移动机器人原理与设计第二章运动机构
机器人机身及行走机构ppt课件
控制特点：
使机器人的重心 经常在接地的脚 掌上，一边不断 取得准静态平衡， 一边稳定的步行。
结构特点：
为了能变换方向 和上下台阶，一 定要具备多自由 度。
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两足ห้องสมุดไป่ตู้行机器人图例：
主要构成：
1—框架 2—大腿 3—小腿 4—脚 5—肩 6—肘 7—手 8—液压缸
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按行走机构的特点分：
对于无固定轨迹机器人，可分为轮式、履 带式和步行式等。前两者与地面连续接触， 后者与地面为间断接触。
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3．固定轨道式机器人运动的实现：
机器人机身底座，安装在一个可移动 的拖板上，依靠丝杆螺母副的运动将 来自电机的旋转运动转化为直线运动。
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4．车轮式行走机器人：
分类：
车轮式行走机器人通常有三轮、四轮、六 轮之分。它们或有驱动轮和自位轮，或有 驱动轮和转向机构，用来转弯。
适用范围：
最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬 楼梯。
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三轮行走机器人图例：
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三轮行走机器人结构及驱动：
构成：三个车轮、转向叉、驱动装置等。
驱动方案：
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回转与俯仰机身图例：
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三、机器人行走机构
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1．行走机构的构成：
机器人行走机构通常由驱动装置、传 动装置、位置检测装置、传感器、电 缆和管路等构成。
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2．行走机构的分类：
按运行轨迹分：
分为固定轨迹式和无固定轨迹式两种。固 定轨迹式主要用于工业机器人
机器人控制原理
第二章机器人系统简介2.1 机器人的运动机构（执行机构）机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。
对机器人的操作手而言，它应该象人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。
移动机构应能将机器人移动到任意位置，并保持预定方位姿势。
为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本移动功能。
在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构2.1.1 机器人的臂结构机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组成。
关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。
在关节的约束下，两连杆间只能有简单的相对运动。
机器人中常用的关节主要有两类：(1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。
(2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。
杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。
以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描述。
我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree of freedom））。
而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。
机器人的自由度是独立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。
（由驱动器能产生主动动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。
移动机器人运动学
运动的关键问题
腿式机构面临的问题:
①稳定性VS灵活性 ②步态 （2k-1）! 6足：11！=39916800 ③能量消耗 ④执行机构、自由度
6
Chp 2. 运动学
2.2 轮式移动机器人概况
轮子运动：设计空间 四种基本的轮子类型 轮子的几何特征（配置） 稳定性（最小数目：2） 机动性
给定机器人的几何特征及其轮子速度⇒机器人如 何运动？ 差分驱动机器人的运动：
车轮直径r，中心点p，轮距2l 给定：r，l，θ，φ1 ，φ2 （车轮转速） 全局坐标系中机器人的速度：
x ξI = y = f l, r, θ, φ1 , φ2 θ
ξI
= R(θ)−1 ξR ，考虑各车轮的贡献
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Chp 2. 运动学
机器人的机动性
可操纵的总自由度：fM = fm + fs 注意：相同fM ，不等效的活动性
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Chp 2. 运动学
2.5 移动机器人的工作空间
机动性fM ⇔控制自由度 工作空间可能超过fM 我们还关心：可能的路径和轨迹
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Chp 2. 运动学
自由度
可容许的速度空间：机器人可以控制的机器人运动的独立 分量（独轮车的例子） 可微的自由度 differentiable degrees of freedom； DDOF
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Chp 2. 运动学
活动性的程度
固定标准轮：C1f R θ ξI = 0
可操纵标准轮：C1s βs R θ ξI = 0
C1f = C (β ) 的零空间 1s s
第二章_移动机器人运动机构
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 特别提示：腿越多的机器人，它的稳定性越好， 平衡状态。 当腿的数量超过6条之后，机器人在稳定性上就有
图2.2 两足的行走系统
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。 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
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。
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。 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。
第二章工业机器人的机械设计基础
水平多关节机器人（ SCARA ）
l 结构特点 - 作业空间与占地面积比很大， 使用起来方便； - 沿升降方向刚性好，尤其适合 平面装配作业
SCARA-Selective Compliance Assembly Robot Arm
1978年由日本山梨大学牧野洋 教授首先提出
并联机器人 模拟器
定姿态达到的点所构成的体积空间。记作Wp (P)。
➢ 次工作空间：总工作空间中去掉灵活工作空间所余下的部分。记作Ws
(P)。
工作空间
工作空间的两个基本问题： 1、给出某一结构形式和结构参数的操作机以及关节变量的变化范围，求 工作空间。称为工作空间分析或工作空间正问题。 2、给出某一限定的工作空间，求操作机的结构形式、参数和关节变量的 变化范围。称工作空间的综合或工作空间逆问题。
等，医疗外科… 微动机构和微型机构：显微外科、细胞操作、误差补偿器. 加工设备：虚拟轴机床，很容易获得6轴联动，前两年研究
的较多，近年来，大家发现虚拟机床很难获得高的加工精 度，如天津大学的黄田教授等人进行了多年的研究，发现很 难超过20μ .
