動力學

科里奧利與離心項

在一台多關節機器人裡,科里奧利與離心項,是純粹因為機器人已經在運動才冒出來的那些額外的力——一旦它靜止下來,這些力就立刻消失。它們是動力學中並非由重力、也並非由加速度驅動,而是由速度驅動的那一部分:取決於此刻各關節正轉得多快。設想一把旋轉的辦公椅。當你一邊轉一邊把腿伸出去,會感到一股力把腿向外甩開;那股向外甩的勁,就是離心效應。而如果你在仍旋轉著時把手臂收進或伸出,會感到一股先前沒有的橫向輕推;那股橫向的推,就是科里奧利效應。

這些力之所以重要,是因為機器人的關節是相互聯動的,於是一個關節的運動會悄悄在其它關節處攪起力來。離心項隨某關節自身速度的平方增長——轉速翻一倍,向外甩的勁大約翻四倍。科里奧利項則在兩個關節同時運動時出現,把它們的速度耦合成手臂別處所感受到的一份力。這兩者都不來自任何馬達的有意推動;它們都只是對「一個運動著的、帶關節的物體如何自我推搡」這一現象的記帳。工程師常把它們匯成一個整體,寫作 C(q,q̇),其中的 q̇ 是在提醒:這些力取決於各關節運動得多快。

忽略這些項,一台緩慢運動的機器人差不多還會如你所料地表現——可一旦命令它快速運動,那些未被建模的速度之力就會把它帶偏,造成衝過頭、漂移或振動。正因如此,高速、高精度的控制必須顯式地計算並抵消科里奧利與離心項,好讓手臂即便是在空中甩動、而非緩緩爬行時,也能咬住自己的目標。

一條快速旋轉的機械臂伸出它外側的連桿,會感到那連桿自顧自地被向外拉扯——沒有任何馬達下令產生這股拉力。一個未能預先料到這股離心甩勁的控制器,會任由連桿漂過它的目標,然後再以一記看得見的猛抽去糾正。

在高速下,機器人自身的運動會生出力來;好的控制器會預測並抵消它們,讓手臂始終咬住目標。

離心項源自單個關節自身的速度;科里奧利項源自兩個關節同時運動。二者都取決於速度,所以只要機器人靜止不動,它們就都會消失。

又稱
velocity-coupling termsC(q,q̇) term速度耦合项离心力项