地面移動(dòng)機(jī)器人地面移動(dòng)機(jī)器人地面移動(dòng)機(jī)器人1 地面移動(dòng)機(jī)器人是最早研究、應(yīng)用最廣泛的一類機(jī)器人，采遙控、自主或半自主等方式工作，在工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、人類無(wú)法進(jìn)入或?qū)θ祟愑袀Φ膱?chǎng)合中，如：核工業(yè)設(shè)備的維護(hù)與檢修、防爆、排雷、軍事偵察、隧道鑿巖等。地面移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)方式多種多樣，主要有：車輪式（輪式）、履帶式、腿足式（步行機(jī)器人）。地面移動(dòng)機(jī)器人是最早研究、應(yīng)用21.輪式移動(dòng)機(jī)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(jiān)硬路面。圖1.傳統(tǒng)的車輪形式 1.輪式移動(dòng)機(jī)器人1.1 車輪形式傳統(tǒng)的3 下圖是球輪、充氣球輪和錐形輪，充氣車輪較實(shí)心輪而言彈性好，能吸收因路面不平而引起的沖擊和震動(dòng)，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、充氣球輪和錐形輪 下圖是球輪、充氣球輪和錐形輪，充氣41.2 車輪的配置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 車輪式移動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)。1輪、2輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問(wèn)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(yàn)等工作，如圖新加坡南洋理工大學(xué)研制的Segbot雙輪機(jī)器人：1.2 車輪的配置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 5 3輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，要解決的主要問(wèn)題是移動(dòng)方向和速度控制，代表性的車輪配置方式是一個(gè)前輪、兩個(gè)后輪。3輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性，61.3 三輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析 車輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析指已至車輪的驅(qū)動(dòng)速度條件下，確定本體的移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)速度，這里以兩后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析為例：1.3 三輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析 車7 車輛的速度瞬心為Q點(diǎn)，在兩后輪的連線上速度呈梯形線性分布，即P點(diǎn)的速度為或分別投影到基礎(chǔ)坐標(biāo)系上得 車輛的速度瞬心為Q點(diǎn)，在兩后輪的連線8另外，因?yàn)樗俣人残腝到左輪的距離A可根據(jù) 和 的幾何關(guān)系得出從而知車體的角速度為將以上式寫成矩陣形式（雅可比陣）另外，因?yàn)樗俣人残腝到左輪的距離A可根據(jù) 9 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠在保持機(jī)體方位不變的前提下沿平面上任意方向移動(dòng)，有些全方位車輪機(jī)構(gòu)除具備全方位移動(dòng)能力外，還可以像普通車輛那樣改變機(jī)體方位。這種機(jī)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 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠在保持機(jī)體方位不變102.履帶式移動(dòng)機(jī)器人2.履帶式移動(dòng)機(jī)器人112.1 履帶式移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)支撐面大，接地比壓小，適用于松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，通過(guò)性能較好；越野機(jī)動(dòng)性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)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。2.1 履帶式移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)支撐面大，接地比壓小，適用于松122.2 本體結(jié)構(gòu)2.2 本體結(jié)構(gòu)132.3 越障原理2.3 越障原理143.步行機(jī)器人3.步行機(jī)器人15步行機(jī)器人可以認(rèn)為是：“一種由計(jì)算機(jī)控制的用足機(jī)構(gòu)推進(jìn)的表面移動(dòng)機(jī)械電子一種由計(jì)算機(jī)控制的用足機(jī)構(gòu)推進(jìn)的表面移動(dòng)機(jī)械電子裝置。裝置?！辈叫袡C(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)的輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有獨(dú)特的性能：1、足運(yùn)動(dòng)方式具有較好的機(jī)動(dòng)性，即具有較好的對(duì)不、足運(yùn)動(dòng)方式具有較好的機(jī)動(dòng)性，即具有較好的對(duì)不平地面的適應(yīng)能力。平地面的適應(yīng)能力。2、足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以主動(dòng)隔振，即允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌、足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以主動(dòng)隔振，即允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡與足運(yùn)動(dòng)軌跡解耦。跡與足運(yùn)動(dòng)軌跡解耦。3、足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較、足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，而能耗較少。高，而能耗較少。3.1 步行機(jī)器人概念及其特點(diǎn)步行機(jī)器人可以認(rèn)為是：3.1 步行機(jī)器人概念及其特點(diǎn)163.2 兩足步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型兩足步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型 兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的多變量時(shí)變非線性系統(tǒng)。其復(fù)雜程度與兩足機(jī)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(jī)器人WL-3型為動(dòng)力學(xué)模型，并作如下簡(jiǎn)化：1、腿只在前進(jìn)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；2、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(yùn)動(dòng)平面正交，各桿件質(zhì)量均布；該模型共有四個(gè)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(shí)，按三自由度倒立擺處理；當(dāng)腿處于懸空相時(shí)，以三自由度復(fù)擺處理，如圖下頁(yè)右圖所示。3.2 兩足步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型 兩足步行17機(jī)構(gòu)模型圖如下左圖：機(jī)構(gòu)模型圖如下左圖：18根據(jù)拉格朗日方程，系統(tǒng)的動(dòng)能為：系統(tǒng)的勢(shì)能為：系統(tǒng)的勢(shì)能為：計(jì)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。根據(jù)拉格朗日方程，系統(tǒng)的動(dòng)能為：系統(tǒng)的勢(shì)能為：計(jì)算拉格朗日函19（1）支撐相（1）支撐相20（2）懸空相（2）懸空相21式中：式中：22蘇科版初中信息技術(shù)選修行走機(jī)器人ppt課件23