移动机器人运动机构
轮腿混合移动机器人机构设计及分析
＋
电 机 ２带 动 大腿 下 摆 角 度 ｏ一 ｔ击
图 ７ 轮 腿切 换 时 腿 部各 电机 的 控 制 图
４机 器 人 步 态 规划 与 实 验 验证
机 器 人 爬 行 时 步 态 的选 择 关 系 到 机 器 人 运动 时 的稳 定 性 与
的 。如 图 １ 所示 ， 机器 人 机构 简 图 。 为
图 ２ 机 器人 腿 部机 构 简 图 图 ３ 从 动轮 定 位原 理
３ 型机构 的特 点分 析 新
３１爬行 过 程 中足端 轮 可 以减缓 腿 部对 地面 的 冲击 并 ．
且具有对 复杂路 面的 自适应 能力
机器人爬行时， 每条腿的足端都是抬起与放下的过程 ， 小腿 落地时与地面不再是直角关系。由于足端轮处 弹簧的可伸缩性 ，
中图分 类号 ： Ｈ１ ，Ｐ ９ ．３ 文 献标识 码 ： Ｔ ６Ｔ ３ １ ７ Ａ
１ 引言
近几年有许多不同形式的轮腿机器人 出现 ， Ｈ ｒｓ 等【 如 ｉ ｅ ｏ 设
２２腿 部机构 的设计 ＿
机器 人 采用与动物腿部结构相似的三 自由度关节式腿机构 酮，
所示 ， 每条腿都是—个平面连杆机构。 为减小摆腿时的转动囔 计 的 ＴＴ Ｎ 大 腿 运 动型 溜 冰机 器 人 ； 大 学机 器 人研 究 所 设 计 如图 ２ ＩＡ ８ 某 量电机和传动机构应尽可能集中在靠近机体的位置。因此把髋关节 的前 轮驱 动 型 移 动机 器 人 上 海 交 通 大 学设 计 的万 向轮 式 移 动 ；
图 １机器人机构简图
机器人的脚踝可以在地面支持力的作用下做一定范围的摆动。 既
★来稿 日期 ：０ ０ ０ — ９ ★基金项 目： ２ １— ３ ０ 内蒙古 自然科学基本重点项 目资助（０ ６ ７ １７ ３ ２０００００ ）
全方位移动机构的运动分析---开题报告
全方位移动机构的运动分析---开题报告近年来，随着移动机器人和相关技术的发展，使得移动机构在很多行业的应用逐渐深入和拓宽。
如具有全方位移动机构的火星探路者机器人、金字塔探秘移动机器人、移动机器人吸尘器、踢足球的移动机器人等。
移动机构是移动机器人运动的基础。
根据移动特性，可以分为非全方位和全方位移动机构两种。
在平面上移动的物体可以实现前后、左右和自转3个自由度的运动；若所具有的自由度少于3个，则为非全方位移动机构。
典型产品如汽车等，可以前进、拐弯而不能横向移动。
若具有完全的3个自由度，则为全方位移动机构。
全方位机构非常适合工作在空间狭窄有限、对机构的机动性要求高的场合中。
国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作。
在车轮设计制造、机器人上轮子的配置方案、以及全方位机构的运动学分析等方面进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的全方位移动机构产品。
国内虽然在移动机器人上的研究开展了一段时间，但是全方位的移动机器人还仅局限于几种固有的形式。
第一部分通过对全方位移动机构的结构特点和运动特性进行分析，为今后全方位移动机构的设计提供参考。
第二部分介绍移动机构的运动学分析介绍，第三部分介绍以自由轮系构成的移动机构，第四部分介绍以偏心转向轮构成的系。
全方位移动机构的运动学分析介绍假设移动机构具有刚性外壳，不变形的轮子，运动局限在平面上，则机构在平面上的位置可以由图1 表示。
平面世界坐标系定义为xOy ,点P为在机构本体上的参考点,车体坐标系为XPY ,则机构的位置和姿态可以由ξ= (x,y,θ)t表示,其中(x,y)为点P在平面世界坐标系中的位置, θ为世界坐标系下x轴到机构坐标系X轴的角度,逆时针为正。
用点P来代表移动机构,若能在平面世界坐标系下实现( x,y,θ)三个自由度的运动,则称其为全方位移动机构。
自由方向轮系1．Swedish轮Swedish轮也称Mecanum轮,由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成,轮子和滚子之间的夹角为γ,通常夹角γ为45°,如图2所示。
机器人行走机构分类
机器人行走机构分类一、简介机器人行走机构是指用于实现机器人行走功能的机械结构。
机器人的行走机构种类繁多，根据不同的应用需求和环境条件，可以选择合适的行走机构来满足机器人的运动要求。
