Кинематика изучает движение, не обращая внимания на силы. Она отвечает на вопрос, куда движется робот, а не на то, какой крутящий момент необходим для достижения этой точки. Прямая кинематика вычисляет положение концевого эффектора на основе углов сочленений. Обратная кинематика делает обратное: при заданном положении, какие углы сочленений необходимы?

Прямая кинематика довольно проста. Нужно перемножить матрицы преобразования от основания к кончику. Обратная кинематика сложнее. Может существовать несколько решений. Некоторые из них могут быть недоступны. Уравнения могут не иметь аналитического решения, что вынуждает использовать численные методы. Шестиосевой роботизированный манипулятор обычно имеет до восьми решений обратной кинематики для заданного положения.

Кинематические понятия

• Степени свободы: независимые движения.
• Рабочее пространство: объем, до которого может дотянуться робот.
• Сингулярность: конфигурация, при которой робот теряет одну степень свободы.
• Якобиан: связывает скорости в суставах со скоростями на концах эффекторов.
• Избыточность: больше суставов, чем необходимо для данной позы.

Кинематика — это первое, чему учится программист роботов. Она определяет, сможет ли робот достичь точки, с какой скоростью он сможет туда переместиться и не столкнется ли он с сингулярностью на своем пути. Сингулярности особенно проблематичны. В сингулярности якобиан теряет ранг, а для малых декартовых перемещений требуются огромные скорости в суставах. Контроллеры избегают их, планируя траектории, которые обходят сингулярность. Кинематика — это чистая геометрия. Она игнорирует массу, трение и гравитацию. Эта простота делает ее полезной в качестве первого шага перед тем, как в дело вступает динамика.