《足式移动机器人专题》由会员分享，可在线阅读，更多相关《足式移动机器人专题（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、足式移动机器人是机器人领域中最活跃的一份子，足式移动机器人具有独特的优势和更高的灵活性，能够轻松的融进人类生活，与人类协同工作，从长远来看，足式移动机器人在诸如大众服务行业、教育、医疗、无人工厂、宇宙探索等都有着潜在而又广阔的应用前景。足式移动机器人分类 自然界中总存在着一些人类难以到达（如外太空、深海等）和危险、恶劣环境（如火灾现场、辐射地区），于是就开发利用能够自主运行的可移动机器人代替人类从事一些危险和难以触及的环境方面的作业。由于足式移动机器人比其它移动机器人有着更好的地形适应能力，并且更加灵活，因此在实际中得到了更加广泛的应用。足式移动机器人按照其“腿部”的数量不同可以分为单足式移动
2、机器人、双足式移动机器人和多足式移动机器人（包括四足式移动机器人、六足式移动机器人和八足式移动机器人等）。1. 单足式移动机器人单足式移动机器人一般做成弹跳式，1980年世界上最早的弹跳机器人在麻省理工学院机器人实验室研制成功，该机器人采用连续跳跃机构，可实现连续弹跳。单足机器人结构简单，做成弹跳式可以越过数倍自身尺寸的障碍物，比其它足式机器人更加适应多障碍物的环境，在考古探测、地形勘察等领域得到了大量的应用。如图为单足式弹跳机器人。 2. 双足式移动机器人双足式移动机器人几乎可以适应各种复杂地形，对步行环境要求很低，有教高的跨越障碍能力，不仅可以在平面上行走，而且能够方便地上下台阶及通过不平
3、整、不规则或较窄的路面，它是足式移动机器人中应用最多的。双足步行机器人能突显出科技水平个性化，可提高服务水平，担当导游、服务、咨询、信息查询等角色。这不仅仅是一个服务问题和节省人力的问题，更重要的是它可以提供各种全面特殊的服务，一人可在不同的场合充当不同的角色，可以自动识别行走过程中碰到的障碍物，并做语音提示。如图为一种双足式移动机器人。 3. 多足式移动机器人多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构足式机器人，多足步行机器人具有较强的机动性和更好适应不平地面的能力,能完成多种机器人工作。常见多足式移动机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。如图为仿犬的四
4、足步行机器人。 下图为八足步行机器人。 单足步行机器人简介与其它类型的足式移动机器人相比，单足步行机器人虽然腿部结构较为简单，但其行平衡性较差、并且行走较难控制，在实际中的应用价值不大，常作为小型的教育型机器人。为了提升单足式移动机器人应用价值，常将单足式移动机器人的足部设计成弹跳式和球轮式特殊结构。单足弹跳机器人轮动与爬行都不能越过与自身大小相当的障碍，只有弹跳才能做到，弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物。弹跳结构与其它移动方式结合可以大大提高机器人的活动范围，而且弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险。单足跳跃机器人虽然实际的应用能力有限，但其独特的越障性能使其仍具备
5、一定的研究价值。Raibert在1984年设计了世界上第一个以跳跃方式运动的单腿机器人，机器人的运动被限制在一个平面内，腿部装有气缸，作用相当于弹簧，因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆。其控制器分为3个相互独立的部分，分别控制高度、前向速度和姿态。之后，美国明尼阿波利斯明尼苏达大学的研究员尼古斯古洛波洛斯和他的同事研制出一种可以跳上楼梯和搜查危险建筑物内部的微型机器人，这种机器人可以用于城市战争或帮助警察挫败处于包围之中的劫持人质的恐怖分子。单足球轮机器人传统的单足机器人由于受到腿部机械结构和运动控制的限制，很难在小范围内实现灵活的全方位移动，为解决这一问题，将足部末端的机构设计成圆
