Кинематика - это самое базовое исследование поведения механических систем. В мобильной робототехнике, чтобы создать мобильный движущийся механизм, робототехникам необходимо понимать механическое поведение робота как для того, чтобы проектировать подходящие мобильные роботы для выполнения задач, так и для того, чтобы понимать, как создавать управляющее программное обеспечение, например, для аппаратуры мобильного робота.
Мобильные роботы – не первые системы, требующие сложного анализа
Конечно, мобильные роботы - не первые сложные механические системы, требующие такого анализа. Манипуляторы роботов являются предметом интенсивного изучения на протяжении более тридцати лет. В некотором смысле манипуляторные роботы намного сложнее, чем ранние мобильные роботы: стандартный сварочный робот может иметь пять или более соединений, тогда как ранние мобильные роботы были простыми дифференциально-приводными машинами. В последние годы робототехническое сообщество достигло достаточно полного понимания кинематики и даже динамики (т.е. силы и массы) манипуляторов-роботов.
Мобильное сообщество роботов ставит многие из тех же кинематических вопросов, что и сообщество роботов-манипуляторов. Рабочее пространство манипулятора-робота имеет решающее значение, поскольку определяет диапазон возможных положений, которые могут быть достигнуты с помощью конечного эффектора по отношению к его креплению к окружающей среде.
Не менее важно и рабочее пространство
Рабочее пространство мобильного робота не менее важно, поскольку оно определяет диапазон возможных поз, которые мобильный робот может достичь в своей среде. Управление манипулятором робота определяет способ активного включения двигателей для перемещения из одной позы в другую в рабочем пространстве. Аналогичным образом, управляемость мобильного робота определяет возможные пути и траектории движения в его рабочем пространстве.
Динамика роботов накладывает дополнительные ограничения на рабочее пространство и траекторию из-за соображений массы и силы. Мобильный робот также ограничен динамикой; например, высокий центр тяжести ограничивает радиус поворота быстрого робота, похожего на автомобиль, из-за опасности откатывания.
Главное отличие мобильного робота от манипулятора
Но главное отличие мобильного робота от манипулятора в том, что он отличается от манипулятора, также создает значительные трудности при оценке положения. Манипулятор имеет один конец, закрепленный на окружающей среде. Измерение положения конечного эффектора руки - это просто вопрос понимания кинематики робота и измерения положения всех промежуточных суставов. Таким образом, положение манипулятора всегда можно вычислить, глядя на текущие данные датчика.
Мобильный робот – автономный аппарат
Но мобильный робот является автономным аппаратом, который может полностью перемещаться в зависимости от окружающей среды. Нет прямого способа мгновенно измерить положение мобильного робота. Вместо этого необходимо интегрировать движение робота с течением времени. К этому добавляются неточности оценки движения из-за проскальзывания, и становится ясно, что точное определение положения мобильного робота - чрезвычайно сложная задача. Процесс понимания движений робота начинается с описания того, какой вклад каждое колесо обеспечивает движение. А каждое колесо играет определенную роль в перемещении всего робота.
Движение робота – процесс снизу вверх
Получение модели для всего движения робота - это восходящий процесс снизу вверх. Каждое отдельное колесо вносит свой вклад в движение робота и в то же время накладывает ограничения на его движение. Колеса привязываются друг к другу в зависимости от геометрии шасси робота, и поэтому их ограничения в совокупности образуют ограничения на общее движение шасси робота. Однако усилия и ограничения каждого колеса должны быть выражены в четкой и последовательной системе отсчета. Это особенно важно в мобильной робототехнике ввиду ее автономного и мобильного характера; требуется четкое сопоставление глобальных и локальных систем координат.
В ходе этого анализа робототехники моделируют робота сначала как жесткий кузов на колесах, работающий в горизонтальной плоскости. Общая размерность этого шасси робота на плоскости составляет три: два для положения в плоскости и один для ориентации вдоль вертикальной оси, которая является ортогональной плоскости. Разумеется, существуют дополнительные степени свободы и гибкости благодаря колесным осям, шарнирам рулевого управления и шарнирам колесных роликов. Однако под шасси робота подразумевают сначала только жесткий кузов робота, игнорируя стыки и степень свободы, присущую роботу и его колесам.
Так что не все так просто при создании мобильного робота. За кажущейся простотой, как видно из прочитанного вами текста, стоит множество расчетов и формул.