輪式移動機器人研究現(xiàn)狀與展望

輪式移動機器人研究現(xiàn)狀與展望

0在復雜地形下的應用和控制問題隨著社會的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，機器人在當前的生產(chǎn)生活中得到了越來越大的應用。移動機器人是研發(fā)較早的一種機器人,移動機構(gòu)主要有輪式、履帶式、腿式、蛇行式、跳躍式和復合式。其中履帶式具有接地比壓小,在松軟的地面附著性能和通過性能好,爬樓梯、越障平穩(wěn)性高,良好的自復位能力等特點。但是履帶式移動平臺的速度較慢、功耗較大、轉(zhuǎn)向時對地面破壞程度大。腿式機器人雖能夠滿足某些特殊的性能要求,能適應復雜的地形,但由于其結(jié)構(gòu)自由度太多、機構(gòu)復雜,導致難于控制、移動速度慢、功耗大。蛇行式和跳躍式雖然在某些方面,如復雜環(huán)境、特殊環(huán)境、機動性等具有其獨特的優(yōu)越性,但也存在一些致命的缺陷,如承載能力、運動平穩(wěn)性等。復合式機器人雖能適應復雜環(huán)境或某些特殊環(huán)境,如管道,有的甚至還可以變形,但其結(jié)構(gòu)及控制都比較復雜。相比之下,輪式移動機器人雖然具有運動穩(wěn)定性與路面的路況有很大關(guān)系、在復雜地形如何實現(xiàn)精確的軌跡控制等問題,但是由于其具有自重輕、承載大、機構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走速度快、機動靈活、工作效率高等優(yōu)點,而被大量應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、反恐防爆、家庭、空間探測等領(lǐng)域[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。按照車輪數(shù)目雖然不能對輪式移動機器人進行嚴格的歸類,但是不同的車輪數(shù)目依然決定了不同的控制方式,例如滾動機器人和四輪移動機器人顯然在控制原理上是不同的。作者通過回顧輪式移動機器人研究已取得的主要成果,按車輪數(shù)目對地面移動機器人進行了歸類分析,對單輪滾動機器人、兩輪移動機器人、三輪及四輪移動機器人、復合式(帶有車輪)移動機器人進行了分析和總結(jié)。1關(guān)于研究現(xiàn)狀1.1單輪滾動軸承和動態(tài)模型的建立單輪滾動機器人是一種全新概念的移動機器人。從外觀上看它只有一個輪子,它的運動方式是沿地面滾動前進,后來又開發(fā)出的球型機器人也屬于單輪滾動機器人。早期的典型代表是美國卡內(nèi)基-梅隆大學機器人研究所研制的單輪滾動機器人Gyrover。Gyrover是一種陀螺穩(wěn)定的單輪滾動機器人。它的行進方式是基于陀螺運動的基本原理,具有很強的機動性和靈活性,他們開發(fā)該機器人的目的是用于空間探索。英國巴斯大學的RhodriHArmour對單輪滾動機器人做了系統(tǒng)的總結(jié)性研究。他從自然界生物存在的滾動前行方式開始論述,通過分析11種單輪滾動機器人,總結(jié)出了7種單輪滾動機器人的設(shè)計原理:彈性中心構(gòu)件原理、車輛驅(qū)動原理、移動塊原理、半球輪原理、陀螺儀平衡器原理、固定于質(zhì)心軸上的配重塊原理、移動于質(zhì)心軸上的配重塊原理。近年來,國內(nèi)也對單輪滾動機器人也進行了深入研究。香港中文大學設(shè)計了一種單輪滾動機器人。它的驅(qū)動部件是一個旋轉(zhuǎn)的飛輪。飛輪的軸承上安裝有雙鏈條的操縱器和一個驅(qū)動馬達。飛輪不僅可以使機器人實現(xiàn)穩(wěn)定運行,還可以控制機器人運動的方向。哈爾濱工業(yè)大學設(shè)計了一種球形滾動機器人。在進行結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計時,使轉(zhuǎn)向與直線行走兩種運動相互獨立,從而避免了非完整約束的存在,簡化了動力學模型和控制算法,該機器人轉(zhuǎn)向靈活。針對單輪滾動機器人的研究工作主要包括:(1)單輪滾動機器人的動態(tài)模型建立以及推進力與操縱機構(gòu)的耦合和參數(shù)化問題;(2)基于位置傳感器的運動信息獲取方法;(3)動態(tài)穩(wěn)定而靜態(tài)不穩(wěn)定的控制方案。單輪滾動機器人的研究具有廣闊的應用前景:利用其水陸兩棲的特性,將它引入到海灘和沼澤地等環(huán)境,進行運輸、營救和礦物探測;利用其外形纖細的特性將它用作監(jiān)控機器人,實現(xiàn)對狹窄地方的監(jiān)控;在航天領(lǐng)域,基于單輪滾動機器人的原理可以開發(fā)一種不受地形影響、運動自如的月球車。