移動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)
一般而言，
移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)主要有輪式移動機(jī)構(gòu)、履帶式移動機(jī)構(gòu)及足式移動機(jī)構(gòu)，此外還有步進(jìn)式移動機(jī)構(gòu)、蠕動式移動機(jī)構(gòu)、蛇行式移動機(jī)構(gòu)和混合式移動機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和場合。一般室內(nèi)移動機(jī)器人通常采用輪式移動機(jī)構(gòu)，室外移動機(jī)器人為了適應(yīng)野外環(huán)境的需要，多采用履帶式移動機(jī)構(gòu)。一些仿生機(jī)器人，通常模仿某種生物運(yùn)動方式而采用相應(yīng)的移動機(jī)構(gòu)，如機(jī)器蛇采用蛇行式移動機(jī)構(gòu)，機(jī)器魚則采用尾鰭推進(jìn)式移動機(jī)構(gòu)。其中輪式的效率最高，但適應(yīng)性能力相對較差；而足式的移動適應(yīng)能力最強(qiáng)，但其效率最低。下面介紹輪式移動機(jī)構(gòu)和足式移動機(jī)構(gòu)。
1 輪式移動機(jī)構(gòu)
輪式移動機(jī)器人是移動機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對平坦的地面上，用輪式移動方式是相當(dāng)優(yōu)越的。輪式移動機(jī)構(gòu)根據(jù)車輪的多少有1輪、2輪、3輪、4輪及多輪機(jī)構(gòu)。1輪及2輪移動機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)上的障礙主要是穩(wěn)定性問題，實(shí)際應(yīng)用的輪式移動機(jī)構(gòu)多采用3輪和4輪。3輪移動機(jī)構(gòu)一般是一個(gè)前輪，兩個(gè)后輪。其中，兩個(gè)后輪獨(dú)立動，前輪是萬向輪，只起支撐作用，靠后輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
4輪移動機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，4輪機(jī)構(gòu)可采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，既可以使用后輪分散驅(qū)動，也可以用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)4輪同步轉(zhuǎn)向，這種方式比起僅有前輪轉(zhuǎn)向的車輛可實(shí)現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)彎半徑。
2 足式移動機(jī)構(gòu)
履帶式移動機(jī)構(gòu)雖在高低不平的地面上可以運(yùn)動，但是它的適應(yīng)性不夠好，行走時(shí)晃動較大，在軟地面上行駛時(shí)效率低。根據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不適合傳統(tǒng)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(jī)構(gòu)在這樣的環(huán)境下有獨(dú)特的優(yōu)勢。
足式移動機(jī)構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式運(yùn)動方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn)，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式和履帶式移動機(jī)構(gòu)必須面臨最壞地形上的幾乎所有點(diǎn)。足式運(yùn)動方式還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)。足式行走機(jī)構(gòu)在不平地面和松軟地面上的運(yùn)動速度較高，能耗較少。
現(xiàn)有的足式移動機(jī)器人的足數(shù)分別為單足、雙足，三足、四足、六足、八足，甚至更多。足的數(shù)目多，適合于重載和慢速運(yùn)動。在實(shí)際中，由于雙足和四足具有最好的適應(yīng)性和靈活性，也最接近人類和動物，所以用得最多。
二移動機(jī)器人的分類
1 管道移動機(jī)器人
目前，管道的檢測和維護(hù)多采用管道移動機(jī)器人來進(jìn)行。管道移動機(jī)器人是一種可沿管道內(nèi)壁行走的機(jī)械，它可以攜帶一種或多種傳感器及操作裝置，如CCD攝像機(jī)、位置和姿態(tài)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(jī)械手等，在操作人員的控制下進(jìn)行管道檢測維修作業(yè)。
2 水下移動機(jī)器人
