第二章-智能机器人的运动系统

第2章智能机器人的运动系统机器人的移动取决于其运动系统。高性能的运动系统是实现机器人各种复杂行为的重要保障，机器人动作的稳定性、灵活性、准确性、可操作性，将直接影响移动机器人整体性能。移动机器人的移动机构主要有：轮式移动机构、履带式移动机构、足式移动机构、步进式移动机构、蠕动式移动机构、蛇行式移动机构、混合式移动机构。2.1机器人的移动机构1.移动机构的形式机器人移动机构的形式层出不穷，行走、跳跃、跑动、滚动、滑动、游泳等不少复杂奇特的三维移动机构已经进入了实用化和商业化阶段。如表所示，机器人移动机构的设计往往来自自然界生物运动的启示。运动方式运动学基本模型爬行纵向振动滑行横向振动奔跑多极摆振荡运动跳跃多极摆振荡运动行走多边形滚动表2.1移动机构与自然界生物运动2.移动机构的选择移动机构的选择通常基于以下原则：(1)轮式移动机构的效率最高，但其适应能力、通行能力相对较差。(2)履带机器人对于崎岖地形的适应能力较好，越障能力较强。(3)腿式的适应能力最强，但其效率一般不高。为了适应野外环境，室外移动机器人需要多采用履带式行动机构。(4)一些仿生机器人则是通过模仿某种生物的运动方式而采用相应的移动机构，如机器蛇采用蛇行式移动机构，机器鱼则采用尾鳍推进式移动机构。(5)在软硬路面相间、平坦与崎岖地形特征并存的复杂环境下，采用几何形状可变的履带式和复合式(包括轮-履式、轮-腿式、轮-履-腿式等)。图2.1一种混合式移动机构2.1.1轮式移动机构轮式移动机构根据车轮的多少分为1轮、2轮、3轮、4轮和多轮机构。1轮及2轮移动机构存在稳定性问题，所以实际应用的轮式移动机构多采用3轮和4轮。3轮移动机构一般是一个前轮、两个后轮。4轮移动机构应用最为广泛，4轮机构可采用不同的方式实现驱动和转向。驱动轮的选择通常基于以下因素考虑：(1)驱动轮直径：在不降低机器人的加速特性的前提下，尽量选取大轮径，以获得更高的运行速度；(2)轮子材料：橡胶或人造橡胶最佳，因为橡胶轮有更好的抓地摩擦力和更好的减震特性，在绝大多数场合都可以使用；(3)轮子宽度：宽度较大，可以取得较好的驱动摩擦力，防止打滑；(4)空心/实心：轮径大时，尽量选取空心轮，以减小轮子重量。根据移动特性可将轮式机器人分为非全向和全向两种：(1)若所具有的自由度少于三个，则为非全向移动机器人。汽车便是非全向移动的典型应用；(2)若具有完全的三个自由度，则称为全向移动机器人。全向移动机器人非常适合工作在空问狭窄有限、对机器人的机动性要求高的场合，具体有独轮、两轮、三轮、四轮等形式。1.两轮差动移动机构如图所示的FIRAMiroSot组别的足球机器人，可见双轮差速移动底盘可以被设计得很小。图2.2MiroSot足球机器人机器人运动学模型如图所示，在笛卡儿坐标系下，考虑两驱动轮的轮轴中心C点坐标(x，y)为参考点，为机器人的姿态角（前进方向相对于X轴的方位角），是机器人的前进速度，而、分别为左右轮的线速度；是机器人的转动角速度，而分别为左右轮的转动速度。图2.3运动学模型LRv,,Tqxy基于此，机器人的位姿可以表示为：(2.1)由于是在纯滚动、无侧滑的假设条件下进行分析，因此轮子在垂直于轮平面的速度分量为零，系统运动约束条件可表示为：(2.2)sincos0xy非完整约束是指运动约束方程不可能积分为有限形式。现假设式(2.2)是一个完整约束，即可以把它积分成有限形式(2.3)其中C为常量，对式(2.2)求导可得：,,(2.4)说明必是一个与无关的函数，而这与，相矛盾。,,sinxfxy,,cosyfxy,,0fxy,,fxyC,,0fxy,,fxy,,sinxfxy,,cosyfxy因此式(2.2)不可积，说明机器人系统运动约束条件是一个非完整约束。