6、球体结构，从而出现了单球轮移动机器人。单足球轮移动机器人依靠圆球体在地面上移动，圆球体相当于不受方向限制的轮子，在小范围内可以灵活的全方位移动。单球轮移动机器人与地面的只有一个接触点，所以不能保持静态稳定，只能处于动态的平衡当中。单球轮机器人换向时不用转弯，当工作区域特别狭窄时，具有很强的实用性。总的来说，单球轮机器人具有以下几个优点：（1）转弯半径为零：机器人能绕本体中心旋转，不需要转弯便可以调整移动方向，可以在小空间内灵活移动；（2）无刹车系统：通过CPU控制电机提供正反转力矩，不需要减速器就能快速稳定的刹车；（3）功耗小：所需要的驱动功率较小，可延长电池供电时间；（4）体积小：相比传统多
7、轮机器人，单球轮机器人占地面积小得多。最早对单球轮移动机器人进行研究的是卡内基梅隆大学。2005年前后，卡内基梅隆大学的T.B.LauwerS、GA.Kantor和R.L.HolliS在前人研究的基础上，推出了一个新型独轮自平衡机器人“Ballbot”，如图所示，研究该机器人的主要目的在于更好的与人进行人机交互。机器人的正身是一个高度为1.5m，直径为400mm，重量为45kg的圆柱。与一般的独轮自平衡机器人最大的不同是，“Ballbot”可以灵活的向任意方向运动。单足球轮式机器人Ballbot之后在2008年，日本东北大学在圆球机器人“BallBot”的研究之上先后发明了两种类型的单球轮移动
8、机器人，分别命名为“BallIP1”和“BallIP2”。第一种机器人“BallIP1”如图（a）所示，它的总高度约1300mm，无球时的重量为12kg，球重3.6kg。之后研究的第二个机器人“BallIP2”如图（b）所示，机器人“BallIP2”的预期研究目的是运输货物，它的设计比前者要小，高度大约为500mm，无球时重量约为11kg，每个机器人所用的球轮都是一个橡皮保龄球（使用液体橡胶喷涂层），直径约为200mm。机器人“BallIP1”（左）和“BallIP2”（右）双足步行机器人简介双足步行机器人是一种有着良好的自由度，并且灵活、稳定，能够适合各种不同的环境，集机械、电子、信息、光检
9、测为一体的具有“两条腿”可以类人直立行走的机器人。双足机器人的研究历史已有近40年,早在1968年,美国通用公司试制了一台名为“Rig”的操纵型双足机器人,揭开了双足机器人研究的序幕。1972年，日本早稻田大学研制出第一台功能较全的两足步行机器人。接着，美国、南斯拉夫等学者也研制出各种两足走行机器人模型。到80年代国外的双足机器人研究进入热潮，并提出了很多非常系统的建模及控制的理论和方法。 目前双足机器人的研究已取得了一定的成果,尤其是近几年来随着驱动器、传感器、计算机软硬件等相关技术的发展,出现了大量的机器人样机,不仅实现了平地步行、上下楼梯和上下斜坡等步态,有的还能实现跑步、弹跳及跳舞等动
10、作。 双足步行机器人因其具有体积相对较小，对非结构性的复杂地面具有良好的适应性、自动化程度高，并且能耗较少、移动盲区小等优点，使其成为了机器人领域的一个重要发展方向。双足式移动机器人虽然研究难度较大，但其应用领域广泛，很多学者纷纷投入到双足机器人的研究中来，也不断研发出了适合不同工作环境的“专用”机器人，如在服务行业两足机器人可以担当导游、服务员、提供咨询等，在海洋开发方面两足机器人可以深入海底进行深海探索等。相对其它移动机器人双足步行机器人也有着一定的缺点使其应用受限，比如行进速度较低，且由于重心原因容易侧翻，不稳定等。 双足步行机器人按其行走方式的不同主要有静态步行、准动态步行和动态步行三
