智能機(jī)器人原理與應(yīng)用 課件 第2章 智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》第二章

智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人的移動(dòng)取決于其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。高性能的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種復(fù)雜行為的重要保障，機(jī)器人動(dòng)作的穩(wěn)定性、靈活性、準(zhǔn)確性、可操作性將直接影響智能機(jī)器人的整體性能。通常，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由移動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，它們?cè)诳刂葡到y(tǒng)的控制下完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，合理選擇和設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)中一項(xiàng)基本而重要的工作。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式層出不窮，行走、跳躍、跑動(dòng)、滾動(dòng)、滑動(dòng)、游泳等不少?gòu)?fù)雜奇特的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化和商業(yè)化階段。如表所示，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往來(lái)自自然界生物運(yùn)動(dòng)的啟示。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式表2.1常見自然界生物運(yùn)動(dòng)形式與智能機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)基本模型對(duì)比北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通?；谝韵略瓌t：2.

移動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇(1)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率最高，但其適應(yīng)能力、通行能力相對(duì)較差。(2)履帶機(jī)器人對(duì)于崎嶇地形的適應(yīng)能力較好，越障能力較強(qiáng)。(3)腿式機(jī)器人的適應(yīng)能力最強(qiáng)，但效率一般不高。為了適應(yīng)野外環(huán)境，室外移動(dòng)機(jī)器人需要采用履帶式行動(dòng)機(jī)構(gòu)。(4)一些仿生機(jī)器人則是通過(guò)模仿某種生物的運(yùn)動(dòng)方式而采用相應(yīng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如機(jī)器蛇采用蛇行式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器魚則采用尾鰭推進(jìn)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。(5)在軟硬路面相間、平坦與崎嶇地形特征并存的復(fù)雜環(huán)境下，采用幾何形狀可變的履帶式和復(fù)合式(包括輪-履式、輪-腿式、輪-履-腿式等)。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在相對(duì)平坦的地面上，車輪式移動(dòng)方式十分優(yōu)越。車輪的形狀或結(jié)構(gòu)取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運(yùn)行時(shí)多采用實(shí)心鋼輪，在室內(nèi)路面行駛時(shí)多采用充氣輪胎。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪和多輪機(jī)構(gòu)。1輪及2輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)存在穩(wěn)定性問(wèn)題，所以實(shí)際應(yīng)用的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用3輪和4輪。3輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般是一個(gè)前輪、兩個(gè)后輪。4輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，4輪機(jī)構(gòu)可采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。2.1.1輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪的選擇通常基于以下因素考慮。(1)驅(qū)動(dòng)輪直徑：在不降低機(jī)器人的加速特性的前提下，盡量選取大輪徑，以獲得更高的運(yùn)行速度。(2)輪子材料：橡膠或人造橡膠最佳，因?yàn)橄鹉z輪有更好的抓地摩擦力和減震特性，在絕大多數(shù)場(chǎng)合都可以使用。(3)輪子寬度：寬度較大，可以取得較好的驅(qū)動(dòng)摩擦力，防止打滑。(4)空心/實(shí)心：輪徑大時(shí)，盡量選取空心輪，以減小輪子重量。根據(jù)移動(dòng)特性可將輪式機(jī)器人分為非全向和全向兩種。(1)若所具有的自由度少于三個(gè)，則為非全向移動(dòng)機(jī)器人。汽車便是非全向移動(dòng)的典型應(yīng)用。(2)若具有完全的三個(gè)自由度，則稱為全向移動(dòng)機(jī)器人。全向移動(dòng)機(jī)器人非常適合工作在空問(wèn)狹窄有限、對(duì)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性要求高的場(chǎng)合，具體有1輪、2輪、3輪、4輪等形式。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.1所示的掃地機(jī)器人就是一個(gè)典型的2輪差速移動(dòng)機(jī)構(gòu)?；谌缦录僭O(shè)建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：路面為光滑平面；機(jī)器人縱向做純滾動(dòng)，沒有側(cè)向滑移；機(jī)器人的左右輪半徑R、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輪心間的距離2L等其他有關(guān)參數(shù)在機(jī)器人負(fù)載與空載情況下是相同的。1.兩輪差動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.1掃地機(jī)器人2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2.32輪差動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)因此式(2.2)不可積，說(shuō)明機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)約束條件是一個(gè)非完整約束。因此可建立機(jī)器人的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程為：,,(2.5)即：(2.6)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可得下列運(yùn)動(dòng)方程：

