轮式移动机器人研究现状与展望

轮式移动机器人研究现状与展望

0在复杂地形下的应用和控制问题随着社会的发展和科学技术的进步，机器人在当前的生产生活中得到了越来越大的应用。移动机器人是研发较早的一种机器人,移动机构主要有轮式、履带式、腿式、蛇行式、跳跃式和复合式。其中履带式具有接地比压小,在松软的地面附着性能和通过性能好,爬楼梯、越障平稳性高,良好的自复位能力等特点。但是履带式移动平台的速度较慢、功耗较大、转向时对地面破坏程度大。腿式机器人虽能够满足某些特殊的性能要求,能适应复杂的地形,但由于其结构自由度太多、机构复杂,导致难于控制、移动速度慢、功耗大。蛇行式和跳跃式虽然在某些方面,如复杂环境、特殊环境、机动性等具有其独特的优越性,但也存在一些致命的缺陷,如承载能力、运动平稳性等。复合式机器人虽能适应复杂环境或某些特殊环境,如管道,有的甚至还可以变形,但其结构及控制都比较复杂。相比之下,轮式移动机器人虽然具有运动稳定性与路面的路况有很大关系、在复杂地形如何实现精确的轨迹控制等问题,但是由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高等优点,而被大量应用于工业、农业、反恐防爆、家庭、空间探测等领域[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。按照车轮数目虽然不能对轮式移动机器人进行严格的归类,但是不同的车轮数目依然决定了不同的控制方式,例如滚动机器人和四轮移动机器人显然在控制原理上是不同的。作者通过回顾轮式移动机器人研究已取得的主要成果,按车轮数目对地面移动机器人进行了归类分析,对单轮滚动机器人、两轮移动机器人、三轮及四轮移动机器人、复合式(带有车轮)移动机器人进行了分析和总结。1关于研究现状1.1单轮滚动轴承和动态模型的建立单轮滚动机器人是一种全新概念的移动机器人。从外观上看它只有一个轮子,它的运动方式是沿地面滚动前进,后来又开发出的球型机器人也属于单轮滚动机器人。早期的典型代表是美国卡内基-梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover。Gyrover是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人。它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理,具有很强的机动性和灵活性,他们开发该机器人的目的是用于空间探索。英国巴斯大学的RhodriHArmour对单轮滚动机器人做了系统的总结性研究。他从自然界生物存在的滚动前行方式开始论述,通过分析11种单轮滚动机器人,总结出了7种单轮滚动机器人的设计原理:弹性中心构件原理、车辆驱动原理、移动块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、移动于质心轴上的配重块原理。近年来,国内也对单轮滚动机器人也进行了深入研究。香港中文大学设计了一种单轮滚动机器人。它的驱动部件是一个旋转的飞轮。飞轮的轴承上安装有双链条的操纵器和一个驱动马达。飞轮不仅可以使机器人实现稳定运行,还可以控制机器人运动的方向。哈尔滨工业大学设计了一种球形滚动机器人。在进行结构和控制系统设计时,使转向与直线行走两种运动相互独立,从而避免了非完整约束的存在,简化了动力学模型和控制算法,该机器人转向灵活。针对单轮滚动机器人的研究工作主要包括:(1)单轮滚动机器人的动态模型建立以及推进力与操纵机构的耦合和参数化问题;(2)基于位置传感器的运动信息获取方法;(3)动态稳定而静态不稳定的控制方案。单轮滚动机器人的研究具有广阔的应用前景:利用其水陆两栖的特性,将它引入到海滩和沼泽地等环境,进行运输、营救和矿物探测;利用其外形纤细的特性将它用作监控机器人,实现对狭窄地方的监控;在航天领域,基于单轮滚动机器人的原理可以开发一种不受地形影响、运动自如的月球车。1.2双向探测器两轮移动机器人主要包括自行车机器人和两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人。