娱乐：《真实的谎言》中的拍摄施瓦辛格驾驶鹞式飞机，就 是在一个stewart平台上进行的.
主要内容
工业机器人常见构型 机器人基本概念与关键参数 机器人的运动学 机器人工作空间与轨迹规划 机器人静力学与动力学 机器人关键功能部件 机器人元器件与传动方式 机器人典型结构与运动 机器人设计与分析 机器人设计思想与设计方法
机器人组成
机器人是一个高度自动化的机电一体化设备。从控制观点来看，机器人系统 可以分成四大部分：机器人执行机构、驱动装置、控制系统、感知反馈系统。
9. 示教再现：具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行逐步示教，机器人记 忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一 定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。
机器人技术第二章
图2-3所示的机器人， 臂部在xO1y面内有三 个独立运——升降(L1)、 伸缩(L2)、和转动(Φ1)， 腕部在xO1y面内有一 个独立的运动——转 动(Φ2)。机器人手部 位置需要一个独立变 量——手部绕自身轴 线O3C的旋转Φ3。
机器人自由度的选择
• 一般自由度的选择：机器人自由度都是根 据机器人的用途来设计的，在三维空间中 描述一个物体的位姿（位置和姿态）需要6 个自由度。工业机器人的自由度是根据其 用途而设计的，可能小于6个自由度，也可 能大于6个自由度。
指机器人重复到达某一目标位置 的差异程度。 的差异程度 。 或 在相同的位置指令
下 ， 机器人连续重复若干次其位置的 分散情况。 分散情况 。 它是衡量一列误差值的密 集程度，即重复度。 集程度，即重复度。
o
o
机器人的分辨率和精度
• 分辨率：机器人的分辨率由系统设计参数 决定，并受到位置检测反馈元件的影响。 可分为编程分辨率和控制分辨率，编程分 辨率是指程序中可以设定的最小移动单位， 又称基准分辨率；控制分辨率是指位置反 馈回路能检测到的最小位移量。当它们相 等时，系统性能达到最佳。
1、驱动系统 、 概念： 概念：要使机器人运行起来, 需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置 作用：提供机器人各部位、各关节动作的原动力 驱动系统可以是液压传动、 气动传 动、电动传动, 或者把它们结合起来应 用的综合系统; 可以是直接驱动或者是 通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等 机械传动机构进行间接驱动。
表2-3为不同作业机器人要求的重复 精度。
工作空间（ ）：机器人 工作空间（Working space）：机器人 ）： 手腕参考点或末端操作器安装点（ 手腕参考点或末端操作器安装点（不 包括末端操作器） 包括末端操作器）所能到达的所有空 间区域， 间区域，一般不包括末端操作器本身 所能到达的区域。 所能到达的区域。
移动机器人原理与设计
移动机器人原理与设计
移动机器人的原理与设计
移动机器人是一种能够自动执行特定任务的机器人，它能够在无人监督的情况下移动、导航和完成指定的工作。
为了实现这一目标，移动机器人通常借助多种传感器和智能控制系统。
移动机器人的基本原理是通过传感器获取环境信息，经过处理与分析后，控制机器人的运动和动作。
常用的传感器包括摄像头、超声波传感器、红外线传感器、激光雷达等。
这些传感器能够帮助机器人感知周围的障碍物、地形、光线等信息，从而实现导航和避障。
在设计移动机器人时，需要考虑机器人的结构和动力系统。
机器人的结构应该能够适应不同的环境和任务要求，同时具备稳定性和灵活性。
例如，一些机器人会采用四足或六足的结构，以便在不同地形上移动。
动力系统则决定了机器人的运动模式和工作持续时间，可以使用电池、燃料电池或者其他能源。
智能控制系统是移动机器人的核心部分，它负责处理传感器信息、制定运动策略、计算路径规划和执行动作。
这个系统通常使用嵌入式计算设备，如微处理器、单片机或者嵌入式系统。
控制系统需要结合自主导航算法、运动规划算法和决策算法，以最优的方式完成任务。
在实际应用中，移动机器人可以用于各种任务，例如巡检、清洁、货物搬运、协助手术等。
它们可以在医院、工厂、仓库、
公共场所等不同的环境中发挥作用，提高生产效率、减少人力成本，并且可以应对一些危险或繁重的工作。
总体来说，移动机器人的原理与设计是基于传感器、结构和控制系统的综合应用，通过智能控制和导航实现自主移动和任务执行。
通过不断的技术创新和应用探索，移动机器人将在未来的各个领域中发挥更重要的作用。
第二章 机器人运动学PPT课件
系的位置矢量 AP、BP具有如下变换关系
APB ARBPAPBO
（2-1-12）
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ZA {A}
OA XA
ZB
ZC {C}
{B}
AP
BP YB
OB(OC)
YC
P A