(2.7)(2.8)由式(2.8)分析可知：若

，質(zhì)心的角速度為0，機(jī)器人將沿直線運(yùn)動(dòng)；若

，質(zhì)心的線速度為0，則機(jī)器人將原地轉(zhuǎn)身，即機(jī)器人以零半徑轉(zhuǎn)彎。在其他情況下，機(jī)器人將圍繞圓心以零到無(wú)窮大的轉(zhuǎn)彎半徑做圓周運(yùn)動(dòng)。將(2.7)、(2.8)代入式(2.6)得：（2.9）2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖2.43輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.4（a），前輪由操舵結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)合并而成，由于操舵和驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器都集中在前輪，所以該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。該結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑可以從0到無(wú)限大連續(xù)變化，但是由于輪子和地面之間存在滑動(dòng)，絕對(duì)的0轉(zhuǎn)彎半徑很難實(shí)現(xiàn)。圖2.4（b），前輪為操舵輪，后兩輪由差動(dòng)齒輪裝置驅(qū)動(dòng)，但是該方法在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中也不多。圖2.4（c），前輪為萬(wàn)向輪，僅起支撐作用，后兩輪分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從零到無(wú)限大任意設(shè)定。其旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動(dòng)軸的直線上，所以旋轉(zhuǎn)半徑即使是0，旋轉(zhuǎn)中心也與車體的中心一致。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)3.全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，是指不改變機(jī)器人姿態(tài)的同時(shí)可以向任意方向移動(dòng)，且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運(yùn)動(dòng)非常靈活。全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括全向輪、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸系以及運(yùn)動(dòng)控制器幾個(gè)部分。圖2.5(a)給出了幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式，圖2.5(b)闡明了全向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)。圖2.5（b）全向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)圖2.5（a）幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)由于全向輪機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的限制，驅(qū)動(dòng)輪數(shù)大于或等于3，才能實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的全向移動(dòng)，并且行駛的平穩(wěn)性、效率和全向輪的結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。圖2.6所示為3輪全向移動(dòng)底盤。圖2.63輪全向移動(dòng)底盤1）三輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)三輪全向底盤的驅(qū)動(dòng)輪一般由三個(gè)完全相同的全向輪組成，并由性能相同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。各輪徑向?qū)ΨQ安裝，夾角為120°。建立如圖2.7所示的世界坐標(biāo)系

和機(jī)器人坐標(biāo)系。2.7三輪全向底盤運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)

三輪全向移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系的原點(diǎn)與其中心重合，L為機(jī)器人中心與輪子中心的距離，

為

與

的夾角，

為第

個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，

為輪子與

的夾角。

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

（2.11）考慮到機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及所設(shè)立的坐標(biāo)系的客觀情況可知：

，將其代入（2.11）并寫成矩陣形式可以得到三輪全向底盤運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

(2.12)

式（2.12）描述了三輪全向移動(dòng)機(jī)器人在地面坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)的速度與驅(qū)動(dòng)輪線速度之間的關(guān)系。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2）4輪Mecanum輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)4輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤的一種布置方式如下圖所示。圖2.84輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤（1）比3輪全向移動(dòng)底盤更大的驅(qū)動(dòng)力、負(fù)載能力以及更好的通過(guò)性；與3輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，四輪Mecanum輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（2）在4個(gè)輪子分別安裝有電機(jī)的情況下，4輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤能擁有冗余，在一個(gè)輪子故障的情況下依然能夠運(yùn)行。但4輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤的成本更高，更不易于維護(hù)。由于增加了一個(gè)輪子，其在不平整的地面上行進(jìn)時(shí)極有可能出現(xiàn)一個(gè)輪子懸空的情況，這將導(dǎo)致機(jī)器人在計(jì)算輪速時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1.2履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征是將圓環(huán)狀的無(wú)限軌道履帶卷繞在多個(gè)車輪上，使車輪不直接同地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平狀況。它具有穩(wěn)定性好、越野能力和地面適應(yīng)能力強(qiáng)、牽引力大等優(yōu)點(diǎn)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，能量消耗大，減振性能差，零件易損壞。圖2.9履帶式移動(dòng)機(jī)器人2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)常用履帶通常為方形或倒梯形（如圖2.10所示），履帶機(jī)構(gòu)主要由履帶板、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、支撐輪、托帶輪和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。圖2.10履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)

