輪式移動機器人研究綜述

摘 要

伴隨著社會的快速發(fā)展，機器人被越來越多地應(yīng)用于當前的生產(chǎn)和生活當中。本文在輪式移動機器人的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，將輪式移動機器人進行了車輪數(shù)目的相應(yīng)歸類，并對輪式移動機器人的控制方式和移動機構(gòu)進行了一定討論，初步探討和研究了輪式移動機器人不同類型之間的關(guān)系，對不同類型的輪式移動機器人做了性能相關(guān)的比較，一定程度上分析了輪式移動機器人研究過程中出現(xiàn)的問題，并對其發(fā)展方向做出展望。

【關(guān)鍵詞】輪式移動機器人 探討 研究

移動機器人作為研發(fā)較早的機器人之一，主要包括履帶式、蛇行式、腿式、跳躍式、輪式和復(fù)合式等移動機構(gòu)，其中較適宜松軟地面、穿越障礙、爬樓梯等的機器人即是履帶式機器人，這類機器人具有較好的通過性能、附著性能和自復(fù)位能力，接地比壓較小。然而，履帶式機器人有功耗大、速度較慢、轉(zhuǎn)向破壞程度大等缺點。腿式機器人也能夠在復(fù)雜地形行動，且具備一些特殊的性能，然而這類機器人機構(gòu)復(fù)雜，有較多的結(jié)構(gòu)自由度，從而使得其移動速度慢、較難控制、功耗也較大。跳躍式和蛇行式機器人雖然能在特殊環(huán)境、復(fù)雜環(huán)境、機動性等方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)越性，但同時也存在運動平穩(wěn)性差、承載能力弱等缺陷。與其他類型的機器人相比較，復(fù)合式機器人既能夠充分適應(yīng)特殊或者復(fù)雜的環(huán)境，也可具備其他類機器人所不具有的特點，比如能夠變形等，然而這同時也決定了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和控制難度非常高的特性。在實際的生產(chǎn)生活過程中，盡管輪式移動機器人的運動穩(wěn)定性雖然受路況情況影響較大，控制復(fù)雜地形中的軌跡較難，但因其承載大、驅(qū)動和控制較方便、自重輕、行走速度快、機構(gòu)簡單、工作效率高、機動靈活等多種優(yōu)點，仍被農(nóng)業(yè)、工業(yè)、家庭、空間探測、反恐防爆等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 輪式移動機器人的相關(guān)研究

1.1 單輪滾動機器人

從外觀上看，單輪滾動機器人只具有一個輪子，主要運動方式為滾動式行走，球形機器人也在單輪滾動機器人的范疇之內(nèi)。關(guān)于單輪滾動機器人的研究應(yīng)用前景是廣闊的：單輪滾動機器人具有水陸兩棲的特點，適用于沼澤地和海灘等地，因此可將其用于營救、運輸、礦物探測等；單輪滾動機器人的外形纖細，可以在狹窄地方作為監(jiān)視機器人；單輪滾動機器人運動自如、受地形影響較小的特點，可運用于航天領(lǐng)域。對單輪滾動機器人的研究過程中的主要問題有：建立單輪滾動機器人的動態(tài)模型，操縱機構(gòu)和推動力的參數(shù)化和耦合問題；獲取位置傳感器相關(guān)的運動信息的方法；控制靜態(tài)不穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定的方案。

1.2 雙輪移動機器人

雙輪移動機器人可分為自行車式和兩輪左右對稱式兩種。

1.2.1 自行車機器人

自行車機器人屬于一種智能運輸工具，通常具有窄小的車體，結(jié)構(gòu)較簡單，運動較靈活，可進行小半徑的回轉(zhuǎn)，常被廣泛用于森林作業(yè)和災(zāi)難救援等。然而，由于自行車具有復(fù)雜的運動力學(xué)特征，縱向布置的兩輪本身就具有側(cè)向不穩(wěn)定性，因此，必須進行側(cè)向控制，其控制問題相對是有些難度的，對于其研究和動力學(xué)控制探討都頗具挑戰(zhàn)。研究自行車機器人過程中的主要問題有：建立和分析自行車機器人的運動模型；不同載重下自行車機器人的平衡問題；自行車機器人的有關(guān)側(cè)向穩(wěn)定的控制機理；復(fù)雜地面下自行車機器人的適應(yīng)能力。

1.2.2 兩輪左右對稱的雙輪移動機器人

兩輪移動機器人在不加裝車體的前提下能夠自由靈活轉(zhuǎn)動，如果加裝車體則會影響機器人的平衡。兩輪移動機器人的靈活性較強，行走上與兩足機器人比較相似，行為類似于火箭飛行，在機器人領(lǐng)域中兩輪移動機器人的控制系統(tǒng)和理論頗受國內(nèi)外高度重視，并逐步成為研究熱點。

1.3 三輪和四輪移動機器人

三輪和四輪移動機器人是輪式移動機器人中的常見機構(gòu)，尤其適合行走于平整地面上。目前，有關(guān)三輪和四輪移動機器人的研究較多，研究內(nèi)容主要包括運動規(guī)劃、機器人結(jié)構(gòu)、跟蹤控制、體系結(jié)構(gòu)、定位與導(dǎo)航、交互技術(shù)、智能技術(shù)等。對這類機器人的研究為多輪和復(fù)合式機器人的發(fā)展提供了一定的基礎(chǔ)，且有利于現(xiàn)代汽車工業(yè)的進步和發(fā)展。

1.4 復(fù)合式移動機器人

充分利用和發(fā)揮各類機器人的優(yōu)勢，避免或彌補其中的不足，是研制復(fù)合式機器人的必要條件。復(fù)合式移動機器人在過溝、爬坡、上下樓梯和越障方面具有很強的優(yōu)勢與能力，且運動穩(wěn)定性較強，現(xiàn)被普遍用于反恐防爆、復(fù)雜地形和空間探測等方面。

3 各種機器人的關(guān)系和對比

輪式移動機器人不同類型之間看似沒有關(guān)系，實際內(nèi)部是存在一定聯(lián)系的。例如，單輪滾動機器人的半球輪及運動控制原理就被充分應(yīng)用在兩輪移動機器人的研制中；左右對稱的兩輪移動機器人又可被安裝于三輪或四輪機器人上，作為轉(zhuǎn)向及移動機構(gòu)。

通過對各類輪式移動機器人的性能進行比較，如表1。

4 結(jié)論

機器人的行走精度和控制方式是由其構(gòu)型選擇決定的，輪式移動機器人的研制以及新構(gòu)型的出現(xiàn)，嚴重影響著輪式移動機器人的路徑規(guī)劃和移動控制。不同類型的輪式移動機器人構(gòu)建都是以其所在特定的環(huán)境為基礎(chǔ)的，隨著對機器人性能和機器人技術(shù)要求的提高，單類型的機器人已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)實的需要，只有充分的考慮機器人的控制精度、工作環(huán)境和靈活性等及材料、環(huán)保、價格、功效等多個方面，對機器人進行相適應(yīng)的研究與設(shè)計，才能更好地促進機器人領(lǐng)域的發(fā)展，滿足現(xiàn)代社會的要求。

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作者簡介

張珍珍（1987-），女，山西省晉城市人。碩士學(xué)歷?，F(xiàn)為太原學(xué)院助教。主要研究方向為計算機應(yīng)用。

作者單位

太原學(xué)院 山西省太原市 030032