本文将对常见的机器人行走机构进行分类介绍。
二、轮式行走机构轮式行走机构是最常见的机器人行走机构之一，其特点是结构简单、易于控制和稳定性较高。
轮式行走机构通常由两个或多个轮子组成，通过电机驱动轮子旋转，从而实现机器人的行走。
轮式行走机构适用于平坦的地面，并且能够快速移动。
三、履带式行走机构履带式行走机构采用履带来实现机器人的行走，其特点是具有较好的通过性和抓地力。
履带式行走机构通常由一条或多条履带组成，通过电机驱动履带的运动，从而实现机器人的行走。
履带式行走机构适用于复杂的地形和恶劣的环境条件，能够克服一些障碍物。
四、足式行走机构足式行走机构模仿了生物的步态，通过仿生设计实现机器人的行走。
足式行走机构通常由多个关节和连接件组成，通过电机驱动关节的运动，从而实现机器人的行走。
足式行走机构具有较好的灵活性和适应性，能够适应不同的地形和环境条件。
五、腿式行走机构腿式行走机构是一种特殊的行走机构，其特点是具有较好的稳定性和适应性。
腿式行走机构通常由多个腿部组成，通过电机驱动腿部的运动，从而实现机器人的行走。
腿式行走机构适用于复杂的地形和狭窄的空间，能够克服一些障碍物。
六、轮腿混合式行走机构轮腿混合式行走机构是将轮式行走机构和腿式行走机构结合起来的一种行走机构。
轮腿混合式行走机构通常由轮子和腿部组成，通过电机驱动轮子和腿部的运动，从而实现机器人的行走。
轮腿混合式行走机构综合了轮式行走机构和腿式行走机构的优点，能够在不同的地形和环境条件下灵活行走。
七、其他行走机构除了上述介绍的常见行走机构外，还有一些其他特殊的行走机构，如链式行走机构、球形行走机构等。
这些行走机构通常被应用于特定的领域和特殊的环境条件，具有一些特殊的优势。
八、总结机器人行走机构是机器人的重要组成部分，不同的行走机构适用于不同的应用场景。
机器人复合式移动机构浅析
机器人复合式移动机构浅析作者：杨喜飞来源：《科学与财富》2019年第23期摘要：复合式行走机构集合了轮式、履带式或足式行走机构的优点，具备更好的适应能力，本文通过对复合式移动机构的设计原则进行梳理，分析不同设计原则下复合式移动机构的优缺点，为更好的开展复合式移动机构的设计提供借鉴。
关键词：机器人；移动机构；复合式前言移动机器人已经广泛应用在生产生活的各种领域，如家庭安防、陪护、救援、扫雷排险等[1]。
机器人移动机构的设计，尤其是机器人移动机构的移动控制以及越障能力，对于机器人移动性能和应用场景影响重大。
现有的移动机器人的移动机构主要有轮式、履带式和足式，其中以轮式的效率最高，但其适应能力相对较差，而足式的适应能力最强但其效率最低，履带式移动机构是将圆环状的循环轨道卷绕在若干车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓和地面的凹凸不平。
它具有良好的稳定性能、越障能力和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行使。
但履带式整体机构笨重，消耗的功率大，足式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的，具备出色的地面适应能力和越野能力，但结构比较复杂，运动控制的难度较大，而且移动速度较慢[2]。
基于现有常规移动机构存在的不足，也陆续出现了一些复合式移动机构，如轮履复合式、轮足复合式等，复合式行走机构集合了轮式、履带式或足式行走机构的优点，具备更好的适应能力，如越障和上下楼梯等。
本文通过对复合式移动机构的设计原则进行梳理，分析不同设计原则下复合式移动机构的设计应用，为复合式移动机构的设计提供借鉴。
一、轮履复合式轮履复合式是将轮式和履带式进行复合设计的移动机构。
目前主要通过以下两种复合思路进行设计：并联叠加原则。
即将轮式和履带式在运动上相对独立的叠加在机器人移动本体上。
在移动本体上，通过设置各自独立的传动机构实现驱动轮和履带的驱动，轮式和履带式行走功能的切换，往往通过伸缩或升降机构来实现。
串联原则。
即将轮式和履带式在运动上相互关联的设置在机器人移动本体上，参见图1。
移动机器人的机构与分类分析
移动机器人的机构与分类分析一、移动机器人的机构一般而言，移动机器人的移动机构主要有轮式移动机构、履带式移动机构及足式移动机构，此外还有步进式移动机构、蠕动式移动机构、蛇行式移动机构和混合式移动机构，以适应不同的工作环境和场合。
