第1章 绪论

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。机器人在当前生产、生活中的应用越来越广泛，在某些场合和环境中正在替代人发挥着日益重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。而移动机器人是机器人学中的一个重要分支，且随着传感技术、计算机科学、人工智能及其他相关学科的迅速发展，移动机器人正向着智能化和多样化方向发展，它的应用也越来越广泛，几乎渗透到所有领域。本章通过介绍移动机器人的基本概念、发展过程、相关技术、一些典型系统、应用领域及展望，使读者对移动机器人有一个整体的了解，为后续章节的讲述提供基本的背景知识。

1.1 移动机器人的发展

机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式、将人从危险、恶劣、繁重的工作环境中解放出来等方面，显示出极大的优越性。不过，就机器人而言，目前还没有统一的定义，而且自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个确切的定义。欧美国家认为，机器人应该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械”。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会（Robot Institute of America, RIA）于1979 年给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”概括说来，机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。

20世纪60年代以来，机械加工、弧焊点焊、喷涂、装配、检测等各种类型的机器人相继出现并迅速在工业生产中实用化，这大大提高了各种产品的一致性和质量。然而，随着机器人的不断发展，人们发现，这些固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要。因此，20世纪80年代后期，许多国家有计划地开展了移动机器人（Mobile Robot）技术的研究。所谓的移动机器人，就是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境中工作的机器人。自主式移动机器人的目标是在没有人的干预且无需对环境作任何规定和改变的条件下，有目的地移动和完成相应任务。在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。导航研究的目标就是：在没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作。因此单从系统硬件层次上讲，移动机器人必须具有丰富的传感器、功能强大的控制计算机以及灵活和精确的驱动系统。

1．国外移动机器人的发展

（1）室外几种典型应用移动机器人

美国国家科学委员会曾预言：“20世纪的核心武器是坦克，21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将陆续装备部队，并走向战场。”为此，从80年代开始，美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，如DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆（ALV）计划（1983—1990），能源部制定的为期10年的机器人和智能系统计划（RIPS,1986—1995），以及后来的空间机器人计划；日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划；欧洲尤里卡中的机器人计划等。

初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时，也推动了其他国家对移动机器人的研究与开发。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。

由美国 NASA 资助研制的“丹蒂Ⅱ”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人。它与其他机器人（如NavLab）不同之处，是它于1994年在斯珀火山的火山口中进行了成功的演示，虽然在返回时，在一陡峭的、泥泞的路上，失去了稳定性，倒向了一边，但作为指定的探险任务却早已完成。其他机器人在整个运动过程中，都需要人参与或支持。丹蒂计划的主要目标，是为实现在充满碎片的月球或其他星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。

美国NASA研制的火星探测机器人“索杰那”于1997年登上火星，这一事件向全世界进行了报道。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制。命名为 Rocky7，并在Lavic湖的岩溶流上和干涸的湖床上进行了成功的实验。

德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过36个小时的考验，所表现出的性能是其他现存的轮椅机器人或移动机器人不可匹敌的。这种轮椅机器人是在一个商业轮椅的基础上实现的。

国外还研制了一种独轮机器人，它与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比，具有更好的动态稳定性、对姿态干扰的不敏感性、高可操作性、低的滚动阻力、跌倒的恢复能力和水陆两用性。这是运动性的一种新概念。

（2）高完整性机器人

没有一个系统可以做到100%可靠。一个可靠机器人是指它一直正常地工作；一个高完整性机器人则时刻监视自己的行为，一旦发现异常，立即停止运转。因此，一个高完整性机器人并不一定要连续工作，但工作时则一定是正确的。

（3）遥控移动机器人

对机器人自主性的挑战来自要求完成的任务和高度非结构化和变化的环境。在大多数室外环境中，要求机器人完全自主地完成任务，目前还有一定的困难。远程操作的半自主机器人毫无疑问是一个发展方向。因此先进的远程操作技术是将来所必需的。完全遥控是实现远程操作一个或几个移动机器人的最佳可能方案，但价格昂贵。研制一套适于远程操作的、使用起来既自然又容易的人机交互方案是必需的。在未知和变化的环境中，头部跟踪系统是有效且可行的。

