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4.1.1 Why Dyniamics?


\[F = M \ddot{x}\]

이 식은 다음과 같이 해석할 수 있다.

(1) 어떤 힘 $F$가 주어질 때 물체는 어떻게 움직이는가?

(2) 물체의 가속도가 $\ddot{x}$가 되려면 얼만큼의 힘이 필요한가?


우리의 목적은 manipulator에 대한 dynamics. 즉 위 식으로부터 다음을 이끌어내는 것이다.

\[\boldsymbol{\tau} = \textbf{M}(\textbf{q})\ddot{\textbf{q}} + \textbf{V}(\textbf{q}, \dot{\textbf{q}}) + \textbf{G}(\textbf{q})\]



4.1.2 Two Approaches


Dynamics를 진행하는데 두 가지 approach가 존재한다.

Energy에 기반해서 접근하는 Lagrangian formulation과 force/torque balance에 기반해서 접근하는 Newton-Euler formulation.


Newton-Euler Formulation


질량이 $M$인 물체에 힘 $F$를 가한 경우를 생각해 보자. 이 Single DOF system을 나타내는 Newton-Euler formulation은

\[F = M \ddot{x}\]

였다.


Lagrangian Formulation


시스템의 Lagrangian $L$은 kinetic energy와 potential energy의 차로 정의된다.

\[L=K-U\]

Manipulator의 경우 $L = \frac{1}{2}M \dot{x}^2$이다. Lagrangian approach에서의 운동 방정식은

\[\frac{d}{dt}(\frac{\partial L}{\partial \dot{\textbf{q}}})-(\frac{\partial L}{\partial \textbf{q}}) = \boldsymbol{\tau}\]

이다. 여기에 $L$을 대입하면 다음을 얻는다.

\[\frac{d}{dt}(M \dot{x}) = F\]

이는 Newton-Euler approach에서의 $F = M \ddot{x}$와 같다.



4.1.3 Joint Space Dynamics

10p

\[\boldsymbol{\tau} = \textbf{M}(\textbf{q})\ddot{\textbf{q}} + \textbf{V}(\textbf{q}, \dot{\textbf{q}}) + \textbf{G}(\textbf{q}) + \textbf{J}^T(\textbf{q})\textbf{f}_e\]

$\textbf{q}$ : Generalized joint coordinates

$\textbf{M}(\textbf{q})$ : Mass matrix - kinetic energy

$\textbf{V}(\textbf{q}, \dot{\textbf{q}})$ : Centrifugal and Coriolis force

$\textbf{G}(\textbf{q})$ : Gravity forces

$\boldsymbol{\tau}$ : Generalized forces(torque, typically)



4.1.4 Rigid Body


Newtion Equation


11p

Linear momentum의 변화율은 applied force와 같다.

\[\boldsymbol{\phi} = m \textbf{v}\] \[\frac{d}{dt}(m \textbf{v}) = \textbf{F} \\ \textbf{F} = m \textbf{a}\]


Euler Equation


12p

Angular momentum의 변화율은 applied moment와 같다.

\[\phi = \textbf{p} \times m \textbf{v}\] \[\frac{d}{dt}(\textbf{p} \times m \textbf{v}) = \textbf{p} \times m \textbf{a} + \textbf{v} \times m \textbf{v} = \textbf{p} \times m \textbf{a}\\ \textbf{N} = \frac{d}{dt}(\textbf{p} \times m \textbf{v})\]


Rotational Motion

13p

Rigid body의 angular momentum은 $\sum \textbf{p}_i \times m_i \textbf{v}_i$이므로, 각속도를 사용해 표현하면

\[\phi = \sum m_i \textbf{p}_i \times (\boldsymbol{\omega} \times \textbf{p}_i)\]

적분 표현.

\[\phi = \int_V \textbf{p} \times (\boldsymbol{\omega} \times \textbf{p}) \rho dV\]

Cross product를 skew-symmetric matrix로 바꾸면

\[\textbf{p} \times (\boldsymbol{\omega} \times \textbf{p}) = \textbf{S}(\textbf{p})(-\textbf{S}(\textbf{p}))\textbf{omega} = -\textbf{S}(\textbf{p})\textbf{S}(\textbf{p})\boldsymbol{\omega}\]

따라서, 전체 angular momentum은

\[\phi = \left[ \int_V -\textbf{S}(\textbf{p})\textbf{S}(\textbf{p}) \rho dV \right] \boldsymbol{\omega} = \textbf{I}\boldsymbol{\omega}\]

여기서 $\textbf{I}$가 바로 inertia tensor.

이제 Euler equation은

\[\begin{align*} \textbf{N} &= \dot{\phi} = \frac{d}{dt}(\textbf{I}\boldsymbol{\omega}) \\ &= \textbf{I}\dot{\boldsymbol{\omega}} + \boldsymbol{\omega} \times \textbf{I}\boldsymbol{\omega} \end{align*}\]


이로써 rigid body dynamics를 위한 Newton-Euler Equation 두 개가 완성.