溜冰机器人运动学分析

注意：本论文已在《上海交通大学学报》2002,36 (9):1365－1369发表
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宋立博,　吕恬生,　张家梁,　费燕琼
(上海交通大学机械工程学院，上海，200030)

摘要：依据Roller-walker和ALDURO重新设计了采用腿轮混合结构的溜冰机器人。在简要介绍常规的运动学分析方法的基础上，建立了相关的惯性坐标系和滚轮坐标系，并根据滚轮在法向无滑动、切向作纯滚动的假设建立了中心定位轮的运动约束方程。然后，建立了机器人的运动学模型，并讨论了机器人的移动性问题，得出机器人存在运动的条件。同时，设计了溜冰机器人运动学状态空间表达式。最后，以溜冰机器人为例分析了其转弯和直线滑行时的运动学问题。
关键词 溜冰机器人，移动机器人，运动学，状态空间
中图分类号: TP242.1 文献标识码 A

Kinematic Analysis of Ice-Skater Robot

SONG Li-bo LÜ Tian-sheng ZHANG Jia-liang FEI Yan-qiong
(School of Mechanical Engineering of Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200030)

ABSTRACT A Ice-skater Robot of leg-wheel type is redesigned according to Roller-walker and ALDURO. On the basis of introduction of kinematic analysis methods, the paper founds the stationary coordinate system and the wheel coordinate system respectively. Meanwhile, the kinematic constraint equations of the standard centered orientable wheel is founded on the assumption that there is no slippage in normal direction and pure rolling in tangential direction of the wheels. Then, the kinematic model is modeled and the mobility is discussed in the paper. And the motion condition equation of the robot is gotten in sequence. Meanwhile, the paper designs the kinematic state space representation of the Ice-skater Robot. At last, the paper analyzes the kinematics of the Ice-skater Robot when it turns and skates forwards respectively. 
KEYWORDS Ice-skater Robot，Mobile robot,，Kinematics，State space 

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    与普通移动机器人不同的是，溜冰机器人无直接的驱动装置、换向装置和刹车装置，并且同时含有腿和滚轮。其运动条件也与普通的移动机器人不同，在运动时不仅需要调节腿的位姿以获得滚轮法向的滑动摩擦力，也需要调整滚轮方向角使滑动摩擦力合成转换为摩擦驱动力。也就是说，这种从动轮式移动机器人的运动和运动控制需要考虑三个条件:1)如何产生滑动摩擦力;2)如何将滑动摩擦力转换为驱动力;3)如何确定机器人的运动方向。其中，滑动摩擦力的产生是依靠腿相对于其纵向对称线的摆动产生，依靠滚轮方向角度周期调整将滑动摩擦力转换为摩擦驱动力，同时，使用运动学(半)逆解法确定定向滚轮的方向角。前两个条件就是滚轮方向角相容方程，最后一个条件就是在平衡问题上考虑的运动学问题。
    但是，这些分析是建立在滚轮纯滚动和无滑动的非完整约束运动假设基础之上，也没有考虑系统的机械结构误差和安装误差，因此在实际应用中滚轮存在轻微的滑动现象。建议在分析运动学、动力学，搭建控制系统时考虑这些因素。2003.12.08.

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