小型智能机器人制作（新工科机器人工程专业规划教材）

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第3章小型机器人的设计和运动学分析 3.1自主移动机器人的机械结构 随着社会发展和科技进步，机器人在当前生产生活 中得到了越来越广泛的应用。移动机器人是研发较早的 一种机器人，移动机构主要有轮式、履带式和腿式等。 图3.1.1腿式机器人腿部坐标分析图 3.1.1腿式机器人 腿式机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，相比 传统的移动机器人，腿式行驶机构因其出色的越野能力 ，得到了机器人专家的广泛重视，在其开发和研制上投 入了大量的时间和精力，并且取得了较大的成果。图 3.1.1所示为腿式机器人腿部坐标分析图。从移动的方 式上来看，腿式移动机器人可以分为两种： 动态行走 机器人和静态行走机器人。也可根据腿的数量进行分类 。轮腿式机器人作为腿式机器人的一种，具有更强的地 形适应性，这是因为其每条腿能实现不同的动作，因而 可以依靠腿的协调动作来保持机身平稳从而适应复杂地 形，此外轮式结构的设计可保证该机器人在松软、崎岖 的地面上能以较高速度运动。但是腿式机器人也存在许 多不足之处，例如，为使腿部协调而稳定运动，从机械 结构设计到控制系统算法都比较复杂； 相比自然界的 节肢动物，仿生腿式机器人的机动性还有很大差距； 机构行走速度缓慢，控制上也存在很多困难，结构形式 也最为复杂。目前该种机器人还处在实验室研究阶段， 应用较少。 3.1.2轮式机器人 轮式机器人具有运动速度快的优点，但越野性能不 太强。随着各种各样轮子底盘的出现，轮式机器人的性 能有了很大的提高，其研究得到了国内外学者的普遍关 注。轮式移动机构运动平稳、操纵简单，适合于条件较 好的路面行走，在无人工厂中，常用来搬运零部件或做 其他工作。轮式机器人具有非常广泛的应用前景与商业 价值。 1. 车轮的结构设计 轮式移动机器人通过车轮的滚动来实现其工作任务 ，达到“移动”的目的。该类机器人车轮的形状或结构 形式取决于地面性质和车辆的承载能力。 (1) 传统的车轮形状比较适合于平坦的坚硬路面， 其形状如图3.1.2所示。 (2) 随着轮式机器人应用场合的增多，球轮、充气 球轮和锥形轮也出现在轮式机器人中，如图3.1.3所示 。充气球轮比实心车轮弹性好，能吸收因路面不平而引 起的冲击和振动。此外，充气球轮与地面的接触面积较 大，特别适合沙丘地形。 图3.1.2传统车轮形状 图3.1.3球轮、充气球轮和锥形轮 (3) 随着航天机器人的发展，超轻金属线编织轮、 半球形轮应运而生，如图3.1.4所示。这两种轮是为火 星表面移动车辆开发而研制出来的，其中超轻金属线编 织轮主要用来减轻移动机构的重量，减少升空时的发射