（4）环境与移动机器人集成

H.Ishiguro通过对以前机器人研究工作的回顾，发现过去智能机器人的工作主要集中在自主性上。因此，他提出了一个新概念：感知信息基础设施。就像人需要道路、交通信号灯等一样，机器人为了在一个动态变化的环境中行动，也同样需要基础设施。作者将一个用导航移动机器人的分布式视觉系统作为例子，进行了解释和说明。实验在一个缩小了1/12的城镇模型中进行，内有阴影、树木结构、草地和房屋，足以代表室外环境的真实情况，并安装了用于机器人导航用的l6个摄像机智能体，实现了移动机器人与环境的融合。

（5）生态机器人学（生物机器人学）

生态机器人学就是把生态学的原理应用到移动机器人设计中去的实践。目前所用到的原理简述如下：

◆ 由于机器人和环境的不可分离性，因此应将其作为一个整体来看待；

◆ 机器人的行为是由这个系统的动力学创现出来的；

◆ 基于感知和行为的直接关系，为了达到系统的一个期望状态，机器人的任务就是将已有的信息映射到受其管理的控制参数上；

◆ 环境提供足够的信息以使产生自适应行为成为可能；

◆ 因为机器人在环境中，所以环境不必在机器人之中，也就是说，无需一个中心模型，但要留出空间用于具体任务的记忆和学习。

（6）多机器人系统

美国DARPA的战术移动机器人计划，是一个四年研究计划，于1998年开始，分为技术开发和系统设计两个阶段进行。技术开发包括机器感知、半自主操作和机器人运动三个方面，目的是研究和开发由许多小的、低价的、半自主的移动机器人组成的机器人团队的协调与控制技术，并将其应用于重大战略情况下。例如：正在发生军事冲突的市区的侦察任务，在这种情况下，市区中人口稠密、建筑物多，涉及的人员分布在其里里外外、上上下下，从而使作战部队处于危险和不可预测的境地。因此，本项目的一个长期目标，就是在发生战斗的条件下，使用机器人团队，在现场的内外为部队提供支持。附带的另一个长期目标是建立和发展一个自制的工业标准基础，以迎接将来国防对军用机器人的需求。

美国的MDARS项目是在著名的保安机器人ROBART的基础上建立的一个多移动机器人平台，用来在指定地点执行随机巡逻任务。第一期任务，是用于国防部仓库和储蓄场自动化闯入探测和库存量的查定，这期任务，在经历了实验室到模拟实验场地之后，已经在一个作战用的真实仓库环境内，进行了成功的演示。第二期任务，主要强调在国防部的室外仓储地的应用。

美国的FETCH计划是在BUGS计划的基础上，研究使用一群小的、坚固的、自主的移动机器人去清除地表上的未爆炸的M42炮弹。首先建立一个实验床，由四个机器人和一个陪同的操作员控制单元组成，研究如何确定任务要求和一个有效的机器人解决方案的参数。在这些参数中，要考虑自主与半自主机器人控制的比较，用于确定弹药位置的随机与直接搜索策略的比较，整个场地与有限移动驱动系统的比较。决定性的因子来自于任务的进一步细化和实际的性能。整个计划的最终目标是用一到两个得到基本训练的爆炸物处理专家，监控多达50个机器人，在一个足球场大小的现场上并行地工作，清除危险品。任务完成的标志是：在有限的时间内，搜集尽可能多的手榴弹。对机器人的要求：一是小且轻，以便搬运到现场，能在铺满自然障碍物和冲突后的残骸的现场中导航，能在现场的边界上停留，提高操作速度；二是成本不高，以便意外损坏是可以容忍，装有适应的和可重用的部件。

机器人正在从工厂的结构化环境进入人们每天的生活环境——医院、办公室、家庭、建筑工地和其他杂乱及不可控环境。要求机器人不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务。这就需要机器人具有下述能力：移动和操作集成于一体的能力，在多机器人之间的协作能力，与人的交互能力和无碰撞路径的实时修改能力。Khatib等讨论了这个问题，并给出了有关的模型、策略和算法的开发，并在斯坦福大学的两个完整性移动平台上进行了演示。