因此可建立机器人的质心运动方程为：,,(2.5)即：(2.6).cosxv.sinyv.cos0sin001xvy根据刚体运动规律，可得下列运动方程：(2.7)(2.8)由式(2.8)分析可知：若，质心的角速度为0，机器人将沿直线运动；若，质心的线速度为0，则机器人将原地转身，即机器人以零半径转弯。在其他情况下，机器人将围绕圆心以零到无穷大的转弯半径做圆周运动。,LLRRvRvR,22RLLRvvv将(2.7)、(2.8)代入式(2.6)得：(2.9)由式(2.9)可以看出，如果知道和即可确定机器人的位姿。因此通过控制左右轮电机的转速和，即可完成对机器人的直线、旋转和转弯等各种运动控制。coscos22sinsin2222LRRRxRRyRRLLLRLnRn2.三轮移动机构结构三轮移动机构有以下三种情况。从动轮驱动操舵轮V操舵轮差动齿轮装置V万向轮V1V2左驱动轮右驱动轮(a)(b)(c)图2.1.4三轮移动机构图2.4三轮移动机构图2.4（a），前轮由操舵结构和驱动结构合并而成，由于操舵和驱动的驱动器都集中在前轮，所以该结构比较复杂。该结构旋转半径可以从0到无限大连续变化，但是由于轮子和地面之间存在滑动，绝对的0转弯半径很难实现。图2.4（b），前轮为操舵轮，后两轮由差动齿轮装置驱动，但是该方法在移动机器人机构中也不多。图2.4（c），前轮为万向轮，仅起支撑作用，后两轮分别由两个电机独立驱动，结构简单，而且旋转半径可以从零到无限大任意设定。其旋转中心是在连接两驱动轴的直线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心一致。3.全向移动机构结构全向移动机构包括全向轮、电机、驱动轴系以及运动控制器几个部分，在不改变机器人姿态的同时可以向任意方向移动且可以原地旋转任意角度，运动非常灵活。图2.5（b）全向轮的转动特点。图2.5（a）几种不同的全向轮的结构形式1）三轮全向移动机构由于全向轮机构特点的限制，要求驱动轮数大于等于3，才能实现水平面内的全向移动，并且行驶的平稳性、效率和全向轮的结构形式有很大关系。图2.6三轮全向移动底盘三轮全向底盘的驱动轮一般由三个完全相同的全向轮组成，并由性能相同的电机驱动。各轮径向对称安装，夹角为120°。建立如图2.7所示的世界坐标系和机器人坐标系。aaxoyayax2vL2L33vryL1rx02v图2.7三轮全向底盘运动学分析三轮全向移动机器人坐标系的原点与其中心重合，L为机器人中心与轮子中心的距离，为与的夹角，为第个轮子转动的线速度，为轮子与的夹角。系统的运动学方程如下：(2.11)rxaxiviry123sin()cos()sin()cos()cossinaaaavxyLvxyLvxyL考虑到机器人的实际结构以及所设立的坐标系的客观情况可知：，将其代入（2.11）并写成矩阵形式可以得到三轮全向底盘运动学模型：(2.12)式（2.12）描述了三轮全向移动机器人在地面坐标系中的运动的速度与驱动轮线速度之间的关系。30oo1oo23-sin(30+θ)cos(30+θ)Lvv=-sin(30-θ)-cos(30+θ)LcosθsinθLvaaxy2）四轮Mecanum轮全向移动机构四轮Mecanum轮全向移动底盘的一种布置方式如下图所示。图2.8四轮Mecanum轮全向移动底盘与三轮全向移动机构相比，四轮Mecanum轮全向移动机构具有以下优点：（1）比三轮全向移动底盘更大的驱动力、负载能力以及更好的通过性；（2）在四个轮子分别安装有电机的情况下，四轮Mecanum轮全向移动底盘能拥有冗余，在一个轮子故障的情况下依然能够运行。但四轮Mecanum轮全向移动底盘的成本更高，更不易于维护。由于增加了一个轮子，其在不平整的地面上行进时极有可能出现一个轮子悬空的情况，这将导致机器人在计算轮速时产生较大的误差。2.1.2履带式移动机构履带式移动机构的特征是将圆环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接同地面接触，利用履带可以缓和地面的凹凸不平。