机器人行走结构

机器人行走结构的类型及特点

一、移动机器人行走机构概述

机器人行走机构按照其运动轨迹可分为固定式轨迹和无固定式轨迹两种。固定式轨迹主要用于工业机器人，它是对人类手臂动作和功能的模拟和扩展；无固定轨迹就是指具有移动功能的移动机器人，它是对人类行走功能的模拟和扩展。

移动机器人的行走结构形式主要有：车轮式移动结构；履带式移动结构；步行式移动结构。此外，还有步进式移动结构、蠕动式移动结构、混合式移动结构和蛇行式移动结构等，适合于各种特别的场合。

从移动机器人所处环境看，可以分为结构环境和非结构环境两类。

结构环境：移动环境是在轨道上（一维）和铺好的道路（二维）。在这种场合，就能利用车轮移动结构。

非结构环境：陆上二维、三维环境；海上、海中环境；空中宇宙环境等原有的自然环境。陆上建筑物的阶梯、电梯、间隙沟等。在这样的非结构环境领域，可参考自然界动物的移动机构，也可以利用人们开发履带，驱动器。例如：2足、4足、6足及多足等步行结构。

行走结构的设计对于移动机器人的工作效率有着至关重要的作用，选择适当、精巧的行走结构往往可以大大提高机器人的动作效率。这就需要我们熟悉和了解不同机器人行走结构的类型及特点。

二、三种常见的行走结构

1)车轮式移动结构

两车轮：像自行车只有两个车轮的结构。两车轮的速度、倾斜等物理量精度不高，因此进行机器人化，所需便宜、简单、可靠性高的传感器难以获得。此外，两轮车制动时以及低速运行时也极不稳定。

三轮车：三轮移动结构是车轮式机器人的基本移动结构，其结构是后轮用两轮独立驱动，前轮用小脚轮构成组合。这种结构的特点是结构组成简单，而且旋转半径可以从0到无限大，任意设定。但是他的旋转中心是在连接两驱动轴的连线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。

四轮车：四轮车的驱动结构和

运动基本上和三轮车相同。和

汽车一样，适合于高速行走，

稳定性也好。

一般情况下，车轮式行走结构

最适合平地行走，不能跨越高

度，不能爬楼梯。但现今也出

现特殊的轮式结构。

全方位移动车：在平面上移动的物

体可以实现前后、左右和自转3 个

自由度的运动.但如汽车等,可以前进、拐弯而不能横向移动就不是. 若具有完全的3 个自由

度,则称为全方位移动机器人,它非常适合工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合中.国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的

上下台阶车轮式结构：将普通的车轮进行适当的改装后，能够实现在阶梯上移动

。

不平地移动的多车节车轮式机构：

2)履带式移动结构

履带式结构称为无限轨道方式，其最大特点是将园环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。利用履带可以缓冲路面状态，因此可以在各种路面条件下行走。与车轮式移动结构相比，有如下特点：

a)支承面积大，接地比压小。适合松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，

通过性能好；

b)越野机动性能好，爬坡、越沟等性能均优于车轮式移动结构

c)履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引性能好，有利于发挥较大的牵引力

d)结构复杂，重量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损害

这里介绍一种较特殊的履带结构

形状可变履带结构：它是指履带的构形可以根据需要进行变化的结构。这种结构一

般由两条形状可变的履带组成，分别由两个主电机驱动。当两个履带速度相同时，

实现前进或后退移动，当速度不同时，整个机器实现转向移动。

3)步行式移动机构

步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路

面的要求很低，不仅能在平地上，而且能在凹凸不平的地上步行，能跨越沟

壑，上下台阶，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工

作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人，具有广泛的适应性。主

要设计难点是机器人跨步时自动转移重心而保持平衡的问题。控制特点：使

机器人的重心经常在接地的脚掌上，一边不断取得准静态平衡，一边稳定的

步行。结构特点：为了能变换方向和上下台阶，一定要具备多自由度。

的，具有很高的实用性。四足机器人步行时，一只脚抬起，三只脚支撑自重，这时有必要移动身体，让重心落在三只脚接地点组成的三角形内。

三、其他行走结构

爬壁机器人：近年来，由于工业生产对特殊功能机器人的

需求越来越大，爬壁机器人的研究备受关注。

有的可以吸附在各种大型构造物如油罐、球形煤气罐、船

舶等的壁面，代替人进行检查或修理等作业。这种爬壁机

器人靠磁性车轮对壁面产生吸附力，其主要特征是：行走

稳定速度快，最大速度可达9m/min，适用各种形状的壁

面，且不损坏壁面的油漆。

我国的哈尔滨工业大学已经成功研制出单吸盘真空

吸附车轮行走式爬壁机器人和永磁铁吸附履带爬壁机器

人。其中磁吸附履带式爬壁机器人采用的是双履带永磁吸

附结构，在履带一周上安装有数十个永磁吸附块，其中的

一部分紧紧地吸附在壁面上，并形成一定的吸附力，通过履带（由链条和永磁块组成）使机器人贴附在壁面上。机器人在壁面上的移动靠履带来完成，移动时，履带的旋转使最后的吸附块在脱离壁面的同时又使上面的一个吸附块吸附于壁面，这样周而复始，就实现了机器人在壁面上的爬行。

管道内外移动：如图，可以看出移动主要是靠

两个轮子，但每个车轮两边还有一对撑架，用来帮助

车轮在管道外移动时站立而不倒，并可以增加车轮与

管道壁之间的摩擦，从而获得较大的移动力。这种结

构可用于检修核管道和煤气主干道等一些容易引发

危害的大型管道。