空间数学与刚体运动

运动旋量(空间速度)

运动旋量是一种紧凑的方式,把一个刚体在某一瞬间运动的全部情况,打包进一个由六个数字组成的整体里。其中三个数字描述刚体绕哪根轴、以多快的速度旋转(它的角速度),另外三个描述刚体上一个选定参考点沿一条直线滑动的快慢和方向(它的线速度)。把两者打包在一起是有道理的,因为真实物体通常是一边移动一边转动的——想想一个被掷出的橄榄球,一边向前飞,一边自旋。

为什么要把它们保留成一个对象,而不是两个分开的概念?因为当物体运动时,平移和旋转是深深交织在一起的。如果机器人的整条手臂都在转动,那么夹在远端附近的工具就不只是在自转,它同时还被横扫着掠过空间——它的直线速度取决于那个转动,也取决于它离轴有多远。运动旋量把这整幅相互耦合的图景一次性如实地刻画下来,于是线速度部分和角速度部分绝不会被错当作彼此独立的两件事。(这也正是线速度部分要绑定在某个特定参考点上的原因:同一个运动,在刚体上不同的点会给出不同的线速度。)

运动旋量是位姿在速度层面的对应物。位姿回答“此刻刚体被摆放在哪里、又是怎样摆放的?”;运动旋量回答“而这个摆放在此时此刻正如何变化?”。当工程师想让机器人的手沿一条平滑路径以受控的速度移动时,他们时时刻刻都要倚靠它,因为运动旋量是那个能一口气说清线运动和角运动该如何融合在一起的单一量。

一个在冰面上一边自转一边滑行的冰球有它的运动旋量:其中一部分说“正以每秒 4 米滑向球门”,另一部分说“同时还在以每秒两圈的速度旋转”。两半合在一起,才精确地告诉你这枚冰球此刻是怎样运动的。

运动旋量把角速度和线速度打包成一个六数字的瞬时快照。

运动旋量是六个数字:三个描述旋转(角速度),三个描述滑动(某个选定参考点的线速度),刻画的是某一瞬间的运动。

又称
twistspatial velocity空间速度空間速度