移动机器人运动机构.ppt

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,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2.32个自由度的腿,图2.43个自由度的腿,三稳定性静平衡、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。,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。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。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,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,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,常见的轮式地盘结构,电机与地盘的运动关系