移動機器人的機構

一般而言，移動機器人的移動機構主要有輪式移動機構、履帶式移動機構及足式移動機構，此外還有步進式移動機構、蠕動式移動機構、蛇行式移動機構和混合式移動機構，以適應不同的工作環境和場合。一般室內移動機器人通常采用輪式移動機構，室外移動機器人為了適應野外環境的需要，多采用履帶式移動機構。一些仿生機器人，通常模仿某種生物運動方式而采用相應的移動機構，如機器蛇采用蛇行式移動機構，機器魚則采用尾鰭推進式移動機構。其中輪式的效率最高，但適應性能力相對較差；而足式的移動適應能力最強，但其效率最低。下面介紹輪式移動機構和足式移動機構。

1 輪式移動機構

輪式移動機器人是移動機器人中應用最多的一種機器人，在相對平坦的地面上，用輪式移動方式是相當優越的。輪式移動機構根據車輪的多少有1輪、2輪、3輪、4輪及多輪機構。1輪及2輪移動機構在實現上的障礙主要是穩定性問題，實際應用的輪式移動機構多采用3輪和4輪。3輪移動機構一般是一個前輪，兩個后輪。其中，兩個后輪獨立動，前輪是萬向輪，只起支撐作用，靠后輪的轉速差實現轉向。

4輪移動機構應用最為廣泛，4輪機構可采用不同的方式實現驅動和轉向，既可以使用后輪分散驅動，也可以用連桿機構實現4輪同步轉向，這種方式比起僅有前輪轉向的車輛可實現更小的轉彎半徑。

2 足式移動機構

履帶式移動機構雖在高低不平的地面上可以運動，但是它的適應性不夠好，行走時晃動較大，在軟地面上行駛時效率低。根據調查，地球上近一半的地面不適合傳統的輪式或履帶式車輛行走，但是一般的多足動物卻能在這些地方行動自如，顯然，足式移動機構在這樣的環境下有獨特的優勢。

足式移動機構對崎嶇路面具有很好的適應能力，足式運動方式的立足點是離散的點，可以在可能到達的地面上選擇最優的支撐點，而輪式和履帶式移動機構必須面臨最壞地形上的幾乎所有點。足式運動方式還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩。足式行走機構在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較少。

現有的足式移動機器人的足數分別為單足、雙足，三足、四足、六足、八足，甚至更多。足的數目多，適合于重載和慢速運動。在實際中，由于雙足和四足具有最好的適應性和靈活性，也最接近人類和動物，所以用得最多。

二移動機器人的分類

1 管道移動機器人

目前，管道的檢測和維護多采用管道移動機器人來進行。管道移動機器人是一種可沿管道內壁行走的機械，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如CCD攝像機、位置和姿態傳感器、超聲傳感器、渦流傳感器、管道清理裝置、管道焊接裝置、簡單的操作機械手等，在操作人員的控制下進行管道檢測維修作業。

2 水下移動機器人

21世紀是人類開發海洋的新世紀，進行海洋科學研究、海上石油開發、海底礦藏勘測、海底打撈救生等，都需要開發海底載人潛水器和水下移動機器人技術。因此，發展水下機器人意義重大。水下機器人的種類很多，如載人潛水器、遙控有纜水下機器人、自主無纜水下機器人等。

3 空中移動機器人

空中移動機器人在通信、氣象、災害檢測、農業、地質、交通、廣播電視等方面都有廣泛的應用。目前其技術已趨成熟，性能日益完善，逐步向小型化、智能化、隱身化方向發展，同時與空中移動機器人相關的雷達、探測、測控、傳輸、材料等方面也正處于飛速發展的階段。空中移動機器人主要分為仿昆蟲飛行移動機器人、飛行移動機器人、四軸飛行器、微型飛行器等。微型飛行器的研制是一項包含了多種交又學科的高、精、尖技術，其研究水平在一定程度上可以反映一個國家在微電機系統技術領域內的實力，它的研制不僅是對其自身問題的解決，更重要的是，還能對其他許多相關技術領域的發展起推動作用，所以研制微型飛行器不管是從使用價值方面考慮，還是從推動技術發展考慮，對于我們國家來說都是迫切需要發展的一項研究工作。

4 軍事移動機器人
軍事是目前機器人使用較廣泛的一個領域，隨著現代戰爭逐漸向高新技術方向發展，機器人使用將大大減少戰場上人員的傷亡。軍用移動機器人有偵察機器人、爆炸物處理移動機器人、救援機器人、步兵支援機器人和無人機等。

5 服務移動機器人
服務機器人是一種半自主或全自主工作、為人類提供務的機器人，目前主要有醫用機器人、家用機器人、娛樂機器人、導游機器人、智能輪椅等。智能輪椅是將智能移動機器人技術應用于電動輪椅，融合多種領域的研究，包括移動機器人視覺、移動機器人導航和定位、模式識別、多種傳感器融合及用戶接口等，涉及機械、控制、傳感器、人工智能等技術。

