Paden-Kahan 서브 문제

Paden–Kahan subproblems

파든-카한 하위 문제는 일반적인 로봇 조작자의 [1]역운동학에서 자주 발생하는 해결된 기하학적 문제의 집합이다.문제 집합이 완전한 것은 아니지만, 많은 산업용 [2]로봇에 대한 역운동학적 분석을 단순화하는 데 사용될 수 있다.

심플화 전략

지수법의 곱에 의해 정의된 구조 방정식의 경우, 파덴-카한 하위 문제는 역운동학 문제를 단순화하고 해결하기 위해 사용될 수 있다.특히 행렬 지수는 가환적이지 않다.

일반적으로 하위문제는 접합각을 해결하기 위해 역운동학 문제(예: 접합축의 교차점)의 특정 지점을 해결하기 위해 적용된다.

회전 관절 제거

단순화는 회전은 축에 있는 점에 영향을 미치지 않는다는 원리로 이루어집니다.예를 들어 pp가 회전 트위스트의축에 경우(\ 그 위치는 트위스트의 작동에 영향을 받지 않습니다.To Wit :

따라서, 구조 방정식의 경우,

서 § 1 _ § _ § \ 축에 있는 p(\p 방정식의 양쪽을 모두 0으로 바꿉니다 ( \{2} 의 수율
§ (\ _을 취소하면 이 값이 산출됩니다.
, 1{ _ {1 2{ _ {2}가 교차하는 경우 하위 문제 2로 해결할 수 있습니다.

노름

어떤 경우에는 방정식의 양쪽에서 점을 빼고 결과의 규범을 취함으로써 문제를 단순화할 수도 있다.

예를 들면,

§ 3{ _ {3}} 1{ _ {} {\ {\ q {\ 3 for {\ {\ {\ {\{\ {\ p { \{}a of of2 a2 at2 at2 at2 at2 at2 at2 at2 at2 at2 at2 at2 at2at2 at2 。q }와 양쪽의 규범을 취한다.
이 문제는 Subproblem 3을 사용하여 해결할 수 있습니다.

하위 문제 목록

각 서브문제는 기하학적 증명에 기초한 알고리즘으로 제시된다.여러 개의 해결책이 있거나 해결책이 없는 경우를 설명하기 위해 작성되어야 하는 주어진 하위 문제를 해결하기 위한 코드는 광범위한 로봇에 대한 역운동학 알고리즘에 통합될 수 있다.

하위 문제 1: 단일 축에 대한 회전

첫 번째 Paden-Kahan 서브 문제의 그림.
크기를 갖는 0 피치 트위스트 { }, 3 \ p ,\ in \ { {3 합니다.§ )를 찾습니다.

이 하위 문제에서는 p textstyleq과 일치하도록 특정 축 \ 중심으로 회전합니다.

첫 번째 Paden-Kahan 하위 문제에서 투영된 원의 그림.

솔루션

r{ \xi 의 축에 r { textstyle \(를 으로 .{ ( 를 정의합니다.{ r)의 축에 . e^ {\widehat v.}

으로 벡터 { } 및 { v}는 {\의 축에 수직인 평면에 대한 {u } v {투영으로 정의한다.

그리고.
{ u q { pq }이면 두 지점은 모두 회전 축에 놓입니다.따라서 하위 문제는 이 경우 무한한 수의 가능한 해결책을 제시합니다.

문제가 해결되려면 { u} { v}의 {\ { textstyle \} 축과 { \}에 수직인 평면에 투영하는 길이가 같아야 합니다.확실히 다음 사항을 확인할 필요가 있다.

그리고 그것

이러한 방정식이 충족되면 atan2 함수를 사용하여 값을 구할 수 있습니다.

u0 { u ' \ 0인 경우 이 서브문제는 에 대해1개의 해결책을 제시합니다.

하위 문제 2: 두 개의 후속 축에 대한 회전

Paden-Kahan Subproblem 2의 그림.하위 문제에서는 원이 두 점에서 교차하는 경우 두 가지 해결 방법이 생성됩니다. 즉, 원이 접선 상태이면 한 가지 해결 방법, 원이 교차하지 않으면 해결 방법이 없습니다.
1 \ _ {} 2 \ _ {2be 、 magnitude 2text 、단위크기와 교차축의 두 개의 제로피치 트위스트라고 합니다. q 3 \ p3}을2점으로 합니다.§ (_ { ) §2 ( _ { 찾습니다.

