机器人动力学方程(二):拉格朗日法

1、拉格朗日法

拉格朗日法是一种基于能量的动力学方法,从拉格朗日函数L(系统动能和势能的差值)出发来建立机器人动力学方程:

Lagrange 方程

应用于机器人动力学模型推导(详细过程可参考霍伟编写的《机器人动力学与控制》),最终可得出如下的形式:
H(q)\ddot{q}+C(q,\dot{q})\dot{q}+G(q)=\tau
式中各项H,C,G的求解算法如下,本文将该算法用Matlab实现。

各项的求解算法

2、Matlab代码

function [H,C,G] = LagrangianDynamics(dh_list, mass_list, mass_center_list, inertia_tensor_list)

[rows, columns] = size(dh_list);
number_of_links = rows;
if columns ~= 4
    error('wrong DH parameters!')
end

for i = 1:rows
    % 定义关节位置,速度,加速度符号
    eval(['syms ','q',num2str(i),' real;']);
    eval(['syms ','dq',num2str(i),' real;']);
    eval(['syms ','ddq',num2str(i),' real;']);
    eval(['q(i)=','q',num2str(i),';']);
    eval(['dq(i)=','dq',num2str(i),';']);
    eval(['ddq(i)=','ddq',num2str(i),';']);
end

A = sym([]);
for i = 1:number_of_links
    dh = dh_list(i,:);
    alpha(i) = dh(1);
    a(i) = dh(2);
    d(i) = dh(3);
    q(i) = dh(4);
    A(:,:,i) = [cos(q(i)),   -sin(q(i))*cos(alpha(i)),  sin(alpha(i))*sin(q(i)),  a(i)*cos(q(i));
                sin(q(i)), cos(q(i))*cos(alpha(i)), -sin(alpha(i))*cos(q(i)), a(i)*sin(q(i));
                0,           sin(alpha(i)), cos(alpha(i)),  d(i);
                0,                       0,                       0,              1];
end
A = simplify(A);

% 计算每个连杆坐标系在{0}系下的表达
A0 = sym([]);
for i = 1:number_of_links
    A0(:,:,i) = eye(4,4);
    for j = 1:i
        A0(:,:,i) = A0(:,:,i)*A(:,:,j);
    end
end
A0 = simplify(A0);

J = sym([]);
for i = 1:number_of_links
    J(:,:,i) = JMatrix(mass_list(i),mass_center_list(1,:),inertia_tensor_list(:,:,i));
end

% 计算H(q),由H(q)对称性,只需计算上三角部分
syms tr
for i = 1:number_of_links
    for j = i:number_of_links
        tr = 0;
        for k = j:number_of_links
            tr = tr + trace(eval(['diff(A0(:,:,k),q',num2str(i),')'])*J(:,:,k)*...
                eval(['diff(transpose(A0(:,:,k)),q',num2str(j),')']));
        end
        H(i,j) = simplify(tr);
        H(j,i) = H(i,j);
    end
end

% 计算C(q)
for i = 1:number_of_links
    for j = 1:number_of_links
        c = 0;
        for k = 1:number_of_links
            c = c + 1/2*(eval(['diff(H(i,j),q',num2str(k),')'])...
                        + eval(['diff(H(i,k),q',num2str(j),')'])...
                        - eval(['diff(H(j,k),q',num2str(i),')']))*eval(['dq',num2str(k)]);
        end
        C(i,j) = simplify(c);
    end
end

syms gc
g = [0,0,-gc,0]';

% 计算G(q)
for i = 1:number_of_links
    gi = 0;
    for j = 1:number_of_links
        gi = gi - mass_list(j)*g'...
                *eval(['diff(A0(:,:,j),q',num2str(i),')'])...
                *[mass_center_list(j,:),1]';
    end
    G(i) = simplify(gi);
end
G = G';

end

代码中的齐次矩阵A(:,:,i)计算对应的是标准DH模型,如果杆件坐标系是用修改的DH模型建立,则只需修改A(:,:,i)的计算即可。下面的用例可测试编写的代码:

