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1. 简介
Locomotion 的中文翻译是运动,但实际上特指由驱动器带动机器人的机构所产生的运动。除了 Locomotion 之外还有一种运动被称为 Movement,它是指机器人沿着一定的轨迹,速度,加速度的运动。
在自然届中,常见的 Locomotion 有以下几种形式,其对应了不同物体的运动方式,和他们运动学模型。
- 流动,液体的运动方式;
- 蠕动,蠕虫的运动方式;
- 滑动,蛇的运动方式;
- 四肢盘跑,猎豹的运动方式;
- 直立行走,人类的运动方式。
但如上节所介绍的,机器人中最常见的 locomotion manner 还是轮式或者较少数量的足。因此本文的介绍重点是轮式机器人以及足式机器人。
对于轮式机器人来说,虽然轮子的灵巧性不如足或其他方式,但机器人的应用常见大多数还是平整的路面,因此轮子在这样的应用场景中并不会出现太多不便利的地方。此外,利用机械机构模仿一个生物的运动方式,其机构的复杂程度非常高,控制难度非常大。但轮子的缺点是当路不够平整或者路面的质地柔软的时候,就不便于移动。
因此,我们需要足式机器人来弥补轮式机器人的上诉缺点。足以其与地面离散的接触方式,使得其可以在不连续的地面行走,如碎石滩,楼梯,森林。但足式的缺点是其自由度较大,控制器复杂,且运动效率较轮式低。
2. 关键问题
Locomotion 本质上就是研究驱动器产生的力与机构和环境之间的关系。由此衍生出了以下的三个问题:
- 稳定性
- 接触点的数量与几何形状
- 重心
- 静态/动态稳定性
- 地形倾斜度
- 接触特性
- 接触点/路径大小和形状
- 接触角度
- 摩擦力
- 环境类型
- 结构型(如平整的路面)
- 媒介(如水,空气,沙地)
这些问题都影响着机器人 Locomotion 的机械结构设计。但本书关注的重点在于算法层面,因此对机械结构的设计不做太多讲解,指针对经典模型进行数学分析。
本文使用 Zhihu On VSCode 创作并发布
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