background image

WHEEL MOBILE ROBOTS 

LECTURE– 02 - KINEMATICS 

dr inż. Tomasz Buratowski 

 

 

 

 

 

 

Faculty of Mechanics and Robotics 

Department of Robotics and Mechatronics 

background image

• Kinematics of arbitrarily selected point belonging to a 

particular section of the system can be analyzed with the use of so-
called kinematic equations 

• Each movable part must be connected with  
 

Mobile robots - kinematics 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Robot consists of: 

chassis (4) 

drive system (1&2) 

idler wheel (3) 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Proper coordinate system was connected with particular parts 
of the model: 
• chassis (4) and x

4

y

4

z

4

 coordinate system (CS) with the 

origin in the mass center of the part 

• x

1

y

1

z

1

 and x

2

y

2

z

2

 CSs are connected with driving systems 

with origins in points B and 

• x

0

y

0

z

0

 CS is stationary coordinate system and is base 

frame of reference 
 

Kinematic description of the model is based on equations 
for characteristic points of the robot and assumes that it 
travels with constant velocity of the point A V

 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Kinematic equation for point H has form of: 
 

H

H

H

T

r

,

0

,

4

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Transformation matrix of the frame of 

reference x

4

y

4

z

4

 to x

0

y

0

z

0

 for point H has 

form of: 
 

1

0

0

0

1

0

0

)

sin(

0

)

cos(

)

sin(

)

cos(

0

)

sin(

)

cos(

1

3

3

,

0

,

4

r

l

y

l

x

T

A

A

H

1

0

0

4

l

H

Positioning vector of the point H with 

reference to the x

4

y

4

z

4

 has form of: 

 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

After evaluation of the formula  
we obtained equation of motion of the point 

H written in two equivalent forms: 

H

H

H

T

r

,

0

,

4

1

)

sin(

)

cos(

4

1

3

3

l

r

l

y

l

x

r

A

A

H

1

)

sin(

)

cos(

1

4

1

3

3

l

r

l

y

l

x

z

y

x

A

A

H

H

H

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

In the next step the equation for the circular 

path are presented: 

4

1

))

cos(

1

(

)

sin(

l

r

z

R

y

R

x

H

H

H

After comparison of the equation of motion 

with path formulae we get: 

)

sin(

)

cos(

1

(

)

cos(

)

sin(

3

3

l

y

R

l

x

R

A

A

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Differentiating with respect to time equations 

for point H  

)

sin(

)

cos(

1

(

&

)

cos(

)

sin(

3

3

l

y

R

l

x

R

A

A

we obtain equation for speed of the point H 

along x and y axis 

0

)

cos(

)

sin(

3

R

l

x

A

0

)

sin(

)

cos(

3

R

l

y

A

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Next characteristic point is point A for which 

constant speed was assumed and projection 

of speed vectors on to X and Y axis of the 

base reference frame was made. 

0

)

cos(

A

A

v

x

0

)

sin(

A

A

v

y

10 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

To fully describe parameters of motion of our 

structure we need angular velocities and 

rotation angles of the wheels (1&2).  
Those velocities are derived from equations 

for velocity of the tangent points between 

wheel and ground (assuming no slip) 

K

K

K

T

T

r

4

,

1

,

0

,

4

for wheel 1: 

11 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Transformation matrix of the frame of 

reference x

4

y

4

z

4

 to x

0

y

0

z

0

 for point K has 

form of: 
 

1

0

0

0

1

0

0

)

cos(

0

)

cos(

)

sin(

)

sin(

0

)

sin(

)

cos(

1

1

1

,

0

,

4

r

l

y

l

x

T

A

A

K

12 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Transformation matrix of the frame of 

reference x

1

y

1

z

1

 to x

4

y

4

z

4

 for point K has 

form of: 
 

1

0

0

0

0

0

)

sin(

)

cos(

0

1

0

0

0

0

)

cos(

)

sin(

1

1

1

1

4

,

1

T

13 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Positioning vector for the point K with 

respect to x

1

y

1

z

1

 reference frame has form 

of: 
 



1

0

)

sin(

)

cos(

1

1

1

1

r

r

K

After differentiating of equation of motion for 

the point K we get: 
 

K

K

K

T

T

v

4

,

1

,

0

,

4

14 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

After substitution of all part of the equation 

of motion for point K we get equations for 

velocities for point K 
 

0

0

)

sin(

)

sin(

)

cos(

)

cos(

0

1

1

1

1

1

1

l

r

y

l

r

x

z

y

x

A

A

K

K

K

15 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Having in mind the fact that V

K

 = 0 (no-slip 

condition) in scalar form we get: 
 

)

cos(

)

cos(

1

1

1

l

r

x

A

)

sin(

)

sin(

1

1

1

l

r

y

A

16 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

For the second wheel we proceed in similar 

manner.  
The equation for motion of the point L 

(tangent point between 2 wheel and the 

ground) was derived: 
 