自从1996年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来，现在一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加，极大地推进了多移动机器人技术的研究，成为研究和验证人工智能成果的实验床。

还有关于多移动机器人的一些新的提法，如认知机器人学、生态机器人学、协作机器人学、社会机器人学以及广义社会学等。

2．国内移动机器人的发展

我国在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有：

（1）清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。涉及五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术研究（准结构道路网环境下的全局路径规划，具有障碍物越野环境下的全局路径规划，自然地形环境下的全局路径规划）；基于传感器信息的局部路径规划技术研究（基于多种传感器信息的“感知—动作”行为，基于环境势场法的“感知—动作”行为，基于模糊控制的局部路径规划与导航控制）；路径规划的仿真技术研究（基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟，室外移动机器人规划系统的仿真模拟，室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟）；传感技术、信息融合技术研究（差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术）；智能移动机器人的设计和实现（智能移动机器人THMR—Ⅲ的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统）。

（2）香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。

（3）中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防爆机器人。

（4）中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。

（5）哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。

1.2 移动机器人的分类

移动机器人可以从不同的角度进行分类。从工作环境可分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体系结构可分为功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途可分为医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；按作业空间可分为陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。下面按照工作场所和功能的不同，对各类移动机器人作一个大概的介绍，可供读者在感性方面对各类移动机器人有个初步的了解和认识。

1．管道机器人

管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机机-电-仪一体化系统，属于特种机器人的研究范畴。随着特种机器人技术及管内检测移动机器人技术的成熟，它在工业中的应用也越来越广泛。其主要功能有：检测管道使用过程中的破裂、腐蚀和焊缝质量情况，在恶劣环境下承担管道的清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护工作，对地下管道进行修复。到目前为止，研制开发出的管道机器人以轮式和履带式为主。图1.1所示为管道机器人在人民大会堂的空调管道内进行洗刷作业。

2．水下机器人

21世纪是人类开发海洋的新世纪，进行海洋科学研究、海上石油开发、海底矿藏勘探、海底打捞救生等，都需要开发深海载人潜水器和水下机器人技术。因此，发展水下机器人的意义重大。水下机器人的种类很多，如载人潜水器、遥控有缆水下机器人（ROV）、自治无缆水下机器人（AUV）等。ROV是最早得到开发和应用的潜水器，而AUV由于自身的优点，代表了未来水下机器人的研究方向。图1.2所示为由我国沈阳自动化研究所研制的CR无缆自治水下机器人。

3．空中机器人

空中机器人在通信、气象、灾害监测、农业、地质、交通、广播电视等方面都有广泛的应用，目前其技术已趋成熟，性能日臻完善，逐步向小型化、智能化、隐身化方向发展，同时与空中机器人相关的雷达、探测、测控、传输、材料等方面也正处于飞速发展的阶段。空中机器人主要分为仿昆飞行机器人、LTA（lighter than air ，轻于空气）飞行机器人、微型飞行器等。仿昆飞行机器人是一类基于仿生学原理开发的空中机器人，具有小尺寸、便于携带、行动灵活和隐蔽性好等特点，其飞行性能和物理特性是：雷诺数极小，表面积与体积之比很大，总质量严格受限。从结构特点、飞行力学、负载特性、能量供给和敏捷性等方面，仿昆飞行机器人与蜻蜓、蜜蜂或蜂鸟有些相似，与传统的飞机有本质区别。

4．军事机器人

军事机器人是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机，其作用有三个方面：一是直接执行战斗任务；二是侦察和观察；三是工程保障。军用机器人广泛的发展前景，引起了世界军事家们的高度重视，许多国家为此都制定了军用机器人的发展计划。军用机器人有侦察机器人、爆炸物处理机器人、步兵支援机器人和无人机等。图1.3所示为拆弹机器人。

目前智能军用机器人正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化方向发展，随着电脑技术、光电子技术、通信技术以及自动控制技术的不断完善和进步，军事机器人将朝着更高的层次发展。

