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第二章第二章 移动机器人运动机构移动机器人运动机构（locomotion Organ） 移动机器人需要运动机构，运动机构的选移动机器人需要运动机构，运动机构的选择一直受到生物学上对应物的启示，如图择一直受到生物学上对应物的启示，如图2.1所所示。例外：有源动力轮由人类发明，即双足行示。例外：有源动力轮由人类发明，即双足行走系统。如图走系统。如图2.2所示：所示：图2.1生物系统中用到的运动装置图图2.2 两足的行走系统两足的行走系统 该系统近似于一该系统近似于一个滚动的多边形，个滚动的多边形，多边形的边长多边形的边长为为d，等于步伐的，等于步伐的跨距。随着步距跨距。随着步距的减小，多边形的减小，多边形接近于半径为接近于半径为L的的圆或轮子。圆或轮子。第一节第一节 腿式移动机器人腿式移动机器人l 腿式机器人（足式机器人）顾名思义就是使用腿腿式机器人（足式机器人）顾名思义就是使用腿系统作为主要行进方式的机器人。腿式运动以一系统作为主要行进方式的机器人。腿式运动以一系列机器人和地面之间的点接触为特征。系列机器人和地面之间的点接触为特征。优点优点：在粗糙地形上的自适应性和机动性在粗糙地形上的自适应性和机动性缺点：动力、控制和结构的复杂性缺点：动力、控制和结构的复杂性分类：单腿机器人分类：单腿机器人 双腿机器人（双足）四腿机器双腿机器人（双足）四腿机器人（四足）人（四足） 六腿机器人（六足）等六腿机器人（六足）等l 在研究腿式机器人的特征时，我们主要考虑以下在研究腿式机器人的特征时，我们主要考虑以下几个方面：几个方面：腿的数目（和地面接触点的数目）腿的数目（和地面接触点的数目）腿的自由度腿的自由度静态和动态稳定性静态和动态稳定性 一一 、腿的数目、腿的数目 单、双腿（足）：机动性强（粗糙地形、单、双腿（足）：机动性强（粗糙地形、跨越沟隙）；难于保持平衡强的机动跨越沟隙）；难于保持平衡强的机动性是以复杂的主动控制为代价的性是以复杂的主动控制为代价的 四腿（足）：站立不动可静态稳定，步行四腿（足）：站立不动可静态稳定，步行期间要主动偏移重心。期间要主动偏移重心。 六腿（足）：行走期间的静态稳定性降低六腿（足）：行走期间的静态稳定性降低了控制复杂性了控制复杂性 二二 、腿的自由度、腿的自由度图图2.3 2个自由度的腿个自由度的腿图图2.4 3个自由度的腿个自由度的腿三三 稳定性稳定性l静平衡、动平衡。静平衡、动平衡。静平衡：在机器人研究中，我们将不需要静平衡：在机器人研究中，我们将不需要依靠运动过程中产生的惯性力而实现的平依靠运动过程中产生的惯性力而实现的平衡叫做静平衡。比如两轮自平衡机器人就衡叫做静平衡。比如两轮自平衡机器人就没办法实现静平衡。没办法实现静平衡。动平衡：机器人运动过程中，如果重力、动平衡：机器人运动过程中，如果重力、惯性力、离心力等让机器人处于一个可持惯性力、离心力等让机器人处于一个可持续的稳定状态，我们将这种稳定状态为动续的稳定状态，我们将这种稳定状态为动平衡状态。平衡状态。u特别提示：腿越多的机器人，它的稳定性越好， 当腿的数量超过6条之后，机器人在稳定性上就有天然的优势。 如图如图 2.5 两轮自平衡小车，轮子向前滚两轮自平衡小车，轮子向前滚动，地面的摩擦力动，地面的摩擦力 f、支持力、支持力 N、重力、重力 G、惯性力惯性力 F 的合力让机器人保持向前倾斜一的合力让机器人保持向前倾斜一个小角度的状态。当然这个过程轮子必须个小角度的状态。当然这个过程轮子必须在不断的加速，让在不断的加速，让 F惯性力保持不变。惯性力保持不变。图图2.5 两轮自平衡小车受力示意图两轮自平衡小车受力示意图四四 步态规划步态规划l 支持状态：腿处于支持状态时，腿的末端与地面支持状态：腿处于支持状态时，腿的末端与地面接触，支持机器人的部分重量，并且能够通过蹬接触，支持机器人的部分重量，并且能够通过蹬腿使机器人的重心移动。腿使机器人的重心移动。l 转移状态：处于转移状态时，腿悬空，不和地面转移状态：处于转移状态时，腿悬空，不和地面接触，向前或向后摆动，为下一次迈步做准备。接触，向前或向后摆动，为下一次迈步做准备。l 步态：腿式机器人各条腿的支持状态与转移状态步态：腿式机器人各条腿的支持状态与转移状态随着时间变化的顺序集合。