1.2雙向探測器兩輪移動機器人主要包括自行車機器人和兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機器人。1.2.1穩(wěn)定性和避免碰撞控制自行車機器人是機器人學術(shù)界提出的一種全新的智能運輸(或交通)工具的概念,由于其車體窄小、可作小半徑回轉(zhuǎn)、運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單,因此可在災難救援、森林作業(yè)中得到廣泛應用。但到目前,仍處于理論探討和初步的實驗研究階段。自行車運動力學特征較為復雜,其兩輪縱向布置,與地面無滑動接觸,它本身就是一個欠驅(qū)動的非完整系統(tǒng),還具有一定的側(cè)向不穩(wěn)定性,如果不對它實施側(cè)向控制,自行車就一定會不能站立起來。同時自行車具有對稱性特征,即它的拉格朗日函數(shù)和約束關(guān)于自行車在路面上的位姿變化是不變的。因此,自行車機器人的控制問題相當困難,如不能采用連續(xù)或可微的純狀態(tài)反饋實現(xiàn)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定,不能采用非線性變換實現(xiàn)整體線性化等。所以,自行車機器人是一個令人非常感興趣的研究領(lǐng)域,其動力學與控制極具挑戰(zhàn)性。南非比勒陀利亞大學的YYavin設(shè)計了兩種帶機械調(diào)節(jié)器的自行車機器人,分別為帶有轉(zhuǎn)動桿調(diào)節(jié)器的自行車機器人和帶有轉(zhuǎn)動飛輪調(diào)節(jié)器的自行車機器人,建立了相對應的動力學模型,并且對動力學模型進行了簡化。運用逆動態(tài)方法設(shè)計了自行車機器人的軌跡跟蹤控制器。并且對自行車機器人的穩(wěn)定性及避免碰撞控制進行了研究[24,25,26,27,28,29]。中國上海交通大學的劉延柱教授最早對自行車動力學進行了研究,他在1995年提出要考慮人的控制因素對動力學的影響,并提出單純依靠車把就可以實現(xiàn)自行車的穩(wěn)定控制,同時獲得了穩(wěn)定性條件。中國北京郵電大學的郭磊、廖啟征、魏世民根據(jù)依靠車把控制的方法,分別以電位計和速率陀螺儀檢測出自行車的傾斜角度,然后通過控制車把轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)對自行車的側(cè)向平衡控制。近年來,大部分研究工作都是圍繞著自行車機器人動力學建模和提出新的控制算法這兩方面內(nèi)容展開的。NeilH.Getz提出了一種較為簡單的自行車機器人動力學模型,并為機器人設(shè)計了一個內(nèi)部平衡控制器,在他所建的動力學模型中,將轉(zhuǎn)動車把的扭矩和自行車后輪的驅(qū)動扭矩作為系統(tǒng)輸入。一些研究人員提出了一種2個二階非線性微分方程描述的自行車動力學模型,并使用在線加強學習的智能算法實現(xiàn)自行車機器人的穩(wěn)定控制。另一些研究人員考慮到配重機構(gòu)對于自行車機器人穩(wěn)定控制的重要作用,提出了一種1個二階非線性微分方程描述的動力學模型,并使用非線性控制理論設(shè)計了基于該模型的控制律。自行車機器人研究存在的問題主要包括自行車機器人在運動時的建模和分析、自行車機器人的側(cè)向穩(wěn)定控制機理、自行車機器人在不同載重下的平衡問題、自行車機器人對復雜地面的適應能力。1.2.2我國未來研究發(fā)展了一種新的驅(qū)動理論和控制原理,從總體上講,當事人只是單輪滾環(huán)不加裝車體的兩輪移動機器人是典型的機器人結(jié)構(gòu),左右輪分別由一個電機驅(qū)動,依靠差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,轉(zhuǎn)向靈活。但當安裝上車體時,就同自行車機器人一樣,要考慮機器人的平衡問題。這種兩輪移動機器人具有極強的靈活性而且它的行為與火箭飛行以及兩足機器人行走有很大的相似性,因而對其理論及控制系統(tǒng)的研究受到國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的高度重視。近年來,該機器人逐漸成為全球機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。