移动机器人运动机构.pptx

第二章 移动机器人运动机构（locomotion）移动机器人需要运动机构，它能够使机器人在环境中无约束的运动。但是运动有众多不同的可能途径，因此机器人运动方法的选择是移动机器人设计的一个重要方面。而运动方法即运动机构的大部分一直受到生物学上对应物的启示，如图2.1所示。例外：有源动力轮由人类发明，即双足行走系统。如图2.2所示：图2.1生物系统中用到的运动装置图2.2 两足的行走系统该系统近似于一个滚动的多边形，多边形的边长为d，等于步伐的跨距。随着步距的减小，多边形接近于半径为L的圆或轮子。第一节 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。优点：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分类：单腿机器人 双腿机器人（双足）四腿机器人（四足）六腿机器人（六足）等l在研究腿式机器人的特征时，我们主要考虑以下几个方面：腿的数目（和地面接触点的数目）腿的自由度静态和动态稳定性 一、腿的数目 三个点确定一个平面，机器人或动物只需要和地面有三个独立的接触点，就能够保持静态平衡。但是，机器人需要抬腿走路，所以 3个点的平衡是不够的，为了能够在行走中能够实现静平衡，需要至少 4 条腿，而 6条腿的动物能在任何时刻都有 3 个稳定的支点。在四腿机器人步行期间，需要主动偏移重心，从而控制姿态，实现移动。二、腿的自由度图2.3 2个自由度的腿图2.4 3个自由度的腿三 稳定性l静平衡、动平衡。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。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续的稳定状态，我们将这种稳定状态为动平衡状态。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 2.5 两轮自平衡小车，轮子向前滚动，地面的摩擦力 f、支持力 N、重力 G、惯性力 F 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在不断的加速，让 F惯性力保持不变。图2.5 两轮自平衡小车受力示意图四 步态规划l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。针对四腿机器人，进行周期步态规划步态占空比：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值，称为步态占空比。静平衡步态：如果0.75步态占空比1 时，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，如金龟子等甲虫动平衡步态：如果步态占空比0.75，机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l四足机器人静平衡步态规划 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，需要在任何时候都有 3 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。2 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图10 静止状态图11 重心前移后状态图12 右前进步态图13 恢复前移重心状态图14 左前进步态图15 恢复重心前移后状态前进步态的改进：图16 调整步态图17 左前进步态设计转向步态图 18 重心前移后状态图19 转向步态图20 转向过程图21 转向完成第二节 轮式机器人l轮子的设计标准轮：旋转中心经过接触片着地，无副作用。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。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。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。图22 （a）标准轮（b）小脚轮（c）瑞典轮（d）球形轮l常见的轮式地盘结构l电机与地盘的运动关系l几个现实生活中的例子ICR（instantaneous center of rotation）：瞬时转动中心零运动直线l轮子和底盘结构选取的原则 移动机器人的三个基本特征：稳定性 机动性 可控性