為進(jìn)一步改善對(duì)地面環(huán)境的適應(yīng)能力和越障能力，履帶結(jié)構(gòu)衍生出很多派生機(jī)構(gòu)。圖2.11給出了一種典型的帶前擺臂的關(guān)節(jié)式履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)。2.11關(guān)節(jié)式履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）同步帶/齒形帶同步帶/齒形帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。幾種常見的同步帶和帶輪如圖2.12所示。圖2.12常見的同步帶和帶輪2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)同步帶/齒形帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。在同步帶傳動(dòng)中，由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶作為履帶的優(yōu)點(diǎn)：(1)效率高，最高效率能達(dá)到90%以上。(2)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)同步帶規(guī)格選擇節(jié)距、齒數(shù)、長(zhǎng)度、寬度。同步帶作為履帶的缺點(diǎn)：同步帶一旦選定，長(zhǎng)度、寬度就是固定的，因此基本上屬于定制。設(shè)計(jì)不同的履帶式平臺(tái)就需要不同的同步帶，這限制了同步帶作為履帶應(yīng)用的靈活性。（2）活節(jié)履帶活節(jié)履帶是將履帶分解為單獨(dú)的履塊，通過(guò)軸對(duì)各節(jié)履塊進(jìn)行連接，類似金屬表帶或自行車鏈條的連接方式。一種典型的活節(jié)履帶如圖2.13所示。圖2.13活節(jié)履帶2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)活節(jié)履帶的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)的履塊簡(jiǎn)單，可以用注塑成型的方法制造，可以以單節(jié)履塊為單位任意增減，因此具有較好的靈活性。單節(jié)履塊上可以裝配各種類型的履帶齒，適應(yīng)不同地形。而且活節(jié)履帶的履塊中部可以設(shè)計(jì)側(cè)向限位塊，帶輪無(wú)須擋邊就可以防止履帶從帶輪側(cè)面脫出?；罟?jié)履帶的缺點(diǎn)：由于各履塊之間靠連桿連接，因此連桿處受力較大，整個(gè)履帶的承載能力弱于同步帶式履帶，并且由于活節(jié)履塊為剛性結(jié)構(gòu)，理論效率較同步帶式履帶低，運(yùn)行噪音也會(huì)較大。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)3.

一體式履帶一體式專用履帶的基本結(jié)構(gòu)采用同步帶的形式，具備側(cè)向定位，因此能很好地避免履帶脫出且效率高承載力大。但是履帶設(shè)計(jì)較復(fù)雜，成本較高，多用于大型機(jī)器人。一種典型的一體式履帶如圖2.14所示。圖2.14一體式履帶同步帶履帶的最大缺點(diǎn)是缺乏側(cè)向定位，帶輪上需要附加擋邊來(lái)防止履帶脫出；活節(jié)履帶的最大缺點(diǎn)是效率較低，且承載能力有限。2.1.3腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)腿式機(jī)器人顧名思義就是使用腿系統(tǒng)作為主要進(jìn)行方式的機(jī)器人，如圖2.15所示。圖2.15各種足式機(jī)器人1.腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)(1)腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，可自主選擇離散的立足點(diǎn)，在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)必須面臨最壞地形上的幾乎所有的點(diǎn)。(2)腿式運(yùn)動(dòng)方式還具有主動(dòng)隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)。(3)多自由度系統(tǒng)有利于保持穩(wěn)定，并在失去穩(wěn)定的條件下進(jìn)行自恢復(fù)。(4)腿式行走機(jī)構(gòu)在不平地面和松軟地面上的動(dòng)速度較高，能耗較少。已有的類人機(jī)器人步行研究顯示，被動(dòng)式機(jī)構(gòu)可以在沒有主動(dòng)能量輸入的情況下，完全采用重力作為驅(qū)動(dòng)力完成下坡等動(dòng)作。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)腿式機(jī)器人的構(gòu)思來(lái)源于對(duì)腿式生物的模仿，在研究足式機(jī)器人的特征時(shí)，我們主要考慮以下幾個(gè)方面：

(1)腿的數(shù)目；(2)腿的自由度；(3)穩(wěn)定性。

2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)3.典型腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

