移动机器人运动学分析：两轮差动与三轮全向模型详解

本章主要探讨了运动学在机器人机构设计中的核心作用，特别是针对移动机器人运动学分析的深入理解。运动学研究的是机器人中物体的运动，不涉及驱动力或力矩，它是机器人设计、分析、控制和仿真过程的基础。在移动机器人中，运动学分析分为正向解和逆向解。 运动学正向解，也称为观测问题，是通过测量每个轮子的速度（例如通过编码器）来推算机器人整体的线速度和角速度。这对于理解和预测机器人在给定输入下的行为至关重要。比如，对于两轮差动模型，如图4.3所示，通过计算左右轮线速度和机器人旋转角度，可以得出机器人的移动速度和转向角。 另一方面，运动学逆向解是控制问题的体现，它关注的是如何根据期望的线速度和角速度来控制车轮电机的速度。在这种情况下，实际的控制输入是每个轮子的电机速度，通过运动学反解，可以找到将这些控制输入转化为机器人实际运动的对应关系，如图4.2所示。 具体到两轮差动模型，其正解公式涉及轮距、旋转半径、轮速和机器人位姿变化。反解则是将已知的线速度和角速度转换回轮子电机的速度控制参数。而在三轮全向运动模型中，如图4.5所示，机器人利用三个相隔120度的轮子，实现了全向移动，其运动学分析更为复杂，包括了沿轮面切线和轴线两种运动的综合效应。 总结来说，运动学分析是机器人工程中的关键环节，它不仅帮助设计者理解和控制机器人的运动，还在机器人控制系统的设计和优化中起到桥梁作用。通过掌握不同类型的机器人运动学模型，如两轮差动和三轮全向，工程师能够更有效地设计和控制移动机器人在各种环境下的运动性能。