Chap 2. Locomotion

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。