輪式移動機器人研究綜述

摘 要

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

【關鍵詞】輪式移動機器人 探討 研究

移動機器人作為研發較早的機器人之一，主要包括履帶式、蛇行式、腿式、跳躍式、輪式和復合式等移動機構，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、轉向破壞程度大等缺點。腿式機器人也能夠在復雜地形行動，且具備一些特殊的性能，然而這類機器人機構復雜，有較多的結構自由度，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境、復雜環境、機動性等方面表現出獨特的優越性，但同時也存在運動平穩性差、承載能力弱等缺陷。與其他類型的機器人相比較，復合式機器人既能夠充分適應特殊或者復雜的環境，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構的復雜性和控制難度非常高的特性。在實際的生產生活過程中，盡管輪式移動機器人的運動穩定性雖然受路況情況影響較大，控制復雜地形中的軌跡較難，但因其承載大、驅動和控制較方便、自重輕、行走速度快、機構簡單、工作效率高、機動靈活等多種優點，仍被農業、工業、家庭、空間探測、反恐防爆等領域廣泛應用。

1 輪式移動機器人的相關研究

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。關于單輪滾動機器人的研究應用前景是廣闊的：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模型，操縱機構和推動力的參數化和耦合問題；獲取位置傳感器相關的運動信息的方法；控制靜態不穩定和動態穩定的方案。

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，結構較簡單，運動較靈活，可進行小半徑的回轉，常被廣泛用于森林作業和災難救援等。然而，由于自行車具有復雜的運動力學特征，縱向布置的兩輪本身就具有側向不穩定性，因此，必須進行側向控制，其控制問題相對是有些難度的，對于其研究和動力學控制探討都頗具挑戰。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側向穩定的控制機理；復雜地面下自行車機器人的適應能力。

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，在機器人領域中兩輪移動機器人的控制系統和理論頗受國內外高度重視，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，尤其適合行走于平整地面上。目前，有關三輪和四輪移動機器人的研究較多，研究內容主要包括運動規劃、機器人結構、跟蹤控制、體系結構、定位與導航、交互技術、智能技術等。對這類機器人的研究為多輪和復合式機器人的發展提供了一定的基礎，且有利于現代汽車工業的進步和發展。

1.4 復合式移動機器人

充分利用和發揮各類機器人的優勢，避免或彌補其中的不足，是研制復合式機器人的必要條件。復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勢與能力，且運動穩定性較強，現被普遍用于反恐防爆、復雜地形和空間探測等方面。

3 各種機器人的關系和對比

輪式移動機器人不同類型之間看似沒有關系，實際內部是存在一定聯系的。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，作為轉向及移動機構。

通過對各類輪式移動機器人的性能進行比較，如表1。

4 結論

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

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作者簡介

張珍珍（1987-），女，山西省晉城市人。碩士學歷。現為太原學院助教。主要研究方向為計算機應用。

作者單位

太原學院 山西省太原市 030032