美國和日本的研究機構(gòu)相繼開始了這方面的應用研究并取得了初步成果。兩輪行走機構(gòu)是自然不穩(wěn)定體,是高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)。目前還存在許多問題,不能實際應用。1996年日本筑波大學研制的兩輪機器人YamabicoKurara采用倒鐘擺式結(jié)構(gòu),左右兩個獨立的驅(qū)動輪,用陀螺儀傳感器測量車身傾角角速度、用旋轉(zhuǎn)編碼器來測量車輪速度。他們的研究目的是使機器人在平地上行駛的同時保持其自身平衡?？刂扑惴ㄓ善胶夂退俣瓤刂?轉(zhuǎn)向控制和直線跟蹤控制組成。最近幾年主要的研究有如下:美國卡內(nèi)基-梅隆大學下屬的生物機器人實驗室研制了一種兩輪機器人,用于城市搜索和營救,該機器人具有很強的生存能力,能承受很大的墜落沖擊力。中國臺灣成功大學研制了兩輪機器人TWV,TWV是由兩個獨立的馬達分別驅(qū)動左右輪,用動態(tài)分析來獲得機器人的數(shù)學模型,用渴望車輪響應值和車體傾斜角度來控制車體的動作,使用自適應比例微積分控制器來穩(wěn)定和控制TWV的姿態(tài)。英國巴斯大學的RhodriH.Armour在其論文中提到了日本近畿大學研制的兩輪機器人,它沒有采用由兩個驅(qū)動馬達與地面產(chǎn)生驅(qū)動力矩的原理,而是在中央底盤上設(shè)置了懸掛擺錘進行驅(qū)動。在實驗中,它能順利地爬上斜坡、翻過障礙物。當用球形外殼代替它的兩個輪子時,它就變成了單輪滾動機器人。由此可見,兩輪機器人和某些單輪滾動機器人在驅(qū)動原理上具有相似性。這種相似性將在第2章作進一步的探討。1.3全方位轉(zhuǎn)向與驅(qū)動機構(gòu)輪式移動機器人中最常見的機構(gòu)就是三輪及四輪移動機器人。當在平整地面上行走時,這種機器人是最合適的選擇。并且在其他領(lǐng)域(如汽車領(lǐng)域)已為其發(fā)展提供了成熟的技術(shù)。下面從輪式移動機器人的轉(zhuǎn)向機構(gòu)來介紹三輪、四輪移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀。輪式移動機器人的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)主要有如下5種:艾克曼轉(zhuǎn)向、滑動轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向、軸-關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向及車體-關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向。艾克曼轉(zhuǎn)向是汽車常用的轉(zhuǎn)向機構(gòu),使用這種轉(zhuǎn)向方式的汽車中有前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動和前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動兩種運動方式。西班牙塞維利亞大學研制的ROMEO-4R機器人便采用了艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu),該機器人采用后輪驅(qū)動,前輪由電機控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。澳大利亞臥龍崗大學研制的Titan機器人也采用了艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu),該機器人前面兩輪為自由輪,采用艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu),后面兩個車輪分別由一個電機驅(qū)動,由差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向?；瑒愚D(zhuǎn)向的兩側(cè)車輪獨立驅(qū)動,通過改變兩側(cè)車輪速度來實現(xiàn)不同半徑的轉(zhuǎn)向甚至原位轉(zhuǎn)向,所以又稱為差速轉(zhuǎn)向?；瑒愚D(zhuǎn)向的輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)簡單,不需要專門的轉(zhuǎn)向機構(gòu);并且,滑動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)具有高效性和低成本性。