第二章-移动机器人运动机构.ppt

1、第二章 移动机器人运动机构（locomotion Organ）,移动机器人需要运动机构，运动机构的选择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

2、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 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，步行期间要主动偏移重心。 六腿（足）：行走期间的静态稳定性降低了控制复杂性,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 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

3、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

4、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。,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

5、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,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K条腿的移动机器人可能的事件数目N为 N（2K-1）！ 对于K2，可能的事件数目为 N（2K-1）！3！6 而对于6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,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

6、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,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,几个现实生活中的例子,ICR（instantane