1、地面移动机器人地面移动机器人 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）。 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。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。图2. 球轮、充气球轮和
2、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。 1.3 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
3、点的速度为221VVVp或分别投影到基础坐标系上得sin2sincos2cos2121VVVVVVppyx 另外，因为速度瞬心Q到左轮的距离A可根据 和 的几何关系得出1V1V121VVBVA从而知车体的角速度为BVVAV121将以上式写成矩阵形式（雅可比阵）211sin21cos211sin21cos21VVBByx 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
4、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。2.2 本体结构2.3 越障原理3. 步行机器人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。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、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。平地面
5、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、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。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、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。高，而能耗较少。3.1 步行机器人概念及其特点3.2 两足步行机器人的动力学模型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，
6、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。机构模型图如下左图：根据拉格朗日方程，系统的动能为：)(21)(21)(21212121232332222221211233222211yxmyxmyxmIIIT)coscoscos()coscos(cos332211322112111lllgmalgmgamU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22121321212121
7、212111)cos()cos()( l lml lmlmmamI)(sin)()cos(3211131211321313MMMglmglmgamalm 2223222212121321212)()cos()cos( lmamIalmalm3223322332323sin)()cos(MMglmgamalm 33332332232323331313sin)()cos()cos(MgamamIllml lm （2）悬空相22323123233323212332)cos()cos()( llmllmlmmbmI)(sin)()cos(1233313233113131MMMglmglmgbmalm 2221222232323123233)()cos()cos( lmamIalmalm1222122112121sin)()cos(MMgbmgbmalm 11112111223121313131sin)()cos()cos(MgbmbmIblmblm 式中：矩作用在连杆上的驱动力对转角相对于基础坐标系的绝连杆距离质心到连杆上端铰链的连杆距离质心到连杆下端铰链的连杆的长度连杆绕质心的转动惯量连杆的质量，连杆iiiiiiiMiibiailiiiIm3 , 2 , 1