美國佛羅里達農(nóng)工大學研制的ATRV-Jr機器人及加拿大高等綜合理工大學研制的Pioneer3-AT機器人都采用了滑動轉(zhuǎn)向原理。左邊兩個車輪和右邊兩個車輪分別用一個電機控制,靠兩側(cè)的差速度控制機器人的轉(zhuǎn)向。輪式全方位移動機器人能夠在保持車體姿態(tài)不變的前提下沿任意方向移動,這種特性使得輪式移動機器人的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題變得相對簡單,使機器人能夠在狹小的工作環(huán)境中很好地完成任務。又由于兼具了履帶式機器人較強的越野能力和輪式機器人簡單高效的特點,四輪全方位轉(zhuǎn)向與驅(qū)動機構(gòu)在機器人移動平臺已獲得了越來越廣泛的應用。MobileRobotsInc開發(fā)的室內(nèi)外清掃機器人Seekur便采用了四輪全方位轉(zhuǎn)向與驅(qū)動機構(gòu),其移動平臺采用8個電機分別控制4個輪子的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動。這種機構(gòu)具有轉(zhuǎn)向半徑小,轉(zhuǎn)向穩(wěn)定容易等特點。另一種全方位移動方式是基于全方位移動輪構(gòu)建的,目前主要的全方位移動輪為麥克納姆輪。麥克納姆輪主要應用在三輪及四輪全方位移動機器人上。麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專利,在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子,故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊,當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時,各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面,所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活,是很成功的一種全方位輪。由4個這種輪子進行組合,可以使機構(gòu)實現(xiàn)全方位移動功能。新西蘭梅西大學研制了裝有麥克納姆輪的移動機器人,他們對這種機器人進行了運動控制實驗。針對麥克納姆輪在移動機器人應用中存在的一些缺陷,中國哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所設(shè)計了一種新型的全方位輪。由這種全方位輪組成的全方位移動機構(gòu)具有運轉(zhuǎn)靈活、控制方便、效率較高、承載能力較強;輪上的各個小滾子一般均處于純滾動狀態(tài),不易磨損;滾子軸的受力情況也較好,不易損壞;對各輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制得當,可實現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤等特點。此外,近年來還出現(xiàn)了一些新的全方位移動方式。如伊朗加茲溫省的阿薩德大學研制的螺旋運動機器人Climax,Climax機器人有3個固定的車輪,分別由3個電機驅(qū)動,可以實現(xiàn)狹小空間的全方位移動。由于采用軸-關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的機器人在轉(zhuǎn)向時車輪轉(zhuǎn)動幅度較大,因此這種轉(zhuǎn)向方式一般不常采用。車體-關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向機器人,具有轉(zhuǎn)彎半徑小,轉(zhuǎn)向靈活的特點。但其轉(zhuǎn)向軌跡難以進行準確控制。并且在行駛時容易出現(xiàn)前輪和后輪軌跡不一致,需要用到其它輔助裝置來約束后面車體的自由度。三輪移動機器人與四輪移動機器人類似,按轉(zhuǎn)向及驅(qū)動方式的不同,分為前輪由電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動;前輪由電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、前輪驅(qū)動;前輪為萬向輪、后面兩個車輪分別由一個電機驅(qū)動,從而實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向這3種方式。