L

L

L

T

T

r

4

,

2

,

0

,

4

17 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Transformation matrix of the frame of 

reference x

4

y

4

z

4

 to x

0

y

0

z

0

 for point L has 

form of: 
 

1

0

0

0

1

0

0

)

cos(

0

)

cos(

)

sin(

)

sin(

0

)

sin(

)

cos(

2

1

1

,

0

,

4

r

l

y

l

x

T

A

A

L

18 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Transformation matrix of the frame of 

reference x

2

y

2

z

2

 to x

4

y

4

z

4

 for point L has 

form of: 
 

1

0

0

0

0

0

)

sin(

)

cos(

0

1

0

0

0

0

)

cos(

)

sin(

2

2

2

2

4

,

2

T

19 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Positioning vector for the point L with respect 

to x

2

y

2

z

2

 reference frame has form of: 

 

After differentiating of equation of motion for 

the point L we get: 
 



1

0

)

sin(

)

cos(

2

2

2

2

r

r

L

L

L

L

T

T

v

4

,

2

,

0

,

4

20 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

After substitution of all part of the equation 

of motion for point L we get equations for 

velocities for point L 
 

0

0

)

sin(

)

sin(

)

cos(

)

cos(

0

1

2

2

1

2

2

l

r

y

l

r

x

z

y

x

A

A

L

L

L

21 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Having in mind the fact that V

L

 = 0 (no-slip 

condition) in scalar form we get: 
 

)

cos(

)

cos(

1

2

2

l

r

x

A

)

sin(

)

sin(

1

2

2

l

r

y

A

22 

background image

Kinematics modeling of the two-wheels 

mobile robot 

Summing up, we obtained system of 

equations describing motion of the two-

wheeled robot: 
 

0

3

3

2

2

2

5

r

v

l

A

calculation of: 
• displacement 
• velocity 
• acceleration 
• angle of rotation 
• angular velocities 
• solving simple and inverse 

kinematic problems 

calculation of: 
• kinematic parameters of 

idler wheel 

23 

0

)

cos(

)

cos(

0

)

cos(

)

cos(

0

)

sin(

0

)

cos(

0

)

sin(

)

cos(

0

)

cos(

)

sin(

1

2

2

1

1

1

3

3

l

r

x

l

r

x

v

y

v

x

R

l

y

R

l

x

A

A

A

A

A

A

A

A

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

Based on previosly derived equations of 

motion for our robot we conduct simulation 

of inverse kinematic problem for proposed 

path: 

24 

Start-up 
Straight line movement 
Arc movement 
Deceleration and stop 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

We assume working conditions and physical 

features of the robot: 
• Point A velocity v

A

=0.3 [m/s],  

• Start-up 2 [s], 
• Straight line movement 0.5 [s], 
• Acr movement 4.7 [s] with R=1.5 [m], 
• Angle of chassis rotation 0

-54

• Straight line movement 0.5 [s]
• Deceleration and stop 2 [s].  

25 

l

1

 [m] 

l

3

 [m] 

l

4

 [m] 

l

5

 [m] 

r

1

 [m] 

r

2

 [m] 

r

3

 [m] 

0.163 

0.07 

0.2 

0.07 

0.0825 

0.0825 

0.035 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

26 

Speed and trajectory generator model 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

27 

Output from speed and trajectory generator model 

v

A

 [m/s] 

Sygnał o trajektorii 

 

 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

28 

Model of inverse kinematic solver (as input there is trajectory from 
previously discused model) 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

29 

Output for the angle of rotation of the chassis and its angular velocity 

 [rad] 

 [rad/s

]

 

 

 

 

 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

30 

Output for the angle of rotation of wheels 1,2 and 3 

1

 [rad] 

2

 [rad] 

3

 [rad] 

 

 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

31 

Output for the angular speed of wheels 1,2 and 3 

1

 [rad/s] 

2

 [rad/s] 

3

 [rad/s] 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

Simulation of the simple kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

32 

Based on the results from inverse kinematic 
problem we can check correctness of our results 
by plotting the path as a result of simple kinematic 
problem. 

fig. Model solving simple kinematics problem 

background image

Simulation of the simple kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

33 

Fig. Output from simple kinematics solver - path 

As a result we obtain previosly defined path for inverse 
kinematics problem. That means our model is made in a 
proper way. 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software (straight line path) 

34 

Start-up 
Straight line movement 
Deceleration and stop 

Lets assume different path 

– straight line 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

35 

Output from speed and trajectory generator model 

v

A

 [m/s] 

trajectory signal 

 

 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

36 

Output for the angle of rotation of wheels 1,2 and 3 

1

 [rad] 

2

 [rad] 

3

 [rad] 

 

 

background image

Simulation of the inverse kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

37 

Output for the angular speed of wheels 1,2 and 3 

background image

Simulation of the simple kinematic 

problem with the use of Matlab Simulink 

software 

38 

Fig. Output from simple kinematics solver - path 

As a result we obtain previosly defined path for inverse 
kinematics problem. That means our model is made in a 
proper way. 

background image

THANK YOU