1.2.1稳定性和避免碰撞控制自行车机器人是机器人学术界提出的一种全新的智能运输(或交通)工具的概念,由于其车体窄小、可作小半径回转、运动灵活、结构简单,因此可在灾难救援、森林作业中得到广泛应用。但到目前,仍处于理论探讨和初步的实验研究阶段。自行车运动力学特征较为复杂,其两轮纵向布置,与地面无滑动接触,它本身就是一个欠驱动的非完整系统,还具有一定的侧向不稳定性,如果不对它实施侧向控制,自行车就一定会不能站立起来。同时自行车具有对称性特征,即它的拉格朗日函数和约束关于自行车在路面上的位姿变化是不变的。因此,自行车机器人的控制问题相当困难,如不能采用连续或可微的纯状态反馈实现系统的渐近稳定,不能采用非线性变换实现整体线性化等。所以,自行车机器人是一个令人非常感兴趣的研究领域,其动力学与控制极具挑战性。南非比勒陀利亚大学的YYavin设计了两种带机械调节器的自行车机器人,分别为带有转动杆调节器的自行车机器人和带有转动飞轮调节器的自行车机器人,建立了相对应的动力学模型,并且对动力学模型进行了简化。运用逆动态方法设计了自行车机器人的轨迹跟踪控制器。并且对自行车机器人的稳定性及避免碰撞控制进行了研究[24,25,26,27,28,29]。中国上海交通大学的刘延柱教授最早对自行车动力学进行了研究,他在1995年提出要考虑人的控制因素对动力学的影响,并提出单纯依靠车把就可以实现自行车的稳定控制,同时获得了稳定性条件。中国北京邮电大学的郭磊、廖启征、魏世民根据依靠车把控制的方法,分别以电位计和速率陀螺仪检测出自行车的倾斜角度,然后通过控制车把转向来实现对自行车的侧向平衡控制。近年来,大部分研究工作都是围绕着自行车机器人动力学建模和提出新的控制算法这两方面内容展开的。NeilH.Getz提出了一种较为简单的自行车机器人动力学模型,并为机器人设计了一个内部平衡控制器,在他所建的动力学模型中,将转动车把的扭矩和自行车后轮的驱动扭矩作为系统输入。一些研究人员提出了一种2个二阶非线性微分方程描述的自行车动力学模型,并使用在线加强学习的智能算法实现自行车机器人的稳定控制。另一些研究人员考虑到配重机构对于自行车机器人稳定控制的重要作用,提出了一种1个二阶非线性微分方程描述的动力学模型,并使用非线性控制理论设计了基于该模型的控制律。自行车机器人研究存在的问题主要包括自行车机器人在运动时的建模和分析、自行车机器人的侧向稳定控制机理、自行车机器人在不同载重下的平衡问题、自行车机器人对复杂地面的适应能力。1.2.2我国未来研究发展了一种新的驱动理论和控制原理,从总体上讲,当事人只是单轮滚环不加装车体的两轮移动机器人是典型的机器人结构,左右轮分别由一个电机驱动,依靠差速实现转向,转向灵活。但当安装上车体时,就同自行车机器人一样,要考虑机器人的平衡问题。这种两轮移动机器人具有极强的灵活性而且它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性,因而对其理论及控制系统的研究受到国内外机器人领域的高度重视。近年来,该机器人逐渐成为全球机器人领域的研究热点之一。美国和日本的研究机构相继开始了这方面的应用研究并取得了初步成果。两轮行走机构是自然不稳定体,是高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合系统。目前还存在许多问题,不能实际应用。1996年日本筑波大学研制的两轮机器人YamabicoKurara采用倒钟摆式结构,左右两个独立的驱动轮,用陀螺仪传感器测量车身倾角角速度、用旋转编码器来测量车轮速度。他们的研究目的是使机器人在平地上行驶的同时保持其自身平衡。控制算法由平衡和速度控制,转向控制和直线跟踪控制组成。最近几年主要的研究有如下:美国卡内基-梅隆大学下属的生物机器人实验室研制了一种两轮机器人,用于城市搜索和营救,该机器人具有很强的生存能力,能承受很大的坠落冲击力。中国台湾成功大学研制了两轮机器人TWV,TWV是由两个独立的马达分别驱动左右轮,用动态分析来获得机器人的数学模型,用渴望车轮响应值和车体倾斜角度来控制车体的动作,使用自适应比例微积分控制器来稳定和控制TWV的姿态。