四、机器人整体结构的稳定性

结构的稳定性是指结构在外界载荷作用下，能否维持自己的形状和位置。如果结构在外界载荷作用下能够维持自己的形状和位置，则称为稳定；如果结构在外界载荷作用下无法维持自己的形状和位置，则称为不稳定。
结构的稳定性是一个相对概念，因为结构的稳定性受到外界载荷的影响。当外界载荷增加时，结构的稳定性也会受到影响。如果外界载荷增加到一定程度，结构就会变得不稳定，并可能倒塌。因此，结构的稳定性是一个动态的概念，与外界载荷的变化有关。

重心

可以认为机器人的重心就是机器人所有重量的那个“中心点”。由于重心是有重量和形 态一起决定的，在决定中心位置上，较重的部分比较轻的部分更起决定作用，远离中心的部 分要比在中心旁边的部分更起决定作用。

支撑多边形

支撑多边形是一个虚构的多边形，由机器人与地面接触的那些点 (大多是轮子) 连接起 来组成的。它由机器人的不同设计而定，但是一般情况下，任何一个稳定装置都会有一个支 撑多边形。

稳定性

使机器人稳定的原理是很简单的：重心在底部的投影要在支撑多边形内部靠近中心点的 位置，虽然不必是绝对的中心点，但是越靠近中心则机器人越稳定。由于机器人在运动中会 遇到种情况，其本身形状也会发生变化，因此在设计机器人的时候必须考虑各种运动状态时 重心应尽量满足这一要求。

重心的下垂线落在支撑多边形上

机器人比赛中，机器人设计要达到比赛要求的高度，以完成各种任务，如果在任务中机器人 首先爬上一个斜坡，下图中，我们设计的机器人能否完成这一任务呢。

 如果重心不在多边形正上方，重心会以多边形的一个边为轴，形成一个转动力矩，从而使 机器人发生倾翻。如图所示：

 为了保持机器人在运动中的稳定性，即保持重心在运动中时刻处于多边形正上方，我们可以采取降低重心的方法。

降低机器人的重心，这样在机器人倾斜的时候，重心的下投影点依然在多边形的正上方。 所以不会倾翻，依然保持稳定，如图所示：

 总之，在可以完成任务的同时尽可能降低重心的高度是很有优势的，降低重心的方法可 以有两种，其一为降低机器人的高度，这在比赛中往往会受到其它任务的约束，如要拾取某 一高度的物体，如果降低机器人的高度就会无法完成任务。因此单纯降低高度的方法并不可 行，这就可以考虑第二种方法，在底部增加配重，从而降低机器人整体的重心位置。

在运动中重心的改变

如果机器人的任务是拾取一个重的物体，这个物体的加入会使得机器人的重心发生变 化，这个时候我们就不仅要考虑机器人本身的重心问题，而且要考虑拾取的物体对机器人稳 定性的影响，如图所示：如果拾取的物体使得重心超出了支撑多边形，则机器人会发生倾倒。

 在机器人比赛中增加机械臂的外延显然是十分有利的，如何即保证机器人稳定性又可以获得 较长机械臂设计的优势呢，有以下几种方案可以参考。

1、在机器人适当位置增加配重，使重心移至支撑多边形上方，如图所示：

2、增加支撑多边形的面积，使重心的下投影点依然在多边形的正上方。

在比赛中启动机器人后，底边支撑点扩展的实例，如图所示：

 

重心的评估

重心的位置关系到机器人结构是否稳定的问题，因此在设计机器人的时候我们要考虑到机器人的重心所在的位置应该位于机器人支撑平面之内靠近中心的位置，这样机器人会更加稳定，但是确定重心位置是需要利用物理学公式进行计算的一个复杂的过程，对于我们中学生机器人设计来说，这显然有些困难了，能否更简单地确定重心的位置，以便我们尽快进行机器人的设计和结构改进呢，我们确实是可以做到的，如图所示：

评估机器人重心的简易方法

当重心经过某个平面时，机器人会发生倾倒 (注意保护机器人不会损坏)，机器人的重心， 就在这一平面上。

机器人重心的不均衡导致底盘运动发生偏移或转动。