一般室内移动机器人通常采用轮式移动机构，室外移动机器人为了适应野外环境的需要，多采用履带式移动机构。
一些仿生机器人，通常模仿某种生物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。
其中轮式的效率最高，但适应性能力相对较差；而足式的移动适应能力最强，但其效率最低。
1 轮式移动机构轮式移动机器人是移动机器人中应用最多的一种机器人，在相对平坦的地面上，用轮式移动方式是相当优越的。
轮式移动机构根据车轮的多少有1轮、2轮、3轮、4轮及多轮机构。
1轮及2轮移动机构在实现上的障碍主要是稳定性问题，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。
其中，两个后轮独立动，前轮是万向轮，只起支撑作用，靠后轮的转速差实现转向。
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，既可以使用后轮分散驱动，也可以用连杆机构实现4轮同步转向，这种方式比起仅有前轮转向的车辆可实现更小的转弯半径。
2 足式移动机构履带式移动机构虽在高低不平的地面上可以运动，但是它的适应性不够好，行走时晃动较大，在软地面上行驶时效率低。
根据调查，地球上近一半的地面不适合传统的轮式或履带式车辆行走，但是一般的多足动物却能在这些地方行动自如，显然，足式移动机构在这样的环境下有独特的优势。
足式移动机构对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，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地形上的。
第三章移动机器人的主要结构
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3.4 轮腿式移动机构
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3.5 星球漫游机器人移动系统结构
¾ 星球漫游车移动系统的特点
星球漫游车是一种特殊环境下应用的移动机器人。其移动系统 主要包括底盘结构、悬架机构、移动机构、机械传动机构、驱动 装置和必要的控制系统等。
与在地球上的一般车辆或机器人不同，星球漫游车移动系统必 须具备良好的地形通过性、稳定性及越障能力；同时，要适应星 球恶劣的环境条件（如高、低温变化，尘埃，辐射和重力加速度 不同等），以保证其正常工作。
移动机器人多是针对陆上表面环境的。其机构形式主要有： (1)车轮式移动机构； (2)履带式移动机构； (3)腿足式移动机构。 此外，近有步进式移动机构、蠕动式移动机构、混合式移动 机构和蛇行式移动机构等适合于一些特别的场合。
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3.1 轮式移动机构
¾ 轮式移动机构类型
轮式移动系统机构简单，质量轻，功耗小，控制方便，运 动灵活。缺点是其越野能力较差，但可以通过选择合适的悬架 系统来提高其地形适应能力。
此外，星球车移动系统还要满足火箭发射的可搭载空间与质量 限制要求、能耗限制要求等。
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¾ 悬架机构
悬架的作用是连接车轮与车体，将移动系统的作用载荷分配到 各车轮上，并起到一定的缓冲减震作用。
星球漫游车的悬架分为主动式悬架、被动式悬架及混合式悬架。
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¾ 差速机构
差速机构的作用是连接移动系统两侧 的悬架，将移动系统的作用载荷分配到 各车轮上，提高移动对地形的适应性， 并起到一定的车体俯仰平衡作用。
腿足式移动系统一直得到国内外的移动机器人研究者的广泛重 视。但其机械结构和控制系统复杂，系统可靠性低；在松软沙地 行走时，抗沉陷性较差，效率较低，功耗也大。
机器人行走结构
机器人行走结构的类型及特点一、移动机器人行走机构概述机器人行走机构按照其运动轨迹可分为固定式轨迹和无固定式轨迹两种。
固定式轨迹主要用于工业机器人，它是对人类手臂动作和功能的模拟和扩展；无固定轨迹就是指具有移动功能的移动机器人，它是对人类行走功能的模拟和扩展。
