第四章 运动

运动是指机器人从一个地方移动到另一个地方。

一 稳定性

稳定性可分为两种：静态稳定性和动态稳定性。

静态稳定性指的是在静止时保持稳定的特性，例如保持站立而不跌倒。

我们可以在平面上画出物体的投影和支撑点的轮廓，可以看出这个轮廓将构成一个多边形。接地点所在区域也被称为多边形支撑区域。

Figure 1 重心与多边形支撑区域

对于双腿机器人来说，它的多边形支撑区域比较小，所以保持直立的时候重心比较难稳定。如果是在三脚架结构上的三腿机器人，保持静态稳定就会容易一些，当然，如果有4 条腿的话，机器人要保持站立稳定就更容易了。

1 静态稳定性

如果机器人可以在保持平衡的状态下行走，我们称为静态稳定行走。

为了保持静态稳定，行走的时候会消耗大量的能量，而且速度会比较缓慢，能源和速度的利用率低。

2 动态稳定性

动态稳定性是指，物体主动保持平衡，或者通过运动来保持平衡。

人或其他物体的平衡问题称为倒立摆问题。所谓的倒立摆问题，就是让一个钟摆（或者一根棍子）保持直立而不倒下。如果要让机器人保持动态的平衡，必须解决这个倒立摆的问题。

Figure 2 倒立摆模型

静态稳定的机器人在行走的过程中，如果能使用动态稳定的行走模式，那机器人就能实现快速和高效的行走。

二 运动步态

1 步态

步态是指机器人走路时所表现的姿态，以及走路所有的动作和顺序。

理想的机器人的步态应该具有以下特点：稳定性、快速性、能耗低、鲁棒性、简易性。

2 三角步态和交替三角步态

6条腿可以有多种行走的步态，包括静态的和动态的。

三角步态是指机器人在抬起3条腿和运动的同时，另外3条腿在地上形成三脚架的静态稳定步态。

如果每3条腿交替使用，称为交替三角步态，这是一种非常有效的行走的步态。

Figure 3 交替三角步态

Figure 4 Genghis

如果机器人拥有的腿多于6条腿，仍然可以使用交替叠波。但这种情况下使用的是叫做叠波步态的形式。

机器人技术中平衡性和稳定性是复杂的问题，如果不是必要的话，很多机器人在设计过程中会极力避免去处理这两个问题。这就是为什么大多数机器人都使用轮子或者六条腿的设计，就是为了简化运动。

三 轮子和转向装置

由于效率更高且控制相对简单，在机器人技术中轮子已经成为运动效应器的首选。

Figure 5 轮式机器人

如果机器人拥有多个轮子，那么就存在着多种控制这些轮子的方法。各个轮子可以一起运动，也可以单独运动。驱动轮子单独运动的行为称为差速转向。

Figure 6 差动驱动转向的坦克

转向装置和差动驱动是目前移动机器人首选的运动方案。

四 运动路径

让机器人运动到特定的位置有两种方法：沿特定的路径或者通过任意的路径。而沿特定的路径或轨迹比通过任意路径到达目的地更加困难。