremo de un robot viene determinada por la siguiente matriz homogénea con respecto al sistema de coordenadas situado en la base. btener la localización del extremo si éste sufre en primer lugar una traslación de un vector p(5,,5) y posteriormente una rotación de -9 con respecto al eje y, expresando ambas transformaciones con respecto al sistema de coordenadas de la base del robot. 39

C.T. Ejemplo (b) La matriz homogénea que representa el sistema transformado es: 4

C.T. Ejemplo 2 (a) Ejemplo 2: btener la matriz de transformación que representa al sistema obtenido a partir de un sistema de referencia fijo sobre el que se le ha aplicado un giro de 9 alrededor del eje x, un giro de 8 alrededor del eje y (estas dos rotaciones se realizan respecto al sistema de coordenadas fijo); y por último un giro de -9 alrededor del eje y" del sistema transformado. T = Rot y, 8 Rot x, 9 Rot (y", 9) 4

Gráficos de transformación () El final de la herramienta puede ser referido con respecto al sistema XYZ de dos maneras distintas: a través del manipulador y a través del objeto. 42

Gráficos de transformación (2) 43

Gráficos de transformación (3) Cualquier otra relación puede ser obtenida fácilmente a partir del gráfico. Para ello se irá desde el objeto inicial al final multiplicando las matrices de transformación correspondiente a los arcos del gráfico, y considerando que de recorrerse éstos en el sentido inverso a las flechas deberá utilizarse una matriz inversa. 44

C.T. Ejemplo 3 (a) Hallar la matriz de transformación compuesta del sistema de referencia asociado a la articulación 3 sobre la. 45

C.T. Ejemplo 3 (b) T A 2 A 2 A3 A Rot(Y,9)Rot(Z,9)Rot(Y, (9 ))Tras(, L,) Rot(Y,9)Rot(Z,9)Rot(Y,(9 ))Tras(,, L) 2 A A 2 3 Tras(,,L) 46

C.T. Ejemplo 3 (c) A Rot(Y,9)Rot(Z,9)Rot(Y, (9 ))Tras(, L,) Rot(Y,9)Rot(Z,9)Rot(Y,(9 ))Tras(,, L) 2 A A 2 3 Tras(,,L) A cos(9) sen(9) sen(9) cos(9) cos(9) sen(9) sen(9) cos(9) cos (9 ) sen (9 ) sen (9 ) cos (9 ) L cos sen sen cos L 47

48 ))Tras(,, L),9)Rot(Y,(9 Rot(Y,9)Rot(Z A 2 A 2 3 Tras(,,L) cos(9) sen(9) sen(9) cos(9) cos(9) sen(9) sen(9) cos(9) A 2 Lcos cos sen Lcos 9 sen cos L ) cos(9 ) sen(9 ) sen(9 ) cos(9 L A 2 3 C.T. Ejemplo 3 (d)

C.T. Ejemplo 4 (a) El sistema de referencia asociado al elemento 3 con respecto al viene dado por la matriz de transformación homogénea T A A 2 2 A3 A Rot(X,9)Rot(Y, )Tras(,L,) A 2 Rot(Y,9)Rot(Z,9)Rot(Y,(9 ))Tras(,,L) A 2 3 Tras(,,L) Si las coordenadas de un punto i con respecto al elemento son (L, 2L, L) Cúales serán esas coordenadas con respecto al elemento 3 si α y = 9? 49

C.T. Ejemplo 4 (b) 5

C.T. Ejemplo 5 (a) La muñeca de un robot está en la posición (, 2L, L) con respecto a la base del robot (sistema de referencia cartesiano dextrógiro XYZ ). El versor j3 del sistema de referencia asociado a ella está en la dirección positiva del eje x del sistema asociado a la base del robot, el k3 en el del eje y positivo, siendo el sistema dextrógiro. Las coordenadas de un punto i con respecto a la base del robot son (L, 2L, L). Si el extremo del robot es sometido a una traslación Tras (, L, ) respecto al sistema móvil X3Y3Z3, y luego a otra traslación Tras (-L,, ) con respecto a este último sistema. º Cúal serán las coordenadas del punto i con respecto a ese sistema X5Y5Z5? 2º Y la matriz de transformación geométrica T5? Resolverlo geométrica y matemáticamente. 5

C.T. Ejemplo 5 (b) 52

Rotaciones compuestas () Un giro general se puede descomponer en una combinación de tres rotaciones básicas realizadas en un cierto orden. Existen 24 combinaciones definidas: 2 de ellas se obtienen mediante combinación de tres rotaciones siempre realizadas sobre ejes principales del sistema fijo. XYZ Las otras 2, conocidas como ángulos de Euler, se definen mediante combinación de tres giros sobre ejes principales del sistema móvil 53

Respecto a los ejes fijos: XYZ (Roll, Pitch, Yaw) Z Y X Alabeo, Cabeceo, Guiñada Balanceo, Inclinación, rientación Rotaciones compuestas (2) 54

Angulos de Euler (X-Y-Z, X-Z-Y, Y-X-Z, Y-Z-X, Z-X-Y, Z-Y-X, X-Y-X, X-Z-X, Y-X-Y, Y-Z-Y, Z-X-Z, Z-Y-Z) 55