21世紀(jì)是人類開發(fā)海洋的新世紀(jì)，進(jìn)行海洋科學(xué)研究、海上石油開發(fā)、海底礦藏勘測、海底打撈救生等，都需要開發(fā)海底載人潛水器和水下移動機(jī)器人技術(shù)。因此，發(fā)展水下機(jī)器人意義重大。水下機(jī)器人的種類很多，如載人潛水器、遙控有纜水下機(jī)器人、自主無纜水下機(jī)器人等。
3 空中移動機(jī)器人
空中移動機(jī)器人在通信、氣象、災(zāi)害檢測、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、交通、廣播電視等方面都有廣泛的應(yīng)用。目前其技術(shù)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(fā)展，同時(shí)與空中移動機(jī)器人相關(guān)的雷達(dá)、探測、測控、傳輸、材料等方面也正處于飛速發(fā)展的階段�？罩幸苿訖C(jī)器人主要分為仿昆蟲飛行移動機(jī)器人、飛行移動機(jī)器人、四軸飛行器、微型飛行器等。微型飛行器的研制是一項(xiàng)包含了多種交又學(xué)科的高、精、尖技術(shù)，其研究水平在一定程度上可以反映一個(gè)國家在微電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)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(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起推動作用，所以研制微型飛行器不管是從使用價(jià)值方面考慮，還是從推動技術(shù)發(fā)展考慮，對于我們國家來說都是迫切需要發(fā)展的一項(xiàng)研究工作。
4 軍事移動機(jī)器人
軍事是目前機(jī)器人使用較廣泛的一個(gè)領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭逐漸向高新技術(shù)方向發(fā)展，機(jī)器人使用將大大減少戰(zhàn)場上人員的傷亡。軍用移動機(jī)器人有偵察機(jī)器人、爆炸物處理移動機(jī)器人、救援機(jī)器人、步兵支援機(jī)器人和無人機(jī)等。
5 服務(wù)移動機(jī)器人
服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作、為人類提供務(wù)的機(jī)器人，目前主要有醫(yī)用機(jī)器人、家用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人、智能輪椅等。智能輪椅是將智能移動機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動輪椅，融合多種領(lǐng)域的研究，包括移動機(jī)器人視覺、移動機(jī)器人導(dǎo)航和定位、模式識別、多種傳感器融合及用戶接口等，涉及機(jī)械、控制、傳感器、人工智能等技術(shù)。
6 仿生移動機(jī)器人
仿生移動機(jī)器人是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的移動機(jī)器人。有一些蛇形移動機(jī)器人、蜘蛛移動機(jī)器人、壁虎移動機(jī)器人、機(jī)器蛙等仿生移動機(jī)器人，在搜救、偵查方面都有很好的應(yīng)用價(jià)值。
移動機(jī)器人種類繁多，工廠中大量應(yīng)用的自動導(dǎo)引小車還只是這個(gè)移動機(jī)器人大家庭中的一位成員。在不遠(yuǎn)的將來，將有更多種類的移動機(jī)器人在我們工作和生活中扮演著重要的角色。
在機(jī)器人領(lǐng)域所要研究的問題非常多，會涉及到計(jì)算機(jī)、傳感器、人機(jī)交互、防生學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其中環(huán)境感知、自主定位和運(yùn)動控制是機(jī)器人技術(shù)的三大重點(diǎn)問題，以下將針對這三點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)探討。
環(huán)境感知
目前，在機(jī)器人室內(nèi)環(huán)境中，以激光雷達(dá)為主，并借助其他傳感器的移動機(jī)器人自主環(huán)境感知技術(shù)已相對成熟，而在室外應(yīng)用中，由于環(huán)境的多變性及光照變化等影響，環(huán)境感知的任務(wù)相對復(fù)雜的多，對實(shí)時(shí)性要求更高，使得多傳感器融合成為機(jī)器人環(huán)境感知面臨的重大技術(shù)任務(wù)。
利用單一傳感器進(jìn)行環(huán)境感知大多都有其難以克服的弱點(diǎn)，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(bǔ)，幾乎能使機(jī)器人覆蓋所有的空間檢測，全方位提升機(jī)器人的感知能力，因此利用激光雷達(dá)傳感器，結(jié)合超聲波、深度攝像頭、防跌落等傳感器獲取距離信息，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對周圍環(huán)境的感知成為各國學(xué)者研究的熱點(diǎn)。