移动机器人的行走结构形式主要有：车轮式移动结构；履带式移动结构；步行式移动结构。
此外，还有步进式移动结构、蠕动式移动结构、混合式移动结构和蛇行式移动结构等，适合于各种特别的场合。
从移动机器人所处环境看，可以分为结构环境和非结构环境两类。
结构环境：移动环境是在轨道上（一维）和铺好的道路（二维）。
在这种场合，就能利用车轮移动结构。
非结构环境：陆上二维、三维环境；海上、海中环境；空中宇宙环境等原有的自然环境。
陆上建筑物的阶梯、电梯、间隙沟等。
在这样的非结构环境领域，可参考自然界动物的移动机构，也可以利用人们开发履带，驱动器。
例如：2足、4足、6足及多足等步行结构。
行走结构的设计对于移动机器人的工作效率有着至关重要的作用，选择适当、精巧的行走结构往往可以大大提高机器人的动作效率。
这就需要我们熟悉和了解不同机器人行走结构的类型及特点。
二、三种常见的行走结构1)车轮式移动结构两车轮：像自行车只有两个车轮的结构。
两车轮的速度、倾斜等物理量精度不高，因此进行机器人化，所需便宜、简单、可靠性高的传感器难以获得。
此外，两轮车制动时以及低速运行时也极不稳定。
三轮车：三轮移动结构是车轮式机器人的基本移动结构，其结构是后轮用两轮独立驱动，前轮用小脚轮构成组合。
这种结构的特点是结构组成简单，而且旋转半径可以从0到无限大，任意设定。
但是他的旋转中心是在连接两驱动轴的连线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。
四轮车：四轮车的驱动结构和运动基本上和三轮车相同。
和汽车一样，适合于高速行走，稳定性也好。
一般情况下，车轮式行走结构最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。
可跳跃移动机器人机构设计与跳跃过程控制研究综述
可跳跃移动机器人机构设计与跳跃过程控制研究综述目录一、内容概括 (2)1.1 跳跃移动机器人的研究背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状及发展动态 (4)二、可跳跃移动机器人机构设计 (5)2.1 机器人总体结构设计 (7)2.2 跳跃机构设计 (7)2.2.1 基本跳跃机构 (9)2.2.2 复杂跳跃机构 (10)2.3 仿生跳跃机构设计 (10)2.3.1 蜻蜓式跳跃机构 (12)2.3.2 鸟类跳跃机构 (13)三、跳跃过程控制研究 (14)3.1 跳跃运动规划与控制策略 (15)3.1.1 基于预设轨迹的跳跃控制 (16)3.1.2 基于最优控制的跳跃控制 (18)3.1.3 基于模型预测控制的跳跃控制 (20)3.2 跳跃过程中的动力学分析与建模 (21)3.2.1 跳跃机器人的动力学建模 (22)3.2.2 跳跃过程中的力学分析 (24)3.3 跳跃机器人的感知与交互技术 (25)3.3.1 激光雷达感知技术 (26)3.3.2 触觉传感器感知技术 (28)3.3.3 人机交互技术 (30)四、实验与仿真分析 (31)4.1 实验环境搭建与实验方法 (33)4.2 实验结果与分析 (34)4.3 仿真结果与分析 (35)五、结论与展望 (36)5.1 研究成果总结 (37)5.2 存在问题与不足 (39)5.3 未来发展方向与展望 (40)一、内容概括随着科技的不断进步，可跳跃移动机器人作为一种具有高度自主性和灵活性的机器人形式，受到了广泛关注。
本文旨在对近年来可跳跃移动机器人机构设计与跳跃过程控制的研究进行综述，以期为该领域的发展提供参考和启示。
在可跳跃移动机器人机构设计方面，研究者们主要关注机器人的结构、驱动和跳跃性能等方面。
结构设计方面，为提高机器人的稳定性和机动性，往往采用多关节、柔性杆等复杂结构。
驱动方式上，除了传统的电机驱动外，还有采用生物启发式驱动（如仿生肌肉、形状记忆合金等）的机器人。
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图12 右前进步态
图13 恢复前移重心状态
图14 左前进步态
图15 恢复重心前移后状态
前进步态的改进：
图16 调整步态
图17 左前进步态
➢设计转向步态
图 18 重心前移后状态
图19 转向步态
图20 转向过程
图21 转向完成
第二节 轮式机器人
轮子的设计 ➢标准轮：旋转中心经过接触片着地，无副
图系统
该系统近似于一
