第2章 运动 (Locomotion)
第2章 运动 (Locomotion)课程笔记。
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第2章 运动 (Locomotion)#
2.1 运动概念#
运动是机器人与环境之间的物理相互作用。 相关要素：
- 接触特征: 接触点/区、接触角度、摩擦
- 稳定性: 接触点数目、重心、地形倾斜度、静态/动态稳定性
- 环境类型: 结构、介质（水/空气/软硬地面）
自然界运动方式对比：
| 运动类型 | 阻力 | 基本运动学 |
|---|---|---|
| 流动 (液体) | 液体阻力 | 旋度 |
| 蠕动 | 摩擦力 | 纵向振动 |
| 滑行 | 摩擦力 | 横向振动 |
| 跑 | 重力 | 多节摆摆动 |
| 跳 | 重力 | 多节摆摆动 |
| 走 | 重力 | 多边形转动 |
滚动是最高效的，但自然界没进化出完整旋转关节（细菌鞭毛是微型的例外）。
2.2 腿式移动机器人#
稳定性#
- 最少需要 3条腿 实现静态稳定
- 行走时抬起腿 → 失去稳定性
- 稳态行走至少需要 6条腿
- 两足行走只能获得动态稳定性
关节自由度#
- 每条腿最少 2个自由度: 抬起 + 摆动
- 大多数每条腿 3个自由度（足部3DOF）
- 第4个自由度（踝关节）可改善行走
步态数#
步态由抬起和放下各腿的事件序列描述：
- k=2: N = 3! = 6 种
- k=6: N = 11! = 39,916,800 种
典型步态#
- 4腿: 变换式行走、急速跑、自由飞跑
- 6腿: 静态行走（最为流行）
动力学考虑#
- 利用机械结构：摆动自然震荡 + 弹簧
- Cornell Ranger: 不续航行走 64.8 km (2011)
2.3 轮式移动机器人#
基本特点#
- 轮式对大部分应用最合适
- 三轮足以保证稳定性
- 超过3轮需要柔性悬挂
四种基本轮形 ⭐#
| 轮型 | 自由度 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|---|
| a) 标准轮 | 2 DOF | 绕轮轴（驱动）+ 绕触地点转动 | 有滚动+滑动约束 |
| b) 小脚轮 (Castor) | 3 DOF | 绕轮轴 + 触地点 + 脚轮轴 | 非完整约束 |
| c) 瑞典轮 (Swedish) | 3 DOF | 绕轮轴 + 辊子 + 触地点 | 无滑动约束！ |
| d) 球形轮 (Spherical) | — | 全向运动 | 悬挂技术难 |
轮子排列配置#
三轮配置的五种基本类型：
- 全向 (三瑞典轮)
- 差动 (两固定标准轮 + 小脚轮)
- 全向动力舵轮
- 三轮 (后固定 + 前操纵)
- 双舵轮
2.4 步行还是滚动？#
| 因素 | 腿式 | 轮式 |
|---|---|---|
| 执行器数量 | 多 | 少 |
| 结构复杂性 | 高 | 低 |
| 控制代价 | 高 | 低 |
| 效率（平地） | 低 | 最高 |
| 复杂地形 | 优势 | 劣势 |
考前速记#
- 四种轮形: 标准轮 / 小脚轮 / 瑞典轮 / 球形轮
- 瑞典轮无滑动约束 — 全向运动的关键
- 步态数公式: N = (2k-1)!
- 静态稳定最少3腿，稳态行走至少6腿
- 每条腿最少2DOF，通常3DOF
- 轮式最高效，三轮够稳定