% 拉格朗日动力学方程求解测试
clc;
clear;
syms q1 q2 q3 m1 m2 m3 d2 real
syms Ix1 Iy1 Iz1 Ixy1 Iyz1 Ixz1 real
syms Ix2 Iy2 Iz2 Ixy2 Iyz2 Ixz2 real
syms Ix3 Iy3 Iz3 Ixy3 Iyz3 Ixz3 real
syms xc1 yc1 zc1 xc2 yc2 zc2 xc3 yc3 zc3 real

dh_params = [-pi/2, 0,  0, q1; 
             pi/2, 0, d2, q2;
             0, 0, 0, q3];
mass_center = [xc1, yc1, zc1; 
               xc2, yc2, zc2;
               xc3, yc3, zc3];
mass = [m1,m2,m3];
inertia_1 = [Ix1,  Ixy1, Ixz1;
             Ixy1, Iy1,  Iyz1;
             Ixz1, Iyz1, Iz1];
inertia_2 = [Ix2,  Ixy2, Ixz2;
             Ixy2, Iy2,  Iyz2;
             Ixz2, Iyz2, Iz2];
inertia_3 = [Ix3,  Ixy3, Ixz3;
             Ixy3, Iy3,  Iyz3;
             Ixz3, Iyz3, Iz3];
         
inertia_tensor(:,:,1) = inertia_1;
inertia_tensor(:,:,2) = inertia_2;
inertia_tensor(:,:,3) = inertia_3;

[h,c,g] = LagrangianDynamics(dh_params, mass, mass_center, inertia_tensor)

上面的程序基于编写的LagrangianDynamics函数求解书中的算例2-1:

算例

代码运行后输出动力学方程中的各个系数矩阵:

h =
 
[ Ix2 + Iy1 + Iy3 + d2^2*m2 + d2^2*m3 - Ix2*cos(q2)^2 + Ix3*cos(q3)^2 - Iy3*cos(q2)^2 - Iy3*cos(q3)^2 + Iz2*cos(q2)^2 + Iz3*cos(q2)^2 + Ixy3*sin(2*q3) + Ixz2*sin(2*q2) - Ix3*cos(q2)^2*cos(q3)^2 + Iy3*cos(q2)^2*cos(q3)^2 + 2*d2*m2*yc1 + 2*Ixz3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q2) - 2*Iyz3*cos(q2)*sin(q2)*sin(q3) + 2*d2*m3*yc1*cos(q3) + 2*d2*m3*xc1*sin(q3) - 2*Ixy3*cos(q2)^2*cos(q3)*sin(q3), Ixy2*sin(q2) - Iyz2*cos(q2) - Ixy3*sin(q2) - Iyz3*cos(q2)*cos(q3) - Ixz3*cos(q2)*sin(q3) + 2*Ixy3*cos(q3)^2*sin(q2) - Ix3*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3) + Iy3*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3) - d2*m2*zc1*cos(q2) - d2*m3*zc1*cos(q2) + d2*m2*xc1*sin(q2) + d2*m3*xc1*cos(q3)*sin(q2) - d2*m3*yc1*sin(q2)*sin(q3), Iz3*cos(q2) + Ixz3*cos(q3)*sin(q2) - Iyz3*sin(q2)*sin(q3) + d2*m3*yc1*cos(q2)*cos(q3) + d2*m3*xc1*cos(q2)*sin(q3)]
[                                                                                      Ixy2*sin(q2) - Iyz2*cos(q2) - Ixy3*sin(q2) - Iyz3*cos(q2)*cos(q3) - Ixz3*cos(q2)*sin(q3) + 2*Ixy3*cos(q3)^2*sin(q2) - Ix3*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3) + Iy3*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3) - d2*m2*zc1*cos(q2) - d2*m3*zc1*cos(q2) + d2*m2*xc1*sin(q2) + d2*m3*xc1*cos(q3)*sin(q2) - d2*m3*yc1*sin(q2)*sin(q3),                                                                                                                                                                                                                        Ix3/2 + Iy2 + Iy3/2 - (Ix3*cos(2*q3))/2 + (Iy3*cos(2*q3))/2 - Ixy3*sin(2*q3),                                                                                     - Iyz3*cos(q3) - Ixz3*sin(q3)]
[                                                                                                                                                                                                                                                                        Iz3*cos(q2) + Ixz3*cos(q3)*sin(q2) - Iyz3*sin(q2)*sin(q3) + d2*m3*yc1*cos(q2)*cos(q3) + d2*m3*xc1*cos(q2)*sin(q3),                                                                                                                                                                                                                                                                       - Iyz3*cos(q3) - Ixz3*sin(q3),                                                                                                               Iz3]
 