使用多傳感器構(gòu)成環(huán)境感知技術(shù)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(tài)跨尺度信息配準(zhǔn)和融合的方法及技術(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，并不是所使用的傳感器種類越多越好。針對不同環(huán)境中機(jī)器人的具體應(yīng)用，需要考慮各傳感器數(shù)據(jù)的有效性、計(jì)算的實(shí)時(shí)性。
自主定位
移動機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自主行走，定位也是其需要掌握的核心技術(shù)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(nèi)環(huán)境下會出現(xiàn)GPS信號弱等情況，容易導(dǎo)致位置的丟失。
近年來，SLAM技術(shù)發(fā)展迅速，提高了移動機(jī)器人的定位及地圖創(chuàng)建能力，SLAM 是同步定位與地圖構(gòu)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(gè)算法不如說它是一個(gè)概念更為貼切，它被定義為解決“機(jī)器人從未知環(huán)境的未知地點(diǎn)出發(fā)，在運(yùn)動過程中通過重復(fù)觀測到的地圖特征（比如，墻角，柱子等）定位自身位置和姿態(tài)，再根據(jù)自身位置增量式的構(gòu)建地圖，從而達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目”的問題方法的統(tǒng)稱。
路徑規(guī)劃
路徑規(guī)劃技術(shù)也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則（如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等），在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)路徑。根據(jù)對環(huán)境信息的掌握程度不同，機(jī)器人路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。
全局路徑規(guī)劃是在已知的環(huán)境中，給機(jī)器人規(guī)劃一條路徑，路徑規(guī)劃的精度取決于環(huán)境獲取的準(zhǔn)確度，全局路徑規(guī)劃可以找到最優(yōu)解，但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，如出現(xiàn)未知障礙物時(shí)，該方法就無能為力了。它是一種事前規(guī)劃，因此對機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力要求不高，雖然規(guī)劃結(jié)果是全局的、較優(yōu)的，但是對環(huán)境模型的錯(cuò)誤及噪聲魯棒性差。
而局部路徑規(guī)劃則環(huán)境信息完全未知或有部分可知，側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息，讓機(jī)器人具有良好的避障能力，通過傳感器對機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測，以獲取障礙物的位置和幾何性質(zhì)等信息，這種規(guī)劃需要搜集環(huán)境數(shù)據(jù)，并且對該環(huán)境模型的動態(tài)更新能夠隨時(shí)進(jìn)行校正，局部規(guī)劃方法將對環(huán)境的建模與搜索融為一體，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有高速的信息處理能力和計(jì)算能力，對環(huán)境誤差和噪聲有較高的魯棒性，能對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和校正，但是由于缺乏全局環(huán)境信息，所以規(guī)劃結(jié)果有可能不是最優(yōu)的，甚至可能找不到正確路徑或完整路徑。
全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，很多適用于全局路徑規(guī)劃的方法經(jīng)過改進(jìn)也可以用于局部路徑規(guī)劃，而適用于局部路徑規(guī)劃的方法同樣經(jīng)過改進(jìn)后也可適用于全局路徑規(guī)劃。兩者協(xié)同工作，機(jī)器人可更好的規(guī)劃從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的行走路徑。
總之，近年來各國政府都非常重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，并投入了大量的資源激發(fā)機(jī)器人企業(yè)不斷創(chuàng)新、開拓進(jìn)取，相信未來，機(jī)器人也將成為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾粏T，引領(lǐng)人們走向更便捷的時(shí)代！
