Кинематика в робототехнике — это раздел, описывающий связь между положением суставов робота и положением его рабочего органа (инструмента, захвата) в пространстве. Она отвечает на вопрос, где окажется «кисть» манипулятора, если повернуть его сочленения на определённые углы, и наоборот. Кинематика рассматривает только геометрию движения — координаты, углы, траектории, — не касаясь сил и масс (этим занимается динамика).

Различают две основные задачи, которые робот решает постоянно:

  • Прямая задача кинематики — по известным углам всех суставов вычислить, где именно находится рабочий орган и как он ориентирован. Решение всегда однозначно: заданному набору углов соответствует ровно одно положение инструмента.
  • Обратная задача кинематики — гораздо более важная на практике: по нужному положению рабочего органа рассчитать, под какими углами должны встать суставы. Именно её решает контроллер, когда роботу говорят «поднеси инструмент вот в эту точку».

Обратная задача сложнее прямой, потому что часто имеет не одно, а несколько решений: одной и той же точки в пространстве манипулятор может достичь разными «позами» (например, «локтем вверх» или «локтем вниз»). Контроллер выбирает подходящий вариант с учётом ограничений — пределов поворота суставов, препятствий, кратчайшего пути. У избыточных роботов (с большим числом степеней свободы, чем нужно для задачи) вариантов бесконечно много, что даёт гибкость, но усложняет расчёт.

Кинематика лежит в основе любого точного движения робота. На её базе строятся планирование траектории, согласованное движение нескольких осей и перевод команд «человеческого» вида (переместить в такую-то точку) в конкретные углы приводов. Для описания кинематической схемы инженеры используют формализованные методы (например, параметры Денавита — Хартенберга), а расчёты обычно выполняются в реальном времени на контроллере робота.

Источники:

  1. Кинематика: прямая и обратная задачи // RoboCraft. URL:https://robocraft.ru/mechanics/756
  2. Решение обратной задачи кинематики для манипуляционного робота методом штрафных функций // Фундаментальные исследования. URL:https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39485