BO XC YA
XB
图2.1.4 平移加旋转变换 注：坐标系{C}为过渡坐标系
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2.齐次变换
一般情况下，刚体的运动是转动和平移的复合运 动，为了用同一矩阵既表示转动又表示平移，因此引 入齐次坐标变换矩阵。
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X
偏转
Z
横滚
O船
Y
俯仰
偏转
X
Z
横滚
O
夹手
Y
俯仰
（a）
(b)
图2.1.11 RPY角的定义
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§2.2 操作臂运动学
一、机械手位置和姿态的表示
图2.2.1所示为机器人的一个机械手。 描述机械手方位的坐标系置于手指尖的 中 位心置，可其以用原矢点量由矢p在量固p表定示坐。标机系械的手坐的标 表示为
H
0
1
0
b
称为平移的齐次变换矩阵，又可表示为
0 0 1 c
0
0
0
1
HTraa,b n,c)s。(矩阵中的第四列为平移参考矢量的齐次坐标。
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Z
V
U
P
O
Y
X 图2.1.5 平移的齐次变换
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例平2移.1，求向平量移U 后i得3到j的5k向沿量向V量 。P 3i7jk
解：
1 0 0 3 1 4
系，首先需要用两个参数对每个连杆进行描述。 如图2.2.2所示，对于任意一个两端带有关节i和
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• 前进步态的优化
• 转向步态
• 转向的优化
2.2 轮式移动机器人
轮子是人类的一项重要发明
（a）标准轮 （b）小脚轮（c）瑞典轮（d）球形轮
• 轮子和底盘结构
• 轮子和平台运动方向关系
• 轮子和底盘结构选取的原则
1. 稳定性
静态稳定要求至少有3个轮子,若多于3个,需要一个悬挂系统以使所有轮子 保持与地面接触.
2. 机动性
向任意方向运动的能力,灵活性.
3. 可控性
可控性和机动性之间存在逆相关性.
• 习题：
1.试给出腿足式机器人与轮式机器人的异同点。 2.试比较两轮、三轮、四轮运动机构的运动特性。 3.什么是步态？什么是步态规划？ 4.在进行四足机器人周期性步态规划时，需要遵循 的两个原则是什么？ 5. 试简述静平衡和动平衡的概念，并举例说明。
第二章 移动机器人的运动机构
• • • • 腿足式机器人 四足机器人步态 轮式机器人 轮和底盘
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2.1 腿足式机器人
• 适应性和机动性好 • 结构和控制复杂
腿的数目
• 腿的自由度
2个自由度的腿
3个自由度的腿
动作：抬腿、摆腿、蹬腿、 弯腿 增加腿足的自由度可扩大机器人可行走的地形范围，增强了机器人以 不同步态行走的能力；附加的自由度则带来了能量、控制和负荷等方 面的问题。
• 四足机器人静态平衡方式的步态规划 1、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。
占空系数是0.75
• 前进步态(1)
• 前进步态(2)
在重心前移的过程中总是4个支持足同时 着地，发生滑动会使很多能量浪费掉。所 以，如果能够在3个足着地的状态下进行 机械足的后蹬运动就会节省更多的能量。
• 稳定性 • 静态稳定 不需要依靠运动过程中产生的惯性力而实现的稳定叫做静 态稳定 d = min{d1 ,d2 ,d3 } d>0， 稳定。 c-----重心
重心的垂直投影始终落在三足支撑点构成的三角形区域内
• 动态稳定 在运动过程中，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，这种稳定状态称为动态稳定
合力的延长线与支撑区域的交点称为零力矩点ZMP。 所受重力和惯性力的合力的延长线通过支撑区域，即S>0
• 两轮自平衡小车
摩擦力f、支持力N、重力G、惯性力F 机器人保持向前倾斜一个小角度的平衡状态 轮子必须在不断的加速，让 F惯性力保持不变 两轮自平衡机器人只能实现动态稳定
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 步态规划
步态(Gait)：是指在运动过程中，步行者的肢体在时间和空间上的一种协 调关系，是移动腿有规律的重复顺序和方式. • 支撑相：腿部着地的状态。 • 摆动相：腿由地面抬起，腿部处于空中的状态。 • 步态周期T：是指多足机器人完成一个步态所需要的时间，也就是机 器人所有腿轮番完成一次“提起—摆动—放下”的动作所花费的时间。 • 占空系数 ：在一个步态周期T内，机器人的i腿处于支撑相的时间tpi和 一个步态周期T的比值