随着时间变化的顺序集合。周期步态：对于匀速前进的机器人，步态呈周期周期步态：对于匀速前进的机器人，步态呈周期性变化，我们将这种步态称之为周期步态。性变化，我们将这种步态称之为周期步态。实时步态：机器人能够根据传感器获取地面状况实时步态：机器人能够根据传感器获取地面状况和自身的姿态，进而产生实时的步态。我们将这和自身的姿态，进而产生实时的步态。我们将这种步态称为随机步态或实时步态。种步态称为随机步态或实时步态。步态占空比：周期步态中，四腿机器人所步态占空比：周期步态中，四腿机器人所有腿支持状态的时间之和与整个周期的比有腿支持状态的时间之和与整个周期的比值，称为步态占空比。值，称为步态占空比。 静平衡步态：如果静平衡步态：如果0.75步态占空比步态占空比1 时，时，机器人处于静平衡状态，我们将这种步态机器人处于静平衡状态，我们将这种步态称为静平衡步态。四足以上的节肢动物，称为静平衡步态。四足以上的节肢动物，如金龟子等甲虫如金龟子等甲虫 动平衡步态：如果步态占空比动平衡步态：如果步态占空比0.75，机，机器人处于非静平衡状态，需要借助运动时器人处于非静平衡状态，需要借助运动时的惯性力、严格的时序，才能让机器人保的惯性力、严格的时序，才能让机器人保持平衡，我们将这种步态称为动平衡步态。持平衡，我们将这种步态称为动平衡步态。 四足动物，如乌龟、小猫小狗等四足动物，如乌龟、小猫小狗等多腿机器人腿的协调或步态控制问题多腿机器人腿的协调或步态控制问题 对于单条腿而言，步态是抬起和落下事件对于单条腿而言，步态是抬起和落下事件的序列；对于多腿的移动机器人，可能的的序列；对于多腿的移动机器人，可能的步态数目依赖于腿的数目，如，具有步态数目依赖于腿的数目，如，具有K条腿条腿的移动机器人可能的事件数目的移动机器人可能的事件数目N为为 N（2K-1）！）！对于对于K2，可能的事件数目为，可能的事件数目为 N（2K-1）！）！3！6而对于而对于6腿机器人理论上的步态为：腿机器人理论上的步态为： N11！39916800双足机器人的步态控制问题双足机器人的步态控制问题l四足机器人静平衡步态规划四足机器人静平衡步态规划 需要遵从的两个原则：需要遵从的两个原则：1 如果机器人要在运动过程中保持静态平衡，需要如果机器人要在运动过程中保持静态平衡，需要在任何时候都有在任何时候都有 3 条腿支撑地面，并且重心位于条腿支撑地面，并且重心位于这三条腿与地面接触点构成的三角形内部。这三条腿与地面接触点构成的三角形内部。2 机器人需要通过腿部运动机器人需要通过腿部运动，主动移动重心，才能实现机器人的整体运动。设计前进和后退步态设计前进和后退步态图图10 静止状态静止状态图图11 重心前移后状态重心前移后状态图图12 右前进步态右前进步态图图13 恢复前移重心状态恢复前移重心状态图图14 左前进步态左前进步态图图15 恢复重心前移后状态恢复重心前移后状态设计转向步态设计转向步态图图 18 重心前移后状态重心前移后状态图图19 转向步态转向步态图图20 转向过程转向过程图图21 转向完成转向完成第二节第二节 轮式机器人轮式机器人l轮子的设计轮子的设计标准轮：旋转中心经过接触片着地，无副标准轮：旋转中心经过接触片着地，无副作用。作用。小脚轮：绕偏心轴旋转，在操纵期间会引小脚轮：绕偏心轴旋转，在操纵期间会引起一个力，加到机器人地盘。起一个力，加到机器人地盘。瑞典轮：功能基本与标准轮相同，但它在瑞典轮：功能基本与标准轮相同，但它在另一个方向产生较低的阻力。另一个方向产生较低的阻力。球形轮：真正的全向轮，可沿任何方向受球形轮：真正的全向轮，可沿任何方向受动力而旋转，但技术实现较困难。动力而旋转，但技术实现较困难。图图22 （a）标准轮）标准轮 （b）小脚轮（）小脚轮（c）瑞典轮（）瑞典轮（d）球形轮）球形轮l常见的轮式地盘结构常见的轮式地盘结构l电机与地盘的运动关系电机与地盘的运动关系l几个现实生活中的例子几个现实生活中的例子ICR（instantaneous center of rotation）：）：瞬时转动中心瞬时转动中心零运动直线零运动直线l轮子和底盘结构选取的原则轮子和底盘结构选取的原则 移动机器人的三个基本特征：移动机器人的三个基本特征：稳定性（静态平衡和动态平衡）稳定性（静态平衡和动态平衡） 机动性机动性 （活动性程度和可操纵度）（活动性程度和可操纵度）可控性可控性