（1）四足移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.16BigDog圖

四足機(jī)器人的常見控制方法可分為以下三類：(1)基于模型的控制方法。(2)基于行為的控制方法。(3)生物控制方法是一種融合生物科學(xué)和工程技術(shù)的新型控制方法。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)兩腿步行移動(dòng)機(jī)構(gòu)人類的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是靠肌肉收縮實(shí)現(xiàn)的。人類的上肢有52對(duì)肌肉，下肢有62對(duì)肌肉，背部有112對(duì)肌肉，胸部有52對(duì)肌肉，腰部有8對(duì)肌肉，頸部有16對(duì)肌肉，頭部有25對(duì)肌肉。要控制好這個(gè)有正400個(gè)具有雙作用促動(dòng)器的多變量系統(tǒng)，目前看幾乎是不可能的。設(shè)計(jì)步行機(jī)構(gòu)必須簡(jiǎn)化，只考慮其基本的運(yùn)動(dòng)功能。圖2.18是一個(gè)具有16個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)(三維特征點(diǎn))的三維人體骨架模型。圖2.18人體三維骨架模型2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）類人機(jī)器人穩(wěn)定性判斷依據(jù)通常來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性可以分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。1)靜態(tài)穩(wěn)定是指機(jī)器人的全身質(zhì)心COM(centerofmass)在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中始終落在雙腳支撐域內(nèi)，如果機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的任何時(shí)刻停止，必將保持穩(wěn)定，不會(huì)摔倒。2)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，質(zhì)心可以偏離雙腳支撐域外，但是ZMP點(diǎn)必須落在支撐域內(nèi)。（2）類人機(jī)器人行走方式從行走方式來(lái)講，兩足走行的行走方式主要有以下三種。1)靜態(tài)步行；2)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行；3)動(dòng)態(tài)步行。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（3）類人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)規(guī)劃包括動(dòng)作規(guī)劃、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、路徑規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃。1)動(dòng)作規(guī)劃的結(jié)果是指類人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)某個(gè)動(dòng)作需要的各個(gè)關(guān)節(jié)自由度的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及實(shí)現(xiàn)該軌跡所需要輸入的力矩的變化。2)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)劃則在基本動(dòng)作規(guī)劃之上，主要考慮規(guī)劃那些使機(jī)器人能夠適合人類環(huán)境的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃的結(jié)果除了考慮運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性之外，還可以結(jié)合運(yùn)動(dòng)所消耗的能量、時(shí)間等性能指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)的可行性方面進(jìn)行研究。3)路徑規(guī)劃是指動(dòng)態(tài)環(huán)境中的避障問(wèn)題，任務(wù)規(guī)劃是指上升到任務(wù)級(jí)的終端決策規(guī)劃。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)4.運(yùn)動(dòng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)（1）基于仿生學(xué)的步態(tài)規(guī)劃基于仿生學(xué)的步態(tài)規(guī)劃就是用傳感器記錄下人類步行時(shí)的各個(gè)數(shù)據(jù)軌跡(humanmotioncapturedata，HMCD)，經(jīng)過(guò)修正處理之后直接用于類人機(jī)器人上?；贖MCD的仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃流程如圖2.19所示。圖2.17基于HMCD的仿人機(jī)器人的復(fù)雜動(dòng)作設(shè)計(jì)流程2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（2）基于動(dòng)力學(xué)模型的步態(tài)規(guī)劃

基于動(dòng)力學(xué)模型規(guī)劃方法是根據(jù)機(jī)器人的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型直接計(jì)算出重心的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到關(guān)節(jié)角的軌跡。其動(dòng)力學(xué)模型有：倒立擺模型、連桿模型。圖2.217連桿的類人機(jī)器人模型圖2.20（a）

