第2章 智能移动机器人的移动子系统

学习情境

智能移动机器人可通过自身配备的各种传感器探测自身及外部环境的相关物理信息，然后根据知识库及决策模块分析推理后，做出适当的反应及动作，这些都是智能移动机器人具有的与人相似的高级智能的体现。移动子系统作为智能移动机器人的执行模块，是机器人系统最终的控制输出，具有非常重要的作用。这个子系统的性能优劣，也是评价整体系统性能的关键因素之一，如RoboCup中型组足球机器人的移动子系统性能就会直接影响其控球、带球的能力。

机器人移动方式有很多，可选择的范围较大，那么怎样才能构建好机器人的移动子系统呢？下面以完成不同任务的方式来展开说明。

任务1 寻找不同运动方式的移动机器人

为了赋予机器人自主移动的能力，必须给机器人装上行走机构。智能移动机器人按照行走机构的不同主要分为腿式移动机器人、轮式移动机器人、履带式移动机器人等。移动机器人与传统工业机器人的一个重大的差异在于其工作环境不同，传统工业机器人大部分固定安装在厂房里，它们所处的环境一般是结构化的；而移动机器人由于其具有可移动性，必将面对高度非结构化、不断变化的环境的挑战。相应地，这将要求移动机器人具有更高的智能及性能较好的移动子系统。

1.腿式移动机器人

一提到腿式机器人，我们可能会马上联想到人类自身及自然界中的步行动物。大自然赋予人类一双腿，让人们可以无拘无束地走到想去的地方，尽管在现代社会中人们经常以车代步。

今天，我们可以在电视和工业展览会上看到仿人机器人像真人一样行走和跳舞，各种各样的机器人表演令人叹为观止。类人型机器人是人类梦想的机器人，一直以来都受到人们的青睐，已经成为机器人娱乐的焦点。

而事实上，仿人机器人是真正字面意义上或狭义的类人型机器人，类人型智能机器人是智能机器人的发展方向之一，隐藏在仿人机器人令人赞叹的表演背后是尖端的机器人科技。

早在20多年前，有关仿人机器人的研究和开发工作就已经开始了，当时主要着重于双足步行机的研究和开发。自从10年前本田公司推出仿人机器人P2后，仿人机器人的研发才形成了一个热潮。除了日本推出了QRIO、ASIMO和HRP-2等著名的仿人机器人以外，中国、韩国、美国和欧洲等国家和地区也成功地研制了各自的仿人机器人。

如图2.1所示的机器人QRIO会跳日本传统舞蹈，可以跑、跳、爬楼梯等，它由日本索尼公司设计及制造，使用了最新的机器人技术，于2003年首次亮相，充当企业大使。如图2.2所示的本田公司机器人ASIMO行走自如，进行如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作，ASIMO也可以做出如握手、挥手、回应等更为人性化的动作，甚至可以随着音乐翩翩起舞。这些动作看似简单，1岁多的孩子都能做到，但如果是一个机器人做出这样的动作，你肯定会大吃一惊。

作为腿式移动机器人的其他分支，机器宠物和一些救援机器人也受到了人们的高度重视。索尼公司推出AIBO机器狗ERS-7，如图2.3所示。这款ERS-7改进了设计，使AIBO的感觉表现更明显，同时提高了识别技术。在ERS-7的后背上装有大块电路，表面的LED指示灯可以将AIBO的情感通过不同灯光和颜色（白、红、蓝、绿）表现出来，同时可以通过传感器感知人的抚摸。

1993年世界某地火山爆发后，有8名火山研究人员遇难。在此之后，人们开始使用机器人参与危险的火山研究工作。1994年，卡耐基•梅隆的“但丁（二）”钻进阿拉斯加州还在冒着热气的斯普尔火山内收集数据，如图2.4所示。虽然数据还没上传，它就掉下去了，但不管怎么说，“但丁（二）”仍是人类第一个“成功”的陆地探测机器人。