5．服务/娱乐机器人

服务机器人是一种半自主或全自主工作、为人类提供服务的机器人，目前主要有医用机器人、家用机器人、娱乐机器人、导游机器人等。其中医用机器人具有良好的应用前景，能够完成或辅助完成常规医疗方法和设备难以完成的复杂诊断和手术，已在各类外科手术和无损伤检测等方面引起重大变革，大大提高了医疗水平。因此，医用机器人的研究开发，不仅对常规医疗带来一系列技术变革，对临床、家庭护理及康复工程的发展产生深远影响，还将推动智能机器人、计算机、虚拟现实、微机械电子等学科的发展。日本福岛县的会津中央医院使用新型机器人来取代真人做接待工作，使得这家医院看起来更加机械化了。图1.4所示为医用机器人。

娱乐机器人以供人观赏、娱乐为目的，具有机器人的外部特征，可以像人或像某种动物一样，同时具有机器人的功能，可以行走或完成动作，有语言能力，会唱歌，有一定的感知能力，如机器人歌手、舞蹈机器人、乐队机器人、玩具机器人等。图1.5所示的“帕佩罗”是NEC推出的一款个人机器人（Personal Robot），长得和亲戚PaPeRo有点像，头部能灵活运动，可透过内置的喇叭及脸部的LED灯泡，展现出不同的表情；在你回到家时他会亲切的呼唤你，陪你聊天，主动帮忙做事；若你真的累了，内设无线网络连接的他，也可贴心的帮你读电子邮件，切换电视频道、关闭或启动家中的电器用品。

足球机器人是目前研究机器人技术及多智能体技术的重要平台，是人工智能领域最具挑战性的课题之一。每年国际上都有各种类型的足球机器人比赛，比较有影响的主要有国际机器人足球联合会（FIRA）和国际人工智能协会组织的RoboCup。机器人足球赛如图1.6所示。足球机器人是一项集高科技和娱乐性于一体的竞技项目，涉及机器人学、机电一体化、通信与计算机技术、图像处理、传感器数据融合、决策与对策、模糊神经网络、人工生命与智能控制等学科的内容，是最受关注的一类娱乐机器人。

导盲机器人是一种得到广泛应用的服务机器人。其外形如一辆童车，通过有线控制带领盲人行走，当遇到障碍物或有危险情况时，向盲人发出警告并自动停下来。导盲机器人还装有街道地图移动数据库，由计算机对地图进行图像处理。

6．仿生机器人

仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行。如图1.7所示的英国埃塞克斯大学制作的机器鱼。图1.8所示为机器狗。21世纪人类将进入老龄化社会，发展仿人机器人将会弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。一些研究小组将注意力集中在制造具有人类形状的、能够完成类人动作且具有商业意义的仿人机器人上，本田仿人机器人是其中的代表。本田开发出世界上最先进的仿人机器人ASIMO，如图1.9所示。为了建立通用的柔性灵巧自治机器人的原型并在此基础上研究人类的认知过程，以及人类智能的本质，麻省理工学院布鲁克斯领导的研究小组研制出了名为COG的仿人机器人。COG共有21个自由度，安装了视觉、听觉、肌肉运动觉和触觉传感器，成功地实现了三种随意运动和两种不随意运动，能够按照外界突然刺激的方向转动头部并作出必要的反应，用手臂指向视觉目标。国内的研制工作起步较晚，不过可以预见将来的市场会很有前途。

7．微型机器人

微型/微操作机器人是正在兴起的机器人新领域，以纳米技术为基础，涉及微机械及其基础材料、微电子、微驱动与控制技术、微测量技术、微传感器、微能源、微系统设计等。微操作机器人是指机器人的运动位移在几微米和几百微米的范围内，其分辨率、定位精度和重复定位精度在亚微米至纳米级的范围内。

将微定位技术中的弹性平板和柔性铰链等应用到亚微米至纳米级的范围内；将微定位技术中的弹性平板和柔性铰链等应用到机器人的传动机构，再加上机器人控制技术、传感技术和机器人视觉组成微驱动和微操作机器人系统。微型机器人技术在生物工程、医学工程、微型机电系统、光学、超精密加工及测量（如扫描隧道显微镜）等方面具有广阔的应用前景。