 
c =
 
[ dq2*(Iyz3*sin(q3) - Ixz3*cos(q3) - Ixz2 + 2*Ixz2*cos(q2)^2 + (Ix2*sin(2*q2))/2 + (Iy3*sin(2*q2))/2 - (Iz2*sin(2*q2))/2 - (Iz3*sin(2*q2))/2 + 2*Ixz3*cos(q2)^2*cos(q3) - 2*Iyz3*cos(q2)^2*sin(q3) + Ix3*cos(q2)*cos(q3)^2*sin(q2) - Iy3*cos(q2)*cos(q3)^2*sin(q2) + 2*Ixy3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3)) - dq3*(Ixy3 - Ixy3*cos(q2)^2 - 2*Ixy3*cos(q3)^2 + (Ix3*sin(2*q3))/2 - (Iy3*sin(2*q3))/2 + 2*Ixy3*cos(q2)^2*cos(q3)^2 + Iyz3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q2) + Ixz3*cos(q2)*sin(q2)*sin(q3) - d2*m3*xc1*cos(q3) + d2*m3*yc1*sin(q3) - Ix3*cos(q2)^2*cos(q3)*sin(q3) + Iy3*cos(q2)^2*cos(q3)*sin(q3)), dq1*(Iyz3*sin(q3) - Ixz3*cos(q3) - Ixz2 + 2*Ixz2*cos(q2)^2 + (Ix2*sin(2*q2))/2 + (Iy3*sin(2*q2))/2 - (Iz2*sin(2*q2))/2 - (Iz3*sin(2*q2))/2 + 2*Ixz3*cos(q2)^2*cos(q3) - 2*Iyz3*cos(q2)^2*sin(q3) + Ix3*cos(q2)*cos(q3)^2*sin(q2) - Iy3*cos(q2)*cos(q3)^2*sin(q2) + 2*Ixy3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3)) + dq2*(Ixy2*cos(q2) - Ixy3*cos(q2) + Iyz2*sin(q2) + Iyz3*cos(q3)*sin(q2) + Ixz3*sin(q2)*sin(q3) + 2*Ixy3*cos(q2)*cos(q3)^2 - Ix3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q3) + Iy3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q3) + d2*m2*xc1*cos(q2) + d2*m2*zc1*sin(q2) + d2*m3*zc1*sin(q2) + d2*m3*xc1*cos(q2)*cos(q3) - d2*m3*yc1*cos(q2)*sin(q3)) - (dq3*sin(q2)*(Iz3 + Ix3*(2*cos(q3)^2 - 1) - Iy3*(2*cos(q3)^2 - 1) + 4*Ixy3*cos(q3)*sin(q3) + 2*d2*m3*yc1*cos(q3) + 2*d2*m3*xc1*sin(q3)))/2, - dq3*(Iyz3*cos(q3)*sin(q2) + Ixz3*sin(q2)*sin(q3) - d2*m3*xc1*cos(q2)*cos(q3) + d2*m3*yc1*cos(q2)*sin(q3)) - dq1*(Ixy3 - Ixy3*cos(q2)^2 - 2*Ixy3*cos(q3)^2 + (Ix3*sin(2*q3))/2 - (Iy3*sin(2*q3))/2 + 2*Ixy3*cos(q2)^2*cos(q3)^2 + Iyz3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q2) + Ixz3*cos(q2)*sin(q2)*sin(q3) - d2*m3*xc1*cos(q3) + d2*m3*yc1*sin(q3) - Ix3*cos(q2)^2*cos(q3)*sin(q3) + Iy3*cos(q2)^2*cos(q3)*sin(q3)) - (dq2*sin(q2)*(Iz3 + Ix3*(2*cos(q3)^2 - 1) - Iy3*(2*cos(q3)^2 - 1) + 4*Ixy3*cos(q3)*sin(q3) + 2*d2*m3*yc1*cos(q3) + 2*d2*m3*xc1*sin(q3)))/2]
[                                                                                                  dq3*((Ix3*sin(q2))/2 - (Iy3*sin(q2))/2 + (Iz3*sin(q2))/2 - Ixz3*cos(q2)*cos(q3) + Iyz3*cos(q2)*sin(q3) - Ix3*cos(q3)^2*sin(q2) + Iy3*cos(q3)^2*sin(q2) - 2*Ixy3*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3)) - dq1*(Iyz3*sin(q3) - Ixz3*cos(q3) - Ixz2 + 2*Ixz2*cos(q2)^2 + (Ix2*sin(2*q2))/2 + (Iy3*sin(2*q2))/2 - (Iz2*sin(2*q2))/2 - (Iz3*sin(2*q2))/2 + 2*Ixz3*cos(q2)^2*cos(q3) - 2*Iyz3*cos(q2)^2*sin(q3) + Ix3*cos(q2)*cos(q3)^2*sin(q2) - Iy3*cos(q2)*cos(q3)^2*sin(q2) + 2*Ixy3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3)),                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       -dq3*(Ixy3*cos(2*q3) - (Ix3*sin(2*q3))/2 + (Iy3*sin(2*q3))/2),                                                                                                                                                                                                           Ixy3*dq2 - 2*Ixy3*dq2*cos(q3)^2 + (Ix3*dq2*sin(2*q3))/2 - (Iy3*dq2*sin(2*q3))/2 - Ixz3*dq3*cos(q3) + (Ix3*dq1*sin(q2))/2 - (Iy3*dq1*sin(q2))/2 + Iyz3*dq3*sin(q3) + (Iz3*dq1*sin(q2))/2 - Ix3*dq1*cos(q3)^2*sin(q2) + Iy3*dq1*cos(q3)^2*sin(q2) - Ixz3*dq1*cos(q2)*cos(q3) + Iyz3*dq1*cos(q2)*sin(q3) - 2*Ixy3*dq1*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3)]
[                                                                                                                   dq1*(Ixy3 - Ixy3*cos(q2)^2 - 2*Ixy3*cos(q3)^2 + (Ix3*sin(2*q3))/2 - (Iy3*sin(2*q3))/2 + 2*Ixy3*cos(q2)^2*cos(q3)^2 + Iyz3*cos(q2)*cos(q3)*sin(q2) + Ixz3*cos(q2)*sin(q2)*sin(q3) - d2*m3*xc1*cos(q3) + d2*m3*yc1*sin(q3) - Ix3*cos(q2)^2*cos(q3)*sin(q3) + Iy3*cos(q2)^2*cos(q3)*sin(q3)) - dq2*((Ix3*sin(q2))/2 - (Iy3*sin(q2))/2 + (Iz3*sin(q2))/2 - Ixz3*cos(q2)*cos(q3) + Iyz3*cos(q2)*sin(q3) - Ix3*cos(q3)^2*sin(q2) + Iy3*cos(q3)^2*sin(q2) - 2*Ixy3*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3)),                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 dq2*(Ixy3*(2*cos(q3)^2 - 1) - Ix3*cos(q3)*sin(q3) + Iy3*cos(q3)*sin(q3)) - dq1*((Ix3*sin(q2))/2 - (Iy3*sin(q2))/2 + (Iz3*sin(q2))/2 - Ixz3*cos(q2)*cos(q3) + Iyz3*cos(q2)*sin(q3) - Ix3*cos(q3)^2*sin(q2) + Iy3*cos(q3)^2*sin(q2) - 2*Ixy3*cos(q3)*sin(q2)*sin(q3)),                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    0]
 
 
g =
 
                                                                                                        0
 -gc*(m2*xc2*cos(q2) + m2*zc2*sin(q2) + m3*zc3*sin(q2) + m3*xc3*cos(q2)*cos(q3) - m3*yc3*cos(q2)*sin(q3))
                                                                gc*m3*sin(q2)*(yc3*cos(q3) + xc3*sin(q3))
 

对比书中给出的结果,经过适当变形,可以看出是一致的,代入到文章开头的运动方程,即可获得该机械臂显式的动力学方程。


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