6 仿生移動機器人
仿生移動機器人是指模仿生物、從事生物特點工作的移動機器人。有一些蛇形移動機器人、蜘蛛移動機器人、壁虎移動機器人、機器蛙等仿生移動機器人，在搜救、偵查方面都有很好的應用價值。

移動機器人種類繁多，工廠中大量應用的自動導引小車還只是這個移動機器人大家庭中的一位成員。在不遠的將來，將有更多種類的移動機器人在我們工作和生活中扮演著重要的角色。

在機器人領域所要研究的問題非常多，會涉及到計算機、傳感器、人機交互、防生學等多個學科，其中環境感知、自主定位和運動控制是機器人技術的三大重點問題，以下將針對這三點進行詳細探討。

環境感知
目前，在機器人室內環境中，以激光雷達為主，并借助其他傳感器的移動機器人自主環境感知技術已相對成熟，而在室外應用中，由于環境的多變性及光照變化等影響，環境感知的任務相對復雜的多，對實時性要求更高，使得多傳感器融合成為機器人環境感知面臨的重大技術任務。

利用單一傳感器進行環境感知大多都有其難以克服的弱點，但將多傳感器有效融合，通過對不同傳感器的信息冗余、互補，幾乎能使機器人覆蓋所有的空間檢測，全方位提升機器人的感知能力，因此利用激光雷達傳感器，結合超聲波、深度攝像頭、防跌落等傳感器獲取距離信息，來實現機器人對周圍環境的感知成為各國學者研究的熱點。

使用多傳感器構成環境感知技術可帶來多源信息的同步、匹配和通信等問題，需要研究解決多傳感器跨模態跨尺度信息配準和融合的方法及技術。但在實際應用中，并不是所使用的傳感器種類越多越好。針對不同環境中機器人的具體應用，需要考慮各傳感器數據的有效性、計算的實時性。

自主定位
移動機器人要實現自主行走，定位也是其需要掌握的核心技術之一，目前GPS在全局定位上已能提供較高精度，但GPS具有一定的局限性，在室內環境下會出現GPS信號弱等情況，容易導致位置的丟失。

近年來，SLAM技術發展迅速，提高了移動機器人的定位及地圖創建能力，SLAM 是同步定位與地圖構建 (Simultaneous Localization And Mapping) 的縮寫，最早是由 Hugh Durrant-Whyte 和 John J.Leonard 在1988年提出的。SLAM與其說是一個算法不如說它是一個概念更為貼切，它被定義為解決“機器人從未知環境的未知地點出發，在運動過程中通過重復觀測到的地圖特征（比如，墻角，柱子等）定位自身位置和姿態，再根據自身位置增量式的構建地圖，從而達到同時定位和地圖構建的目”的問題方法的統稱。

路徑規劃
路徑規劃技術也是機器人研究領域的一個重要分支。最優路徑規劃就是依據某個或某些優化準則（如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等），在機器人工作空間中找到一條從起始狀態到目標狀態、可以避開障礙物的最優路徑。根據對環境信息的掌握程度不同，機器人路徑規劃可分為全局路徑規劃和局部路徑規劃。

全局路徑規劃是在已知的環境中，給機器人規劃一條路徑，路徑規劃的精度取決于環境獲取的準確度，全局路徑規劃可以找到最優解，但是需要預先知道環境的準確信息，當環境發生變化，如出現未知障礙物時，該方法就無能為力了。它是一種事前規劃，因此對機器人系統的實時計算能力要求不高，雖然規劃結果是全局的、較優的，但是對環境模型的錯誤及噪聲魯棒性差。

而局部路徑規劃則環境信息完全未知或有部分可知，側重于考慮機器人當前的局部環境信息，讓機器人具有良好的避障能力，通過傳感器對機器人的工作環境進行探測，以獲取障礙物的位置和幾何性質等信息，這種規劃需要搜集環境數據，并且對該環境模型的動態更新能夠隨時進行校正，局部規劃方法將對環境的建模與搜索融為一體，要求機器人系統具有高速的信息處理能力和計算能力，對環境誤差和噪聲有較高的魯棒性，能對規劃結果進行實時反饋和校正，但是由于缺乏全局環境信息，所以規劃結果有可能不是最優的，甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。

全局路徑規劃和局部路徑規劃并沒有本質上的區別，很多適用于全局路徑規劃的方法經過改進也可以用于局部路徑規劃，而適用于局部路徑規劃的方法同樣經過改進后也可適用于全局路徑規劃。兩者協同工作，機器人可更好的規劃從起始點到終點的行走路徑。

總之，近年來各國政府都非常重視機器人技術的發展，并投入了大量的資源激發機器人企業不斷創新、開拓進取，相信未來，機器人也將成為人們日常生活中的重要一員，引領人們走向更便捷的時代！