1.3 移动机器人技术简介

移动机器人技术是传感技术、控制技术、信息处理技术、机械加工技术、电子技术、计算机技术等多门技术相结合的成果。因此，对于移动机器人的发展也必然建立在这些技术的高速发展的基础上。下面简要介绍移动机器人的关键技术，其中的一些还会在后续的章节里进行详尽介绍。

1．机器人机构

机器人的机械结构形式的选型和设计，应该根据实际需要进行。在机器人机构方面，应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用，开展丰富而富有创造性的工作。对于移动机器人，须研究能适应地上、地下、水中、空中、太空等作业环境的各种移动机构。

当前，对足式步行、履带式和特种机器人研究较多，但大多数仍处于实验阶段；而轮式移动机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展。电动汽车是推动轮式移动机器人技术进步的动力之一，因此应注意这方面的研究进展。

2．体系结构

机器人的智能系统具有以下特点：信息密集，多层次的信息与知识表示方式，与环境交互丰富多样，信息与知识分布存储等。机器人是一个高智能、多系统的复杂系统工程，不是单元技术的简单连接，系统的总功能是各种分系统在多层次的协调和分工中集成的。因此，机器人的总体集成技术是一个核心问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。

体系结构的研究，主要针对有意识行为和反射行为而展开，如何将两者相统一，是目前研究的一个热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的，其体系结构一般只能在“积木世界”中运行。美国MIT的人工智能实验室的Brooks提出了包容体系结构思想，并建立了一系列新型的移动机器人。包容体系结构采用所谓“感知—动作”结构，又称基于行为的结构。一些实验表明，包容体系结构在处理动态环境中不确定性和模仿动物的低级反射行为方面具有很多优点。最近，很多采用了基于行为控制的思想与传统 AI 符号主义思想影响的体系结构不同的新型结构纷纷提了出来。目前，这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶段，很多工作有待深入。实际上，移动机器人要完成的任务非常复杂，而上述的两种体系结构各有优缺点。因此，又提出了各种混合体系结构，最近又有人提出二重体系结构。

3．运动规划

运动规划是移动机器人的一个重要问题，它的目标是在一个存在障碍物的环境中，为移动机器人寻找一条无碰撞路径。对于自由运动的机器人，即机器人的运动不受限制，运动规划问题可以通过在自由位形空间内计算出一条路径加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相对应。

运动规划耗时很多，一个重要的解决办法就是并行在复杂动态的环境中考虑运动规划问题，将有更多的问题有待研究。其中一个重要的方面，就是多机器人的运动规划问题。多机器人运动规划中，多移动机械臂的运动规划是一项重要的研究内容，但至今成果极少，尤其是在考虑非完整约束的情况下。

4．导航与定位

在移动机器人的应用中，精确的位置认知是一个基本问题。有关位置的测量，可分为两大类：相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7种：里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔、全球定位系统、路标导航和地图模型匹配。其中，前两种属于相对位置测量，也称为航迹推算。

5．跟踪控制

跟踪控制是移动机器人运动控制的一个重要问题，也是一个非常实际的问题。分为轨迹跟踪控制和路径跟踪控制两种。在轨迹跟踪控制中，移动机器人要求跟踪的期望轨迹是以时间关系曲线图给出的；而在路径跟踪控制中，期望轨迹是由方便的几何参数（如路径的弧长）来描述的。当要求机器人必须在一个特定的时间内到达一个特定的地点时，轨迹跟踪控制是必需的；当要求机器人以一个期望的速度跟踪一条由几何参数给出的路径时，路径跟踪控制是合适的。已有的轨迹跟踪方法在数学上很精致，并且得到许多有意义的结果；但对于设计跟踪控制器来说，并不是最好的方法。事实上，在传统的自动化应用中，常常采用基于几何路径跟踪概念的方法，控制器的设计更与人的直觉接近，简单并易于实现。

