移动机器人运动机构
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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：
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。
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
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。
• 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
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。
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
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
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。
➢ 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
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。
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
➢ 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
பைடு நூலகம்
➢ 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。
（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：
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。
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
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。
• 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
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。
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
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
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。
➢ 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
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。
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
➢ 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
பைடு நூலகம்
➢ 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。