地面移動機器人

1、地面移動機器人地面移動機器人 地面移動機器人是最早研究、應(yīng)用最廣泛的一類機器人，采遙控、自主或半自主等方式工作，在工作勞動強度大、人類無法進入或?qū)θ祟愑袀Φ膱龊现?，如：核工業(yè)設(shè)備的維護與檢修、防爆、排雷、軍事偵察、隧道鑿巖等。地面移動機器人的移動方式多種多樣，主要有：車輪式（輪式）、履帶式、腿足式（步行機器人）。 1. 輪式移動機器人1.1 車輪形式傳統(tǒng)的車輪形式如下圖，這種車輪適合于平坦的堅硬路面。圖1.傳統(tǒng)的車輪形式http:/ 下圖是球輪、充氣球輪和錐形輪，充氣車輪較實心輪而言彈性好，能吸收因路面不平而引起的沖擊和震動，而且充氣球輪與地面的接觸面積較大，特別適合于沙丘地形。圖2. 球輪

2、、充氣球輪和錐形輪 1.2 車輪的配置和轉(zhuǎn)向機構(gòu) 車輪式移動機構(gòu)依據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪以及多輪機構(gòu)。1輪、2輪移動機構(gòu)在實現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問題，目前已經(jīng)有人致力于單輪直立控制研究和雙輪穩(wěn)定行駛試驗等工作，如圖新加坡南洋理工大學(xué)研制的Segbot雙輪機器人： 3輪移動機構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，要解決的主要問題是移動方向和速度控制，代表性的車輪配置方式是一個前輪、兩個后輪。 1.3 三輪移動機器人運動分析 車輪機構(gòu)的運動分析指已至車輪的驅(qū)動速度條件下，確定本體的移動速度和旋轉(zhuǎn)速度，這里以兩后輪獨立驅(qū)動三輪移動機構(gòu)運動分析為例： 車輛的速度瞬心為Q點，在兩后輪的連線上速度呈梯形線

3、性分布，即P點的速度為221VVVp或分別投影到基礎(chǔ)坐標(biāo)系上得sin2sincos2cos2121VVVVVVppyx 另外，因為速度瞬心Q到左輪的距離A可根據(jù) 和 的幾何關(guān)系得出1V1V121VVBVA從而知車體的角速度為BVVAV121將以上式寫成矩陣形式（雅可比陣）211sin21cos211sin21cos21VVBByx 全方位移動機構(gòu)能夠在保持機體方位不變的前提下沿平面上任意方向移動，有些全方位車輪機構(gòu)除具備全方位移動能力外，還可以像普通車輛那樣改變機體方位。這種機構(gòu)操控性能靈活，特別適合小空間作業(yè)。圖3. 麥卡納姆輪的新型車輪2. 履帶式移動機器人2.1 履帶式移動機器人特點 支

4、撐面大，接地比壓小，適用于松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能較好； 越野機動性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機構(gòu)； 履帶支撐面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜重量大，減震性能差，零件易損壞。2.2 本體結(jié)構(gòu)http:/ 越障原理3. 步行機器人步行機器人可以認(rèn)為是： “一種由計算機控制的用足機構(gòu)推進的表面移動機械電一種由計算機控制的用足機構(gòu)推進的表面移動機械電子裝置。子裝置。”步行機器人相對于傳統(tǒng)的輪式、履帶式移動機器人具有獨特的性能： 1、足運動方式具有較好的機動性，即具有較好的對不、足運動方式具有較好的機動性，即具有較好的對不平地面

5、的適應(yīng)能力。平地面的適應(yīng)能力。 2、足運動系統(tǒng)可以主動隔振，即允許機身運動運動軌、足運動系統(tǒng)可以主動隔振，即允許機身運動運動軌跡與足運動軌跡解耦。跡與足運動軌跡解耦。 3、足運動系統(tǒng)在不平地面和松軟地面上的運動速度較、足運動系統(tǒng)在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，而能耗較少。高，而能耗較少。3.1 步行機器人概念及其特點3.2 兩足步行機器人的動力學(xué)模型兩足步行機器人的動力學(xué)模型 兩足步行機器人系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的多變量時變非線性系統(tǒng)。其復(fù)雜程度與兩足機器人的自由度多少有關(guān)。我們以加藤等人利用拉格朗日方程建立的兩足步行機器人WL-3型為動力學(xué)模型，并作如下簡化： 1、腿只在前進平面內(nèi)運動； 2、

6、腿有剛性桿件構(gòu)成，桿件之間用關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)軸與運動平面正交，各桿件質(zhì)量均布； 該模型共有四個自由度，分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳尖關(guān)節(jié)。 當(dāng)腿處于支撐相時，按三自由度倒立擺處理；當(dāng)腿處于懸空相時，以三自由度復(fù)擺處理，如圖下頁右圖所示。機構(gòu)模型圖如下左圖：根據(jù)拉格朗日方程，系統(tǒng)的動能為：)(21)(21)(21212121232332222221211233222211yxmyxmyxmIIIT)coscoscos()coscos(cos332211322112111lllgmalgmgamU計算拉格朗日函數(shù) L=T-U,代入拉格朗日方程，求得兩種腿狀態(tài)下的微分方程式。（1）支撐相22121

7、321212121212111)cos()cos()( l lml lmlmmamI)(sin)()cos(3211131211321313MMMglmglmgamalm 2223222212121321212)()cos()cos( lmamIalmalm3223322332323sin)()cos(MMglmgamalm 33332332232323331313sin)()cos()cos(MgamamIllml lm （2）懸空相22323123233323212332)cos()cos()( llmllmlmmbmI)(sin)()cos(1233313233113131MMMglmglmgbmalm 2221222232323123233)()cos()cos( lmamIalmalm1222122112121sin)()cos(MMgbmgbmalm 11112111223121313131sin)()cos()cos(MgbmbmIblm