空間數學與剛體運動

位置向量

位置向量就是描述一個點相對某個座標系原點在哪兒的三個數字——通常寫成 (x, y, z)。可以把它讀成一份「從原點到那裡」的路線說明:沿第一根軸走 x,再沿第二根軸走 y,然後沿第三根軸走 z,你就到了。位置向量不過就是這麼一回事:用數字寫出的、從約定起始角到你關心那個點的一步步走法。

之所以叫它「向量」而不只是「三個數字」,是在提醒你:它既有方向也有長度,而且它總是依附在某個特定座標系上。在相機座標系裡是 (0.3, 0.0, 0.5) 公尺的那個點,在世界座標系裡可能是 (1.2, 0.4, 0.5) 公尺——同一個物理點,數字卻不同,因為方向是從不同的原點算起的。所以一個不帶座標系的位置向量,就像一個沒有街名的門牌號:你根本找不到那扇門。

位置向量是機器人伸手去夠的原始素材。機械臂控制器收到的,是夾爪要去的目標位置向量;感知系統對它看到的每個物體輸出一個位置向量;導航模組則在地圖上追蹤機器人自己的位置向量。要緊的是,位置向量只刻畫一個點在哪裡,並不說明它朝著哪個方向——故事的旋轉那一半叫作姿態,兩者合在一起才構成完整的位姿。

一套視覺系統報告:在桌面座標系下,一顆螺栓的位置向量是 (0.45, -0.10, 0.02) 公尺:沿桌長方向外伸 45 公分,向近側偏 10 公分,離檯面高出 2 公分——這已足夠讓機械臂確切知道該往哪兒伸。

三個數字,一個座標系:螺栓究竟在哪兒。

這三個數字通常是以公尺為單位的距離,但同樣的思路適用於任何單位;在二維問題裡,你只要去掉第三個數字即可。

又稱
positionlocation vector位置矢量位移向量