이 문제는 pp 텍스트 스타일 \ _의 축을 중심으로 회전시킨 후 스타일의 축을 중심으로 회전시키면 p 위치가 일치합니다.t { q} ( 1( \ \ { } ) of {\ \ _ } ) if {\ {\ = {\texttexttexttexttexttexttext1 such2 . sub 1 1 1 11로 이 문제가 감소합니다.

솔루션

두 축이 평행하지 않은 경우(, \1}\ _c {\ c 다음과 같은 점이 .

, cc는 p p가q\q와 일치하기 전에 한 축을 중심으로 회전하는 을 나타냅니다. 각 회전은 SubProblem 1과 동일하지만 c c\textst에 하나 이상의 유효한 솔루션을 식별해야 합니다. c 사용하여 회전을 해결합니다.

rr을 두 축의 교차점으로 .

Paden-Kahan 하위 문제 2의 그림으로, 하위 문제가 하나의 해결책만 생성하는 접선 사례를 보여줍니다.

(- r ){ u ( p -r ) ( -r ){ v = ( q -r ) z (c -r){ z ( c - 를 정의합니다.그러므로,

즉, Tu \_ { {\ _}^{ \ _ { ‖ u 、 2 2 2 \ textstyle \ ^{2} = \ \ 2} \ \ {}、 1 、 1 2、 \ \ 、 2、 { tyle \ }s

계수의 값은 다음과 같이 해결할 수 있습니다.

Paden-Kahan 하위 문제 2의 그림으로, 두 개의 교차하는 원과 두 개의 해답이 있는 경우를 보여줍니다.양쪽 솔루션(c, c2)이 강조 표시됩니다.

,그리고.
하위 문제에서는 원이 두 점에서 교차하는 경우 두 가지 해결 방법이 생성됩니다. 즉, 원이 접선 상태이면 한 가지 해결 방법, 원이 교차하지 않으면 해결 방법이 없습니다.

하위 문제 3: 주어진 거리까지 회전

크기를 가진 0 피치 트위스트 \let , R \ p , \{ R } ^ { \ \ delta} { { 、 0보다 큰 라고 합니다.§ )를 찾습니다.

이 문제에서는 점 스타일q로부터의 거리(\textstyle \xi)가 될 때까지 축 p(\textstyle 중심으로 회전합니다. 솔루션이 존재하기 위해서는 점p p 으로 한 원이 스퍼와 교차해야 합니다. of radius ( \ \ q q}를 으로 합니다.

솔루션

r r의 축으로 . u ( -){ u = ( p -r ) v ( -){ v= (는 다음과 같이 정의됩니다.

u{ v {\ v 투영도는 "투영"에 의해 정의된 " v' v - } v v'= 이다. { \ omega 방향으로 q { } :

u: { u}와 v { v} 사이의 각도 0 { \_ { 0 atan2 함수를 사용하여 구합니다.
다음 공식으로 구할 수 있습니다.
서브문제에서는 반지름원이 반지름원과 교차하는 점의 수에 따라 0, 1,의 해결책이 나올 수 있습니다

Sub problem 4: 2개의 축을 중심으로 주어진 거리로 회전합니다.

1 \ _ {} 2 \ _ {2be 、 magnitude 2text 、단위크기와 교차축의 두 개의 제로피치 트위스트라고 합니다. 1, 2 3 \ p}을 점으로 .§ (_ { ) §2 ( _ { 찾습니다.

이 문제는 최종 지점이 알려진 두 점까지의 거리에 의해 구속된다는 점을 제외하고 하위 문제 2와 유사합니다.

Sub Problem 5: 지정된 거리로 변환

{ p 、 3 \ \ \{} ^ {} {\ 보다 큰 실수라고 .§ )를 찾습니다.

레퍼런스

  1. ^ Paden, Bradley Evan (1985). "Kinematics and Control of Robot Manipulators". Ph.D. Thesis. Bibcode:1985PhDT........94P.
  2. ^ Sastry, Richard M. Murray ; Zexiang Li ; S. Shankar (1994). A mathematical introduction to robotic manipulation (PDF) (1. [Dr.] ed.). Boca Raton, Fla.: CRC Press. ISBN 9780849379819.