英国巴斯大学的RhodriH.Armour在其论文中提到了日本近畿大学研制的两轮机器人,它没有采用由两个驱动马达与地面产生驱动力矩的原理,而是在中央底盘上设置了悬挂摆锤进行驱动。在实验中,它能顺利地爬上斜坡、翻过障碍物。当用球形外壳代替它的两个轮子时,它就变成了单轮滚动机器人。由此可见,两轮机器人和某些单轮滚动机器人在驱动原理上具有相似性。这种相似性将在第2章作进一步的探讨。1.3全方位转向与驱动机构轮式移动机器人中最常见的机构就是三轮及四轮移动机器人。当在平整地面上行走时,这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。下面从轮式移动机器人的转向机构来介绍三轮、四轮移动机器人的发展现状。轮式移动机器人的转向结构主要有如下5种:艾克曼转向、滑动转向、全轮转向、轴-关节式转向及车体-关节式转向。艾克曼转向是汽车常用的转向机构,使用这种转向方式的汽车中有前轮转向前轮驱动和前轮转向后轮驱动两种运动方式。西班牙塞维利亚大学研制的ROMEO-4R机器人便采用了艾克曼转向机构,该机器人采用后轮驱动,前轮由电机控制实现转向。澳大利亚卧龙岗大学研制的Titan机器人也采用了艾克曼转向机构,该机器人前面两轮为自由轮,采用艾克曼转向机构,后面两个车轮分别由一个电机驱动,由差速实现转向。滑动转向的两侧车轮独立驱动,通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向甚至原位转向,所以又称为差速转向。滑动转向的轮式移动机器人的结构简单,不需要专门的转向机构;并且,滑动转向结构具有高效性和低成本性。美国佛罗里达农工大学研制的ATRV-Jr机器人及加拿大高等综合理工大学研制的Pioneer3-AT机器人都采用了滑动转向原理。左边两个车轮和右边两个车轮分别用一个电机控制,靠两侧的差速度控制机器人的转向。轮式全方位移动机器人能够在保持车体姿态不变的前提下沿任意方向移动,这种特性使得轮式移动机器人的路径规划、轨迹跟踪等问题变得相对简单,使机器人能够在狭小的工作环境中很好地完成任务。又由于兼具了履带式机器人较强的越野能力和轮式机器人简单高效的特点,四轮全方位转向与驱动机构在机器人移动平台已获得了越来越广泛的应用。MobileRobotsInc开发的室内外清扫机器人Seekur便采用了四轮全方位转向与驱动机构,其移动平台采用8个电机分别控制4个轮子的转向和驱动。这种机构具有转向半径小,转向稳定容易等特点。另一种全方位移动方式是基于全方位移动轮构建的,目前主要的全方位移动轮为麦克纳姆轮。麦克纳姆轮主要应用在三轮及四轮全方位移动机器人上。麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利,在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子,故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊,当轮子绕着固定的轮心轴转动时,各个小滚子的包络线为圆柱面,所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活,是很成功的一种全方位轮。由4个这种轮子进行组合,可以使机构实现全方位移动功能。新西兰梅西大学研制了装有麦克纳姆轮的移动机器人,他们对这种机器人进行了运动控制实验。针对麦克纳姆轮在移动机器人应用中存在的一些缺陷,中国哈尔滨工业大学机器人研究所设计了一种新型的全方位轮。由这种全方位轮组成的全方位移动机构具有运转灵活、控制方便、效率较高、承载能力较强;轮上的各个小滚子一般均处于纯滚动状态,不易磨损;滚子轴的受力情况也较好,不易损坏;对各轮的转向和转速控制得当,可实现精确定位和轨迹跟踪等特点。此外,近年来还出现了一些新的全方位移动方式。如伊朗加兹温省的阿萨德大学研制的螺旋运动机器人Climax,Climax机器人有3个固定的车轮,分别由3个电机驱动,可以实现狭小空间的全方位移动。