摘 要

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

【關(guān)鍵詞】輪式移動(dòng)機(jī)器人 探討 研究

移動(dòng)機(jī)器人作為研發(fā)較早的機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)，其中較適宜松軟地面、穿越障礙、爬樓梯等的機(jī)器人即是履帶式機(jī)器人，這類機(jī)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(jī)器人有功耗大、速度較慢、轉(zhuǎn)向破壞程度大等缺點(diǎn)。腿式機(jī)器人也能夠在復(fù)雜地形行動(dòng)，且具備一些特殊的性能，然而這類機(jī)器人機(jī)構(gòu)復(fù)雜，有較多的結(jié)構(gòu)自由度，從而使得其移動(dòng)速度慢、較難控制、功耗也較大。跳躍式和蛇行式機(jī)器人雖然能在特殊環(huán)境、復(fù)雜環(huán)境、機(jī)動(dòng)性等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性，但同時(shí)也存在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差、承載能力弱等缺陷。與其他類型的機(jī)器人相比較，復(fù)合式機(jī)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(jī)器人所不具有的特點(diǎn)，比如能夠變形等，然而這同時(shí)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(shí)際的生產(chǎn)生活過程中，盡管輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)和控制較方便、自重輕、行走速度快、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、機(jī)動(dòng)靈活等多種優(yōu)點(diǎn)，仍被農(nóng)業(yè)、工業(yè)、家庭、空間探測(cè)、反恐防爆等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 輪式移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)研究

1.1 單輪滾動(dòng)機(jī)器人

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

1.2 雙輪移動(dòng)機(jī)器人

雙輪移動(dòng)機(jī)器人可分為自行車式和兩輪左右對(duì)稱式兩種。

1.2.1 自行車機(jī)器人

自行車機(jī)器人屬于一種智能運(yùn)輸工具，通常具有窄小的車體，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)較靈活，可進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行側(cè)向控制，其控制問題相對(duì)是有些難度的，對(duì)于其研究和動(dòng)力學(xué)控制探討都頗具挑戰(zhàn)。研究自行車機(jī)器人過程中的主要問題有：建立和分析自行車機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型；不同載重下自行車機(jī)器人的平衡問題；自行車機(jī)器人的有關(guān)側(cè)向穩(wěn)定的控制機(jī)理；復(fù)雜地面下自行車機(jī)器人的適應(yīng)能力。

1.2.2 兩輪左右對(duì)稱的雙輪移動(dòng)機(jī)器人

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

1.3 三輪和四輪移動(dòng)機(jī)器人

三輪和四輪移動(dòng)機(jī)器人是輪式移動(dòng)機(jī)器人中的常見機(jī)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(dòng)機(jī)器人的研究較多，研究?jī)?nèi)容主要包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)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(duì)這類機(jī)器人的研究為多輪和復(fù)合式機(jī)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(jìn)步和發(fā)展。

1.4 復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人

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

3 各種機(jī)器人的關(guān)系和對(duì)比

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

通過對(duì)各類輪式移動(dòng)機(jī)器人的性能進(jìn)行比較，如表1。

4 結(jié)論

機(jī)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(dòng)機(jī)器人的研制以及新構(gòu)型的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響著輪式移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃和移動(dòng)控制。不同類型的輪式移動(dòng)機(jī)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(duì)機(jī)器人性能和機(jī)器人技術(shù)要求的提高，單類型的機(jī)器人已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)實(shí)的需要，只有充分的考慮機(jī)器人的控制精度、工作環(huán)境和靈活性等及材料、環(huán)保、價(jià)格、功效等多個(gè)方面，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行相適應(yīng)的研究與設(shè)計(jì)，才能更好地促進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，滿足現(xiàn)代社會(huì)的要求。

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作者簡(jiǎn)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?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位

太原學(xué)院 山西省太原市 030032