動力学は、力とその運動への影響を研究する分野です。ロボット工学においては、「各関節が所望の加速度を生み出すには、どれだけのトルクが必要か？」という問いに答えるものです。運動学はロボットがどこへ向かうかを記述し、動力学はそこへ到達するために必要なことを記述します。

ロボットの運動方程式は複雑です。慣性、コリオリ力、遠心力、重力、摩擦など、様々な要素が関係します。高速で動くロボットアームは、低速で動くアームとは異なる力を受けます。ヒューマノイドロボットは、各肢の運動量を考慮する必要があります。これらの方程式をリアルタイムで解くことは、計算上の大きな課題です。

ダイナミクスが重要な理由

• 正確なトルク制御には、動力学モデルが必要である。
• 高速な動作にはフィードフォワード補償が必要です。
• 軽量ロボットは慣性力を低減する。
• 重力補正機能により、腕が重さを感じない。
• シミュレーションは、現実性を実現するために動的モデルに依存する。

モデルベース制御では、動的方程式を用いて、目的の動作に必要なトルクを計算します。フィードフォワード項がほとんどの処理を担います。フィードバックは、モデリングの誤差や外乱を補正します。ダイナミクスを考慮しなくても、ロボットは位置制御によってゆっくりと移動することはできます。しかし、高速で動かそうとすると、遅れたり、振動したり、オーバーシュートしたりします。ダイナミクスは運動の物理法則であり、それを無視するとロボットの能力が制限されます。優れたロボット設計者は、後付けではなく、最初のスケッチ段階からダイナミクスを考慮します。