个滚动的多边形， 多边形的边长 为d，等于步伐的 跨距。随着步距 的减小，多边形 接近于半径为L的 圆或轮子。
第一节 腿式移动机器人
腿式机器人（足式机器人）顾名思义就是使用腿系统作为 主要行进方式的机器人。腿式运动以一系列机器人和地面 之间的点接触为特征。
三个点确定一个平面，机器人或动物只需要和地面有三 个独立的接触点，就能够保持静态平衡。但是，机器人需 要抬腿走路，所以 3个点的平衡是不够的，为了能够在行 走中能够实现静平衡，需要至少 4 条腿，而 6条腿的动物 能在任何时刻都有 3 个稳定的支点。在四腿机器人步行期 间，需要主动偏移重心，从而控制姿态，实现移动。
几个现实生活中的例子
ICR（instantaneous center of rotation）：瞬时转动中心 零运动直线
轮子和底盘结构选取的原则 移动机器人的三个基本特征：
➢稳定性 ➢机动性 ➢可控性
四足机器人静平衡步态规划
需要遵从的两个原则：
1 如果机器人要在运动过程中保持静态平衡，需要 在任何时候都有 3 条腿支撑地面，并且重心位于 这三条腿与地面接触点构成的三角形内部。
2 机器人需要通过腿部运动，主动移动重心，才能 实现机器人的整体运动。
➢设计前进和后退步态
图10 静止状态
图11 重心前移后状态
特别提示：腿越多的机器人，它的稳定性越好， 当腿的数量超过6条之后，机器人在稳定性上就有 天然的优势。
如图 2.5 两轮自平衡小车，轮子向前滚动，地 面的摩擦力 f、支持力 N、重力 G、惯性力 F 的 合力让机器人保持向前倾斜一个小角度的状态。 当然这个过程轮子必须在不断的加速，让 F惯性 力保持不变。
➢ 优点：在粗糙地形上的自适应性和机动性 ➢ 缺点：动力、控制和结构的复杂性 ➢ 分类：单腿机器人 双腿机器人（双足）四腿机器人（四
足） 六腿机器人（六足）等 在研究腿式机器人的特征时，我们主要考虑以下几个方面： ➢ 腿的数目（和地面接触点的数目） ➢ 腿的自由度 ➢ 静态和动态稳定性
一 、腿的数目
图2.5 两轮自平衡小车受力示意图
四 步态规划
支持状态：腿处于支持状态时，腿的末端与地面接触，支 持机器人的部分重量，并且能够通过蹬腿使机器人的重心 移动。
转移状态：处于转移状态时，腿悬空，不和地面接触，向 前或向后摆动，为下一次迈步做准备。
步态：腿式机器人各条腿的支持状态与转移状态随着时间 变化的顺序集合。
二 、腿的自由度
图2.3 2个自由度的腿
图2.4 3个自由度的腿
三 稳定性
静平衡、动平衡。 ➢ 静平衡：在机器人研究中，我们将不需要依靠运
动过程中产生的惯性力而实现的平衡叫做静平衡。 比如两轮自平衡机器人就没办法实现静平衡。 ➢ 动平衡：机器人运动过程中，如果重力、惯性力、 离心力等让机器人处于一个可持续的稳定状态， 我们将这种稳定状态为动平衡状态。
第二章 移动机器人运动机构
（locomotion）
移动机器人需要运动机构，它能够使机器
人在环境中无约束的运动。但是运动有众多不 同的可能途径，因此机器人运动方法的选择是 移动机器人设计的一个重要方面。而运动方法 即运动机构的大部分一直受到生物学上对应物 的启示，如图2.1所示。例外：有源动力轮由人 类发明，即双足行走系统。如图2.2所示：
作用。 ➢小脚轮：绕偏心轴旋转，在操纵期间会引
起一个力，加到机器人地盘。 ➢瑞典轮：功能基本与标准轮相同，但它在
另一个方向产生较低的阻力。 ➢球形轮：真正的全向轮，可沿任何方向受
动力而旋转，但技术实现较困难。
图22 （a）标准轮 （b）小脚轮（c）瑞典轮（d）球形轮
常见的轮式地盘结构
电机与地盘的运动关系
➢ 周期步态：对于匀速前进的机器人，步态呈周期性变化， 我们将这种步态称之为周期步态。
➢ 实时步态：机器人能够根据传感器获取地面状况和自身的 姿态，进而产生实时的步态。我们将这种步态称为随机步 态或实时步态。
针对四腿机器人，进行周期步态规划
➢ 步态占空比：周期步态中，四腿机器人所有腿支 持状态的时间之和与整个周期的比值，称为步态 占空比。
• 静平衡步态：如果0.75≤步态占空比≤1 时，机器 人处于静平衡状态，我们将这种步态称为静平衡 步态。四足以上的节肢动物，如金龟子等甲虫
• 动平衡步态：如果步态占空比＜0.75，机器人处 于非静平衡状态，需要借助运动时的惯性力、严 格的时序，才能让机器人保持平衡，我们将这种 步态称为动平衡步态。四足动物，如乌龟、小猫 小狗等