二維倒立擺模型2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（3）基于智能算法的步態(tài)規(guī)劃在類人機(jī)器人上使用最多的智能算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)以及它們的結(jié)合構(gòu)成的混合進(jìn)化算法。（4）被動(dòng)動(dòng)力學(xué)步態(tài)規(guī)劃被動(dòng)動(dòng)態(tài)行走被認(rèn)為是一種有效并且簡(jiǎn)單的行走方法。20世紀(jì)初，一種完全被動(dòng)步行的裝置就已經(jīng)被制造出來(lái)。用這種方法設(shè)計(jì)的機(jī)器人，行走的效率要比當(dāng)時(shí)使用參考軌跡控制方法的機(jī)器人的效率高上10倍。2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2.1運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)在二維平面上運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人主要有以下3種控制任務(wù)：(1)姿態(tài)穩(wěn)定控制；(2)路徑跟蹤控制；(3)軌跡跟蹤控制。圖2.23智能機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定控制示意圖圖2.24智能機(jī)器人路徑跟蹤控制示意圖圖2.25智能機(jī)器人軌跡跟蹤控制示意圖2.2.2速度控制為簡(jiǎn)化問(wèn)題的復(fù)雜性，通常不對(duì)機(jī)器人直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，而將機(jī)器人近似看成恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則機(jī)器人的速度可以轉(zhuǎn)化為帶負(fù)載的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。機(jī)器人速度控制結(jié)構(gòu)如圖2.26所示。圖2.26機(jī)器人速度控制結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2.3位置控制機(jī)器人位置控制模式框圖如圖2.27所示。期望位置和感知位置之間的位置偏差通過(guò)位置控制器和一個(gè)位置前饋環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成速度給定信號(hào)，借助于如圖2.27所示結(jié)構(gòu)的速度內(nèi)環(huán)將位置控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的位置控制。圖2.27機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2.4航向角控制航向控制是路徑跟蹤的基礎(chǔ)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。移動(dòng)機(jī)器人的位置偏差和航向偏差最終都將轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速偏差的控制。這就需要根據(jù)機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)規(guī)劃航向控制，航向控制借助于兩輪之間的位移差來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2.28機(jī)器人航向控制結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略2.3.1PID控制器PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并具有較強(qiáng)的魯棒性，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制及其他各種工業(yè)過(guò)程控制中。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)用PID控制技術(shù)最方便，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。PID控制的參數(shù)整定是否合適，是其能否在實(shí)用中得到好的控制效果的前提。圖2.29PID控制結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略2.3.2自適應(yīng)控制自從應(yīng)用角度，自適應(yīng)控制大體可以歸納為兩類：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。如圖2.30所示，模型參考自適應(yīng)控制的基本思想是在控制器—控制對(duì)象組成的閉環(huán)回路外再建立一個(gè)由參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)回路。參考模型的輸出(狀態(tài))就是系統(tǒng)的理想輸出(狀態(tài))。圖2.30模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略2.3.3變結(jié)構(gòu)控制

變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。如圖2.31所示。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)(如偏差及各階導(dǎo)數(shù)等)，以躍變的方式、有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按預(yù)定的滑動(dòng)模態(tài)狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。它在非線性控制和數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等伺服系統(tǒng)以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制等領(lǐng)域中獲得了許多成功的應(yīng)用。圖2.31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3機(jī)器人的控制策略2.3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由于固有的任意非線性函數(shù)逼近優(yōu)勢(shì)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各種非線性工程領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制即是其中一個(gè)重要方面，這是由于其非線性映射能力、實(shí)時(shí)處理能力和容錯(cuò)能力使然。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用領(lǐng)域，目前應(yīng)用得較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為多層前向網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.32所示。圖2.32BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制常用的基本策略如下：1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其他控制器進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后逐漸取代原有控制器的方法，稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)一組含系統(tǒng)操作策略的訓(xùn)練樣本，即可掌握從傳感器輸入到執(zhí)行器控制行為間的映射關(guān)系。圖2.33神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制2.3機(jī)器人的控制策略2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制就是將被控對(duì)象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型直接與被控對(duì)象串聯(lián)起來(lái)，以便使期望輸出(即網(wǎng)絡(luò)輸入)與對(duì)象實(shí)際輸出之間的傳遞函數(shù)等于1，從而在將此網(wǎng)絡(luò)作為前饋控制器后，使被控對(duì)象的輸出為期望輸出。圖2.34神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為自適應(yīng)控制中的參考模型。從應(yīng)用角度看，自適應(yīng)控制大體上可以歸納成兩類：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。2.3機(jī)器人的控制策略2.3機(jī)器人的控制策略1.基本模糊控制圖2.35模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊控制的核心部分是模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2.35所示，主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱模糊判決)三部分。模糊控制器的實(shí)現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實(shí)現(xiàn)，或由計(jì)算機(jī)(或微處理機(jī))的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程如下。求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差。

計(jì)算誤差變化率。輸入量的模糊化。控制規(guī)則。模糊推理。反模糊化。計(jì)算機(jī)執(zhí)行完1~6步驟后，即完成了對(duì)被控對(duì)象的一步控制，然后等到下一次A/D采樣，再進(jìn)行第二步控制。