11、种类型。 静态步行 两足步行机器人靠地面反力和摩擦力来支撑，绕此合力作用点力矩为零的点称为零力矩点(ZMP)。在行走过程中，始终保持ZMP在脚的支撑面或支撑区域内。 准动态步行 把维持机器人的行走分为单脚支撑期和双脚支撑期，在单脚支撑期采用静态步行控制方式，将双脚支撑期视为倒立摆，控制重心由后脚支撑面滑到前脚支撑面。 动态步行 这是一种类人型的行走方式。在行走过程中，将整个驱体视为多连杆倒立摆，控制其姿态稳定性，并巧妙利用重力、蹬脚和摆动推动重心前移，实现两足步行。动态步行涉及机构控制和能源等难题，目前仍处于研究阶段，两足步行机器人可用于宇宙探测、排险及军事等方面。 双足步行机器人产品介绍 双
12、足机器人的研究始于1968年，经过半个世纪的发展，已取得了一定的成果，目前为止全球研究双足机器人的公司和组织有很多，也开发出了很多产品，并且部分产品也已经用于实践，进入到人们生活和工作中。下面列举一些比较好的双足机器人产品。2005年4月12日，ZMP公司开发出双脚步行机器人“NUVO”，该机器人具有语音识别功能，可由手机远程遥控。后来，ZMP公司又陆续开发了很多双脚步行机器人，如iPod周边机器人Miuro，说白了其实就是一款iPod音箱，不过它是第一个会自己走动的iPod音箱。该机器人通过“身体两侧”的圆形扬声器滚动行走，可连接iPod播放音乐，或通过无线接收电脑中的音乐播放。Miuro还
13、装配了遥控器控制，通过内置摄像头和传感器自主行动，在屋子里随处跟着主人播放音乐。 “NUVO”机器人2009年，日本本田公司研制的双足机器人阿西莫(ASIMO)，可以称得上是世界上最先进的类人机器人，是当时全球唯一具备人类双足行走能力的机器人。阿西莫使用日本本田公司设计开发出一种新技术，通过识别大脑头皮电流变化和血液的流动信息，实现由人的大脑意念来控制机器人。这种新技术，可以实现比如打开汽车车门或者关闭家里的暖气这样简单的动作，也许不久以后就再也不需要亲自动手了，只用坐在舒服的沙发上静静地想象整个动作过程，与大脑相连接的机器人就能帮助完成。 机器人阿西莫 随着步行机器人的不断发展，其功能、用途
14、、种类也不断增多。比如2010年9月日本千叶工业大学研究人员制造出一个双脚步行的机器人“大力士”core，它能一次运载100公斤重的物品。“core”高约2米，重230公斤，通过两条腿步行前进，在运送重物时，其双腿能做出屈伸动作。“core”使用的单台发动机设计输出功率为1.2千瓦，最大可达3千瓦，相当于小型摩托车发动机输出功率的5倍，core的每条腿上各有6台这种发动机。设计人员还为“core”的腿部添加了特殊结构，当它的脚落在地面时，其腿部可吸收约80%的冲击力。 “大力士”机器人core 2011年8月，美国密歇根州大学的实验室研制出一款能够像人类一样奔跑的机器人，让双腿机器人的敏捷性和
15、效率达到一个新的高度。这款机器人名为“MABEL”，最高速度可达约每小时11公里，据信是世界上速度最快的双腿有膝机器人。MABEL重量分布方式与人类相似，它的躯干更重，腿部轻巧而灵活，装有充当肌腱的弹簧。MABEL每跨一步时在空中的停留时间占到40%，就像是一个真正的奔跑者。在穿行于复杂地形和进入建筑物内执行任务方面，具备出色奔跑能力的双腿机器人拥有优势。MABEL可以充当机器人士兵或者营救人员进入着火的房屋搜寻幸存者。 机器人“MABEL”多足步行机器人简介在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同