腿式机器人的研究工作，很大程度上受到了自然界各种动物的启发。科学家们在研究昆虫、哺乳动物的腿部移动，甚至登山运动员在登山时的腿部运动方式后，更充分地了解了腿式移动机构在行走过程中发生的一切，特别是关节处的运动。同时，一些学者和部分研究机构则倾向于研究一些结构简单、低成本的腿式机器人，如图2.5所示的步行机器人、图2.6所示的六脚爬虫机器人、图2.7所示的六脚甲虫机器人。这类机器人模仿人类或动物的运动，其主要目的是通过简单的硬件配置，让机器人学会如何组织及复现一些类似动物的简单智能。

腿式运动以机器人和地面之间的一系列点接触为特征。腿式移动机器人不仅能在平坦地面上行走，而且能在崎岖的地面上步行、跨越沟壑、上下台阶等，还可以做出无滑动的完整单向运动，并能为其上的传感器提供稳定的动态平台，因此有广泛的适应性和机动性。其缺点是较难实现稳定步态规划和稳定平衡控制，运动速度和能量效率较低。另外，腿式移动机器人一般质量较大，结构也更为复杂。在所有驱动方式中，腿式需要最高的加工和装配等级，因为所有的腿的扭曲都会产生材料内部应力。每条腿的关节的个数被定义为自由度（DOF），自由度越多，平台越灵活，制作难度也越高。

2.轮式移动机器人

轮子是人类的一个伟大发明，是移动机器人和人造交通工具中最为普遍的驱动系统。轮式移动机器人一般操作简单、动作稳定，特别适合在平坦的地面上运动，有较高的运动速度和能量效率，是目前应用最多的一种机器人。但与腿式移动机器人相比，轮式机器人地形适应性较差，若没有特殊机构就无法跨越高墙或爬楼梯。机器人拥有的轮子数量可以是任意的，两个轮子是最为常见的设计，四个和六个轮子的也很多，而且一些设计新奇的轮子也在移动机器人中派上了用场。

在机器人学的发展过程中，第一个人工智能机器人Shakey也采用了轮式结构。斯坦福国际咨询研究所开发的机器人Shakey有点笨，经常做出荒谬的举动，但这款1972年制造的机器人终被载入史册，成为第一个能运用逻辑思维自行定位物体，并在物体周围移动的智能机器人。

2005年“大挑战”（世界上独一无二的无人驾驶汽车赛事）的完成者、无人驾驶飞机系统、《霹雳游侠》中的基特，都应该对詹姆士·亚当斯和汉斯·莫拉维克的斯坦福运货车表示敬意，如图2.8所示。早在1979年，这辆斯坦福运货车便在放满了椅子的房间里自行穿行，没有碰到一把椅子！这是自动导航车辆所取得的标志性成就。当然，它完成这项穿行任务也用掉了大约5个小时。

大多数移动机器人只能在实验室里供研究人员进行研究，但“勇气”号和“机遇”号这对火星探测漫游者孪生兄弟则不是这样。如图2.9所示，它们于2004年登陆红色星球火星时，人们预计它们只能维持3个月的“寿命”，然而，这两个流浪汉6年后仍然“健在”。迄今为止，它们已向地面发回几十万张火星照片以及几十GB的科学数据。

从这些智能机器人先驱中我们可以看到，轮式移动机器人为实现智能体的移动立下了汗马功劳。我们也将会在后面的章节中对轮式移动机器人做更深入的讨论。

3.履带式移动机器人

履带式移动机械在日常生活中也随处可见，如军用车辆、坦克、起重机、挖掘机等。北京航空航天大学机器人研究所也研制出了野外机器人，以小型、自主、可重构、便携和模块化概念为指导，研制了一台适用于多种野外环境的军用移动机器人，如图2.10所示。以新颖的水陆运动切换机构为基础，研制了一台两栖移动机器人。在系统上，运用未来协同作战系统概念，实现了功能集成、信息共享、多智能体移动定位控制、机器人群体行为协调以及人机交互等。