El Jacobiano
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La idea
FK e IK hablan de posiciones. El Jacobiano J habla de velocidades: derivas las fórmulas de FK respecto a los ángulos y sale una matriz.
v = J · ω (ω: velocidades de las articulaciones; v: velocidad de la mano)
Cada columna de J es lo que mueve la mano una articulación sola; la mano hace la suma.
Dos eslabones
J = [[−L1·sinθ1 − L2·sin(θ1+θ2), −L2·sin(θ1+θ2)], [L1·cosθ1 + L2·cos(θ1+θ2), L2·cos(θ1+θ2)]]
Ejemplo (L1 = L2 = 1, θ1 = 0°, θ2 = 90°): J = [[−1, −1], [1, 0]]. Si solo gira la articulación 1 a 1 rad/s, v = (−1, 1): perpendicular al radio, a √2.
Al revés
Para mover la mano a una velocidad dada: ω = J⁻¹ · v. Es el jog cartesiano de un brazo. La IK numérica da pasos pequeños Δθ = J⁻¹ · Δx hasta llegar.
Fuerzas: τ = Jᵀ · F da los torques para empujar con una fuerza F.
Singularidad
det J = L1 · L2 · sinθ2. Con θ2 = 0° o 180° (brazo estirado o plegado) vale 0 y J no se puede invertir: la mano no puede moverse a lo largo del brazo. Cerca de ella, los motores tendrían que girar muy rápido para mover la mano un poco.
En la demo
Con «θ2 = 90°», mueve ω1: la flecha blanca es la suma de las dos de colores (las columnas de J). Pasa a «Casi estirado» y «Estirado»: la elipse de velocidades posibles se aplasta hasta ser una línea. En «Mano a articulaciones», cerca de la singularidad las barras se ponen rojas.
Demo interactiva
Conceptos relacionados
Forward e inverse kinematics
FK: de ángulos a posición de la mano, siempre una respuesta. IK: de posición a ángulos; puede haber dos soluciones (codo arriba o abajo) o ninguna si el punto está fuera de alcance.
Frames de coordenadas y transformaciones
Un punto solo tiene coordenadas respecto a un frame (origen + ejes). Para pasar del frame del robot al del mundo: p_world = R(θ) · p_robot + t.