2.模糊PID控制圖2.36模糊PID的結(jié)構(gòu)原理圖2.3機(jī)器人的控制策略

2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于人的肌肉，它通過(guò)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來(lái)控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作狀態(tài)，以完成不同的任務(wù)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用以下幾種驅(qū)動(dòng)器：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（包括伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)），液壓驅(qū)動(dòng)器，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，形狀記憶金屬驅(qū)動(dòng)器，磁性伸縮驅(qū)動(dòng)器。其中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器尤其是伺服電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)不同于一般的電動(dòng)機(jī)，它具有以下特點(diǎn)及要求：(1)可控性。(2)高精度。(3)可靠性。(4)快速性。(5)環(huán)境適應(yīng)性。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.1直流伺服電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講，目前的直流伺服電動(dòng)機(jī)就是小功率的直流電動(dòng)機(jī)。盡管近年來(lái)直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其他電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但是直流有刷電動(dòng)機(jī)的功率密度大，尺寸小，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要交流電，因此目前仍被大量使用于移動(dòng)機(jī)器人等場(chǎng)合。1.特點(diǎn)(1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。(2)調(diào)速范圍寬，且運(yùn)行速度平穩(wěn)。(3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化。(4)電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。

2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.轉(zhuǎn)速控制方法直流有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電壓成正比,轉(zhuǎn)矩與電流成正比。對(duì)于同一臺(tái)直流有刷電動(dòng)機(jī)，電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩這三者之間的關(guān)系如圖2.37所示。可以看到，在相同的電壓下，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)矩越大；在相同的轉(zhuǎn)矩下，電壓越高，轉(zhuǎn)速越大；在相同的轉(zhuǎn)速下，電壓越高，轉(zhuǎn)矩越大。圖2.37電壓、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩三者關(guān)系2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)3.參數(shù)與選用選用直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，可根據(jù)上述參數(shù)考慮，需要注意的問(wèn)題有以下幾個(gè)方面。(1)一般考慮工作轉(zhuǎn)矩的大小，良好的轉(zhuǎn)矩意味著加速性能好。(2)盡量確保每個(gè)電動(dòng)機(jī)的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩>機(jī)器人的重量X輪子半徑。(3)工作電流，該值乘以額定電壓就得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平均功率。電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，或在高出額定電壓時(shí)運(yùn)行，應(yīng)給電動(dòng)機(jī)加上散熱槽，避免線圈熔化。(4)電機(jī)失效電壓。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.2交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī)。其控制方法主要有3種：幅值控制、相位控制和幅相控制。這種電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)電刷和換向器；缺點(diǎn)是易產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，特性非線性且較軟，效率較低。交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量較直流電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣的體積下，交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10%~70%。此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。在工業(yè)領(lǐng)域，交流伺服驅(qū)動(dòng)已有取代直流伺服驅(qū)動(dòng)之勢(shì)。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，其驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)又可以分為無(wú)刷速率電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)。一般地，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波(一般是方波)，另一種是正弦波。有時(shí)將前一種電動(dòng)機(jī)叫作直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，后一種叫作交流伺服電動(dòng)機(jī)，確切地講是交流伺服電動(dòng)機(jī)的一種。圖2.39給出了市場(chǎng)上容易買到的、常用于制作機(jī)器人的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。(a)航模用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(b)馬克森電機(jī)2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.4直線電動(dòng)機(jī)普通的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)都是旋轉(zhuǎn)。如果需要得到直線運(yùn)動(dòng)，就必須通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)或者齒輪齒條機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。這樣顯然增加了復(fù)雜性，增加了成本，降低了運(yùn)動(dòng)的精度。直線電動(dòng)機(jī)是一種特殊的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，可以理解為將無(wú)刷電動(dòng)機(jī)沿軸線展開，鋪平；定子上的繞組被平鋪在一條直線上，而永久磁鋼制成的轉(zhuǎn)子放在這些繞組的上方。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.5空心杯直流電動(dòng)機(jī)空心杯直流電動(dòng)機(jī)屬于直流永磁電動(dòng)機(jī)，與普通有刷、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別是采用無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子是直接采用導(dǎo)線繞制成的，沒有任何其他的結(jié)構(gòu)支撐這些繞線，繞線本身做成杯狀，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。空心杯電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)。(1)由于沒有鐵芯，極大地降低了鐵損。(2)激活、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快。(3)可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性。(4)電磁干擾少。(5)能量密度大。2.4.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，其角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。1.特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)就是可以直接接受計(jì)算機(jī)的方向和速度的控制，控制信號(hào)簡(jiǎn)單，便于數(shù)字化，而且具有調(diào)速方便、定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、誤差不長(zhǎng)期累積等優(yōu)點(diǎn)。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.7舵機(jī)舵機(jī)，顧名思義是控制舵面的電動(dòng)機(jī)。舵機(jī)最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源，但是由于舵機(jī)具有很多優(yōu)秀的特性，制作機(jī)器人時(shí)也時(shí)常能看到它的應(yīng)用。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)1.舵機(jī)的結(jié)構(gòu)一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。圖2.4