具有稳定性好、越野能力和地面适应能力强、牵引力大等优点。但履带式移动机构结构复杂、重量大、能量消耗大、减振性能差和零件易损坏。图2.9履带式移动机器人常用履带通常为方形或倒梯形（如图2.10所示），履带机构主要由履带板、主动轮、从动轮、支撑轮、托带轮和伺服驱动电机组成。(a)方形（b)倒梯形图2.10履带移动机构为进一步改善对地面环境的适应能力和越障能力，履带结构衍生出很多派生机构。图2.11给出了一种典型的带前摆臂的关节式履带移动机构。从动轮支撑轮主动轮摆臂轮摆臂机器人本体关节式履带移动结构图2.11关节式履带移动机构（1）同步带/齿形带同步带/齿形带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。几种常见的同步带和带轮如图2.12所示。图2.12常见的同步带和带轮同步带作为履带的优点：(1)效率高，最高效率能达到90%以上；(2)设计简单，只须根据标准同步带规格选择节距、齿数、长度、宽度就可以了。同步带作为履带的缺点：同步带一旦选定，长度、宽度就是固定的，因此基本上属于定制，设计不同的履带式平台就需要不同的同步带，这限制了同步带作为履带应用的灵活性。（2）活节履带活节履带是将履带分解为单独的履块，通过轴对各个履块进行连接，类似金属表带或者自行车链条的连接方式。一种典型的活节履带如图2.13所示。图2.13活节履带活节履带的优点：单独的履块简单，可以用注塑成型的方法制造，可以以单节履块为单位任意增减，因此具有较好的灵活性；单个履块上可以装配各种类型的履带齿，适应不同地形。而且活节履带的履块中部可以设计侧向限位块，带轮无须挡边就可以防止履带从带轮侧面脱出。活节履带的缺点：由于各履块之间靠连杆连接，因此连杆处受力较大，整个履带的承载能力弱于同步带式履带，并且活节履带由于履块为刚性结构，理论效率较同步带式履带低，运行噪音也会较大。（3）一体式履带一体式专用履带基本结构采用同步带的形式，具备侧向定位，因此能很好地避免履带脱出且效率高承载力大。但是履带设计较复杂，成本较高，多用于大型机器人。一种典型的一体式履带如图2.14所示。图2.14一体式履带2.1.3足式移动机构足式机器人顾名思义就是使用腿系统作为主要进行方式的机器人，如图2.15所示。图2.15各种足式机器人1.足式移动机构的优势(1)足式移动机构对崎岖路面具有很好的适应能力，可自主选择离散的立足点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带式移动机构必须面临最坏的地形上的几乎所有的点；(2)足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平，机身的运动仍然可以相当平稳；(3)多自由度系统有利于保持稳定并在失去稳定条件下进行自恢复；(4)足式行走机构在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。已有的类人机器人步行研究显示，被动式可以在没有主动能量输入的情况下，完全采用重力作为驱动力完成下坡等动作。2.足式移动机构的设计足式机器人的构思来源于对腿式生物的模仿，在研究足式机器人的特征时，我们主要考虑以下几个方面：(1)足的数目；(2)足的自由度；(3)稳定性。3.典型足式移动机构（1）四足移动机构图2.16BigDog图四足机器人的常见控制方法可分为以下三类：(1)基于模型的控制方法。(2)基于行为的控制方法。(3)生物控制方法是一种融合生物科学和工程技术的新型控制方法。(2)两足步行移动机构1968年，英国R.Mosher就试制出了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，揭开了两足机器人研究的序