智能机器人-（三）轮式，足式机器人的基本概念

机器人的移动方式设计与执行


一、机器人的移动方式设计

机器人的移动方式根据不同的设计目的和应用场景有所区分，主要分为仿生足式机器人与人工轮式机器人。前者因其接触面积大、静态与动态稳定性高和较大的跨越及爬坡能力而显得高效，但也因为复杂的控制需求而显得技术挑战性更高。后者则利用其定点接触与直线移动特性，提供稳定与效率较低的运动执行，且控制复杂度通常较低。

二、足式移动机器人




足的规模与稳定性质

足的数量影响着机器人的运动复杂度：足越少，其运动模式越加多样化。为确保静态稳定，至少需要三个足点支持；行进间稳定则要求四个足点以确保空中的稳定转移。

足的自由度

足部的设计需满足基本的向前运动需求，通常至少需要两个自由度——一个对应足的抬升，另一个则是摆动。尽管仅具有两个自由度可实现的基本运动，但为了适应多个方向的滑动，多数足式机器人会扩展到每条腿具备三个自由度。采用额外自由度时，机器人在进行更复杂运动的同时，控制器设计的复杂度相应增加。

步态设计

支持状态：在这一阶段，机器人的某个腿处于地面接触状态，承担承重。通过脚的移动可以调整机器人的重心位置。

转移状态：在行进过程中，处于空中的腿暂时悬空，向前或向后摆动，为下一个周期的支持状态做准备。

动力学考量

设计时需考虑能量传输代价，包括因为在启停、加速或减速过程中发生的能量损失。通过引入储能元件，比如弹簧，以期减少能量消耗。

平衡控制

实现稳定行走的核心在于精确控制机器人的平衡点。静态平衡依赖于机器人质心与地面支撑的几何特性。动态平衡涉及在不同的行走周期中，通过策略（如零力矩点、倒立摆系统、神经网络或PID控制）保持机器人稳定。

常见实例

双足仿人机器人展示了高度复杂的自主行走能力，通过静态与动态平衡策略实现多样化的步态。行走周期可以分为单腿支撑阶段（摆腿时期）与双腿支撑阶段，最终通过移动过渡阶段完成整个行走周期。

三、轮式机器人

轮式机器人以其高效性在广泛的应用中得到应用，尤其在平台平衡方面需要三个以上的轮子以提升稳定性。

轮子结构


标准轮：提供两个自由度，适于简单移动路径操纵。


脚轮（万向轮）：具备三自由度，能适应更复杂的路径变化。


瑞典轮：三个自由度设计，适应于需要灵活转向的应用。


球形轮：详细结构特性则未提供具体描述，可能涉及更加精细化的多自由度轮设计。


轮式移动平台的特性与部署

平台稳定性：利用额外轮子的数量增强稳定性；重心定位在轮子接触面构成的三角形中心，从而提供静态稳定保障。在动态稳定性方面，实现更多转向可能性。

越障能力：通过轮子尺寸调整，如采用大尺寸轮子，提供更好的越障能力。


四、移动机器人的空间坐标变换

这部分涉及机器人在复杂环境中的路径规划与定位，目前内容仍在更新中。此类讨论可能涵盖从直角坐标系到基于机器人关节或轮子运动的旋转坐标系的转换，以及如何利用这些转换实现机器人的精确运动控制与导航。

在机器人设计与控制过程中，针对不同移动方式考虑其特定的能量与平衡需求，是实现高效、稳定机器人系统的关键。