西班牙塞維利亞大學研制的機器人ROMEO-3R,其前輪即是轉(zhuǎn)向輪又是驅(qū)動輪,并且?guī)в腥斯みb控和機器人自動行走的轉(zhuǎn)換裝置。到目前為止,對三輪及四輪移動機器人的相關(guān)研究很多,主要涉及到機器人機構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、運動規(guī)劃、導航與定位、跟蹤控制、運動控制的反饋鎮(zhèn)定、交互技術(shù)、多傳感器系統(tǒng)與信息融合、智能技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。同時,該類機器人的研究也為發(fā)展多輪及復合式機器人提供了基礎(chǔ)。并將對現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。1.4基于方案的空間探測機器人由于輪式、履帶式等各類移動機器人都具有各自的優(yōu)點和缺點,因此研制復合式機器人就顯得十分必要,復合式移動機器人已逐漸成為現(xiàn)代移動機器人發(fā)展的重要方向。復合式移動機構(gòu)(如復合輪式、輪-腿式、關(guān)節(jié)-履帶式、關(guān)節(jié)-輪式、輪-腿-履帶式等)廣泛應用于復雜地形、反恐防暴、空間探測等領(lǐng)域。此類機器人具有較強的爬坡、過溝、越障和上下樓梯能力以及運動穩(wěn)定性。輪-腿式移動機構(gòu)運動穩(wěn)定,具有較強的地形適應能力,應用較多;關(guān)節(jié)-履帶式移動機構(gòu)運動平穩(wěn)性好,但速度比較慢,同履帶式機器人一樣,功耗較大;關(guān)節(jié)-輪式移動機構(gòu)運動速度較快,但越障能力差,較多應用于管型構(gòu)件中;輪-腿-履帶式機構(gòu)越障性能好,但轉(zhuǎn)向性能差、功耗較大,運動控制比較復雜。中國國防科技大學尚建忠等提出基于構(gòu)型組合和構(gòu)型創(chuàng)新的空間探測機器人移動機構(gòu)設(shè)計方法。該方法將輪式空間探測機器人視為由輪系、懸架和車體三類子構(gòu)型組合而成的多體系統(tǒng)。輪系包括普通輪系、外行星輪系、履帶輪系、內(nèi)行星輪系(作者認為還可以把麥克納姆輪系加入);懸架包括四輪搖臂、六輪搖臂懸、八輪搖臂、雙曲柄滑塊聯(lián)動懸架、四桿懸架;車體包括剛性聯(lián)接車體、彈性聯(lián)接車體、差速聯(lián)接車體、縱向節(jié)式車體、橫向節(jié)式車體。他們以四輪、六輪和八輪空間探測機器人為研究對象,通過同構(gòu)組合得到70種新型同構(gòu)組合空間探測機器人移動機構(gòu),通過異構(gòu)組合得到165種新型異構(gòu)組合空間探測機器人移動機構(gòu)。比較系統(tǒng)的對輪式移動機器人的移動機構(gòu)進行了歸類及分析。中國國防科技大學研制了雙曲柄滑塊聯(lián)動月球車。他們經(jīng)過室內(nèi)測試和場地試驗表明,雙曲柄滑塊聯(lián)動月球車通過曲柄滑塊機構(gòu)將車輪豎直方向的位移轉(zhuǎn)化為滑塊水平方向的位移,具有較好的平順性、地面自適應能力和綜合移動性能。日本宇航中心和明治大學等聯(lián)合研制開發(fā)的Micro5是五輪機器人小車,該車具有一種新的五點懸吊結(jié)構(gòu)-PEGASUS懸架系統(tǒng),PEGASUS既有搖臂懸吊結(jié)構(gòu)的高靈活機動性,又有一點連接的簡單結(jié)構(gòu)。意大利卡塔尼亞大學研制的輪-腿式移動機器人,用3個呈對稱布置的移動腿來支撐機器人平臺,腿的末端各帶有一個輪子,每一個腿各由兩個電動機來控制?？梢员ＷC在跨越小障礙物時機器人的平穩(wěn)性。意大利卡塔尼亞大學研制了一種輪-腿式移動機器人,前面裝有兩個腿分別具有3個自由度,后面裝有2個輪子,每個輪子分別由1個電機控制。日本九州工業(yè)大學研制了6個輪子的輪-腿式機器人。前輪通過前叉連接到機器人上,后輪固定連接到機器人上,2對側(cè)輪分別通過2側(cè)的連接副連接到機器人上。韓國成均館大學研制的管道機器人是一種多關(guān)節(jié)的輪-腿復合式蛇形機器人。韓國慶北大學研制了可以從蛇形式變成輪-腿式的可重構(gòu)機器人。中國科學院沈陽自動化研究所自行研制的“靈蜥-B”型反恐防暴機器人采用了輪-腿-履帶復合式移動機構(gòu),可由四輪變成四