地面移动机器人

2.2 本体结构
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2.3 越障原理
3. 步行机器人
3.1 步行机器人概念及其特点
步行机器人可以认为是： “一种由计算机控制的用足机构推进的表面移动机械电 子装置。”
步行机器人相对于传统的轮式、履带式移动机器人具有独特 的性能： 1、足运动方式具有较好的机动性，即具有较好的对不 平地面的适应能力。 2、足运动系统可以主动隔振，即允许机身运动运动轨 迹与足运动轨迹解耦。 3、足运动系统在不平地面和松软地面上的运动速度较 高，而能耗较少。
式中：
mi 连杆i的质量，i 1,2,3 Ii 连杆i绕质心的转动惯量
l 连杆i的长度 http://www.xcqx.com.cn/a/mgkhdxz/ a 连杆i质心到连杆下端铰链的 距离 b 连杆i质心到连杆上端铰链的距离 连杆i相对于基础坐标系的绝对转角 M 作用在连杆上的驱动力矩

(m gb m gl m gl ) sin M (M M ) m1l3a1 cos(3 1 ) 1 3 3 2 3 1 3 3 3 2 1
(I m a2 m l 2 ) m3l3a2 cos(3 2 ) m1l3a2 cos(3 2 ) 3 2 2 2 1 2 2
全方位移动机构能够在保持机体方位不变的前提下沿平面上任意方向移动， 有些全方位车轮机构除具备全方位移动能力外，还可以像普通车辆那样改变机 体方位。这种机构操控性能灵活，特别适合小空间作业。
图3.
麦卡纳姆轮的新型车轮
2. 履带式移动机器人
2.1 履带式移动机器人特点
• 支撑面大，接地比压小，适用于松软或泥泞场 地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较 好； • 越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式 移动机构； • 履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性 能好，有利于发挥较大的牵引力； • 结构复杂重量大，减震性能差，零件易损坏。
图2.
球轮、充气球轮和锥形轮
1.2
车轮的配置和转向机构
车轮式移动机构依据车轮的多少分为1轮、2轮、3轮、4轮以及多轮 机构。1轮、2轮移动机构在实现上的主要障碍是稳定性问题，目前已经 有人致力于单轮直立控制研究和双轮稳定行驶试验等工作，如图新加坡 南洋理工大学研制的Segbot双轮机器人：
3轮移动机构具有一定的稳定性，要解决的主要问题是移动方向和 速度控制，代表性的车轮配置方式是一个前轮、两个后轮。
1. 轮式移动机器人
1.1 车轮形式
传统的车轮形式如下图，这种车轮适合于平坦的坚硬路面。 http://www.xcqx.com.cn/a/mgylpt/
图1.传统的车轮形式
下图是球轮、充气球轮和锥形轮，充气车轮较实心轮而言弹性好，能吸收因 路面不平而引起的冲击和震动，而且充气球轮与地面的接触面积较大，特别适合 于沙丘地形。
3.2
两足步行机器人的动力学模型
两足步行机器人系统是相当复杂的多变量时变非线性系 统。其复杂程度与两足机器人的自由度多少有关。我们以 加藤等人利用拉格朗日方程建立的两足步行机器人WL-3 型为动力学模型，并作如下简化： 1、腿只在前进平面内运动； 2、腿有刚性杆件构成，杆件之间用关节连接，关节轴 与运动平面正交，各杆件质量均布； 该模型共有四个自由度，分别为髋关节、膝关节、踝关 节和脚尖关节。 当腿处于支撑相时，按三自由度倒立摆处理；当腿处于 悬空相时，以三自由度复摆处理，如图下页右图所示。
I m a

( I m a2 m l 2 ) m2l1a2 cos(1 2 ) m3l1a2 cos(1 2 ) 1 2 2 2 3 2 2 (m ga m gl ) sin M M m3l2a3 cos(2 3 ) 3 2 2 3 3 2 2 3
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1.3 三轮移动机器人运动分析
车轮机构的运动分析指已至车轮的驱动速度条件下，确定本 体的移动速度和旋转速度，这里以两后轮独立驱动三轮移动机构运
动分析为例：
车辆的速度瞬心为Q点，在两后轮的连线上速度呈梯形线性分布，即 P点的速度为
V1 V2 Vp 2
或分别投影到基础坐标系上得
V1 V2 x Vp cos 2 cos V1 V2 y Vp sin 2 sin
i i i i i
系统的势能为：
U m1ga1 cos1 m2 g (l1 cos1 a2 cos2 ) m3 g (l1 cos1 l2 cos2 l3 cos3 )
计算拉格朗日函数 L=T-U,代入拉格朗日方程，求得两种腿状态下的微分方程 式。
（1）支撑相
2 ( m m ) l 1 2 ) m3l1l2 cos(1 2 ) 1 1 2 1 1 m2l1l2 cos( 2 (m ga m gl m gl ) sin M (M M ) m3l1a3 cos(1 2 ) 3 1 1 2 1 3 1 1 1 2 3 2 1 1
(m gb m gb ) sin M M m1l2a1 cos(2 1 ) 1 2 2 1 2 2 2 1
[m l b cos( )] (I m b2 ) m gb sin M [m1l3b1 cos(3 1 )] 3 1 2 1 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1

另外，因为速度瞬心Q到左轮的距离A可根据 V1 和 V1 的几何关系得出
从而知车体的角速度为
V1 B A V2 V1


V1 V2 V1 A B
将以上式写成矩阵形式（雅可比阵）
x 1 cos 1 cos 2 2 1 V1 1 y sin sin V2 2 2 1 1 B B
地面移动机器人
地面移动机器人是最早研究、应用最广泛的一类机器 人，采遥控、自主或半自主等方式工作，在工作劳动强 度大、人类无法进入或对人类有伤害的场合中，如：核 工业设备的维护与检修、防爆、排雷、军事侦察、隧道 凿岩等。地面移动机器人的移动方式多种多样，主要有： 车轮式（轮式）、履带式、腿足式（步行机器人）。
机构模型图如下左图：
根据拉格朗日方程，系统的动能为：
1 2 1 2 1 2 1 1 1 2 2 2 2 2 2 T I1 I I m ( x y ) m ( x y ) m ( x y 1 2 2 3 3 1 1 1 2 2 2 3 3 3) 2 2 2 2 2 2
[m l l cos( )] (I m a2 ) m ga sin M [m3l1l3 cos(1 3 )] 3 3 2 3 2 3 2 2 3 3 3 3 3 3
（2）悬空相
I
2 2 m b ( m m ) l 3 2 ) m1l3l2 cos(3 2 ) 2 3 3 1 2 3 3 m3l3l2 cos( 2