機器人實戰篇：低成本雙足機器人（切比雪夫聯杆結構、靜步行、動步行、ZMP點等概念）

引言

放假前看了一本書：09年坂本範行的《雙足步行機器人DIY》，由于該書重點強調實踐DIY，在此記錄下部分有點啟發、有點東西的知識：比如切比雪夫聯杆結構、靜步行、動步行、ZMP點。也順便記錄下DIY過程中部分核心内容。

目錄

目标對象

具體方法

一、切比雪夫聯杆結構

二、轉移重心

三、引申内容

（1）重心點的檢驗方法

（2）靜步行

（3）動步行

其它

目标對象

模拟人的走路方式，最終要做到能夠直行行走+轉向。

首先對人的走姿先進行分析：

目标是：低成本、簡易的雙足機器人。

具體方法

一、切比雪夫聯杆結構

一般可以堆砌多個轉軸關節電機去控制一條“腿”的運動，然而由于我們的目标是低成本簡易、可直行轉向的雙足機器人，不需要太靈活。是以可以使用一些巧妙的機械聯杆結構，替代發揮不了太大作用的電機，在此可以使用切比雪夫聯杆結構。該結構如下圖所示：

【生活中的聯杆結構】

挖土機的鏟子

二、轉移重心

由于重力因素，會造成上述結構難以發揮作用，機器人擡腳困難的問題，在此可以使用重心轉移的方法解決。

重心轉移：顧名思義，隻要能夠轉移重心即可，方法有好多。

1、可以使用加杠杆的方式，方法如下：

2、也可以再加一個電機在頭上，通過平移/旋轉等方法轉移重心：

前行後退：左腿擡起時，重心往右腿壓（如下左圖）。右腿同理。

左右轉彎：左腿擡起時，重心往左腿壓（如下右圖）。右腿同理。

三、引申内容

（1）重心點的檢驗方法

在紙闆上随意打兩個洞，用線拴住其中一個洞，讓紙闆自然下垂，畫出第一條垂線。第二個洞同理，兩線交點即為重心。（懸挂法）

然後再用一個夾子在底部支撐，如下圖。

發現：如果重心正下方（圖中豎線）剛好位于支撐區的話，則紙闆不倒。不在的話，就會倒。

（2）靜步行

步行時，該機器人重心的正下方有與地面相接觸的腳（整個腳即支撐區），這種步行方式叫做靜步行。

（3）動步行

與靜步行之相反的是——重心的正下方即使沒有着力點（支撐區）仍然能夠步行的方式叫做動步行。

動步行是利用了重力和慣性力的步行方式。其中，重力與慣性力合力方向與地面的交點被稱之為目标ZMP。

在目标ZMP内，慣性力與重力的合力與地面反力相平衡。

（PS：地闆反力是由地闆摩擦力引起的，這是保證機器人不倒的很重要的力）

如圖（a），機器人重心開始向左移動，向右的慣性力雖然小，但足以把目标ZMP帶到支撐區（即它的腳）内。

如圖（b），機器人重心開始向左加速移動，向右的慣性力稍微變大，足以把目标ZMP帶到支撐區内。

如圖（c），機器人重心開始向左快速移動，向右的慣性力較大，足以把目标ZMP帶到支撐區内。

其中（a）的重心下方在支撐區，（b）（c）的雖然不在支撐區，但由于目标ZMP在支撐區内，是以機器人不會倒下。

是以總結一下，動步行就是：重心的正下方即使沒有在支撐區内，但目标ZMP在支撐區内，行走不會倒下的步行方式。

其它

（1）當然，低成本的機器人往往有較大的局限性，例如難以有效率地爬坡、難以監控平衡、難以實時讀取具體資料等問題，是以往往需要搭配微機+傳感器等物品去制作機器人。

（2）另外，越是複雜的機器人對材料要求越高，可以使用——改變材料的形狀進而增強材料的強度。

（3）步行動作不宜過快，否則遙控就很困難。即轉矩不宜過大，否則遙控困難，也不宜過小，否則力氣不夠走不動。

降低電機中齒輪的的速度，即增大減速比（齒輪比），即增大齒輪間的齒輪數量差距。

（4）我分享出了書籍的PDF版，在我的資源中，當然，百度一下也能搜到資源。