由于采用轴-关节式转向结构的机器人在转向时车轮转动幅度较大,因此这种转向方式一般不常采用。车体-关节式转向机器人,具有转弯半径小,转向灵活的特点。但其转向轨迹难以进行准确控制。并且在行驶时容易出现前轮和后轮轨迹不一致,需要用到其它辅助装置来约束后面车体的自由度。三轮移动机器人与四轮移动机器人类似,按转向及驱动方式的不同,分为前轮由电机实现转向、后轮驱动;前轮由电机实现转向、前轮驱动;前轮为万向轮、后面两个车轮分别由一个电机驱动,从而实现差速转向这3种方式。西班牙塞维利亚大学研制的机器人ROMEO-3R,其前轮即是转向轮又是驱动轮,并且带有人工遥控和机器人自动行走的转换装置。到目前为止,对三轮及四轮移动机器人的相关研究很多,主要涉及到机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、运动控制的反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术等关键技术。同时,该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础。并将对现代汽车工业的发展产生深远影响。1.4基于方案的空间探测机器人由于轮式、履带式等各类移动机器人都具有各自的优点和缺点,因此研制复合式机器人就显得十分必要,复合式移动机器人已逐渐成为现代移动机器人发展的重要方向。复合式移动机构(如复合轮式、轮-腿式、关节-履带式、关节-轮式、轮-腿-履带式等)广泛应用于复杂地形、反恐防暴、空间探测等领域。此类机器人具有较强的爬坡、过沟、越障和上下楼梯能力以及运动稳定性。轮-腿式移动机构运动稳定,具有较强的地形适应能力,应用较多;关节-履带式移动机构运动平稳性好,但速度比较慢,同履带式机器人一样,功耗较大;关节-轮式移动机构运动速度较快,但越障能力差,较多应用于管型构件中;轮-腿-履带式机构越障性能好,但转向性能差、功耗较大,运动控制比较复杂。中国国防科技大学尚建忠等提出基于构型组合和构型创新的空间探测机器人移动机构设计方法。该方法将轮式空间探测机器人视为由轮系、悬架和车体三类子构型组合而成的多体系统。轮系包括普通轮系、外行星轮系、履带轮系、内行星轮系(作者认为还可以把麦克纳姆轮系加入);悬架包括四轮摇臂、六轮摇臂悬、八轮摇臂、双曲柄滑块联动悬架、四杆悬架;车体包括刚性联接车体、弹性联接车体、差速联接车体、纵向节式车体、横向节式车体。他们以四轮、六轮和八轮空间探测机器人为研究对象,通过同构组合得到70种新型同构组合空间探测机器人移动机构,通过异构组合得到165种新型异构组合空间探测机器人移动机构。比较系统的对轮式移动机器人的移动机构进行了归类及分析。中国国防科技大学研制了双曲柄滑块联动月球车。他们经过室内测试和场地试验表明,双曲柄滑块联动月球车通过曲柄滑块机构将车轮竖直方向的位移转化为滑块水平方向的位移,具有较好的平顺性、地面自适应能力和综合移动性能。日本宇航中心和明治大学等联合研制开发的Micro5是五轮机器人小车,该车具有一种新的五点悬吊结构-PEGASUS悬架系统,PEGASUS既有摇臂悬吊结构的高灵活机动性,又有一点连接的简单结构。意大利卡塔尼亚大学研制的轮-腿式移动机器人,用3个呈对称布置的移动腿来支撑机器人平台,腿的末端各带有一个轮子,每一个腿各由两个电动机来控制。可以保证在跨越小障碍物时机器人的平稳性。意大利卡塔尼亚大学研制了一种轮-腿式移动机器人,前面装有两个腿分别具有3个自由度,后面装有2个轮子,每个轮子分别由1个电机控制。日本九州工业大学研制了6个轮子的轮-腿式机器人。前轮通过前叉连接到机器人上,后轮固定连接到机器人上,2对侧轮分别通过2侧的连接副连接到机器人上。韩国成均馆大学研制的管道机器人是一种多关节的轮-腿复合式蛇形机器人。韩国庆北大学研制了可以从蛇形式变成轮-腿式的可重构机器人。中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的“灵蜥-B”型反恐防暴机器人采用了轮-腿-履带复合式移动机构,可由四轮变成四