关于这方面的工作，早期开展较多，近期主要集中在考虑非完整约束和力学的情况下，如何实现有效跟踪。这方面的研究已基本成熟。

6．反馈镇定

运动控制是机器人控制的一个重要方面。移动机器人的运动控制可分为两种策略：开环策略和闭环策略。开环策略，就是试图寻找一个有界的控制输人序列来操纵系统，使其从一个初始位形到任意的期望位形。这种策略都是和机器人的运动规划联系在一起的（离线生成时就叫运动规划）。闭环策略，就是反馈镇定。考虑非完整约束的移动机器人系统，是一个欠驱动的非完整系统，也是一个无漂移的零动力学系统。此类系统不满足纯状态光滑镇定的必要条件，也就是说，这类系统不能用连续可微的时不变的纯状态反馈律来予以镇定。因此，不连续控制、时变控制及它们的混合策略就是必然的选择。所以，为其设计一个反馈镇定律，是一个挑战性的工作，也是目前一个非常活跃的研究领域。

7．交互技术

交互技术包括人机接口、机器人开发语言和机器人互联通信技术。从单个机器人发展到多个机器人，通过协调来完成任务，这就要求研究通信技术。尽管通信技术发展很快，但它不是面向多机器人的。多机器人系统的通信特点和实现方式有待进一步研究。

8．多传感器系统与信息融合技术

多传感器及先进的感知算法，将是在现实环境中实现具有高度灵活性及高鲁棒性行为机器人的关键。

多传感器数据集成与融合是一项内容广泛的技术，涉及传感器、信号处理、机器人学、控制理论、系统分析、概率统计、计算机科学、仿生学等很多方面的知识，同时它也是一项用途广泛的技术，是信息融合的基础。信息融合技术不仅包括传感信息，而且包括社会信息。信息融合技术现在拓展到大型数据库的数据挖掘、遥感、战场监控及环保等方面。

9．智能技术

由于人体太复杂，人类的智能行为至今仍是一个谜，像生命科学中生物具有生命一样，今天我们仍知之甚少。而智能技术是用机器来模拟人的外在认识和思想行为的技术总称。目前，对于智能技术的研究，主要分为间接进化和直接进化两大派。前者主要以符号主义的人工智能为代表；后者以计算智能技术为代表，包括神经网络技术、模糊技术、进化计算（遗传算法、进化策略、进化规划等）和基于个体的复杂系统的研究。前者采用自顶向下的技术路线，后者采用自底向上的技术路线。其实，人在处理问题时，两者是混合使用的。因此，两者的有机结合更恰当。

对于移动机器人来说，关键智能技术是自动规划技术和基于传感的智能。机器的智能行为包括知识理解、推测、感觉、认识推理、归纳、推断、计划、反应、学习和问题求解等。涉及的领域包括图像理解、语音和文字符号的处理与理解、知识的表达和获取、学习、智能运动等。

1.4 典型的移动机器人系统介绍

1.Pioneer（先锋）系列机器人

该系列机器人是目前全世界最成熟的轮式移动机器人研究平台，也是最早进入中国的高性能移动机器人研究平台。在这个系列中，主要分为适应各种地形研究的室外机器人—AT和室内研究机器人—DX。它们都有2个驱动轮，后部带有平衡轮，配有ARIA Robotics API和Saphira 8+软件、ACTS颜色跟踪软件、8个前声纳系统、8个后声纳系统，有电子罗盘、手臂、抓手、车载计算机、视觉系统、有线遥控手柄、无线通信系统。此外也可装有激光传感器、GPS定位系统、激光定位导航软件等。Pioneer系列机器人如图1.10所示。

2.NavLab-5移动机器人

美国卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon University, CMU）机器人研究所研制的NavLab系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。

NavLab—5系统由CMU于1995年建成，车体采用Pontiac运动跑车。CMU 与AssistWare技术公司合作开发了便携式高级导航支撑平台PANS（Portable Advanced Navigation Support）。其传感器系统包括：① 视觉传感器Sony DXC-15IA 彩色摄像机一台；② 差分GPS系统一套，差分模式下定位精度为2～5m; ③ 光纤阻尼陀螺；④ 光码盘。计算机系统包括一台Sparc Lx便携式工作站和一台HCI1微控制器。工作站完成传感器信息处理与融合、全局与局部路径规划；HCI1完成底层车体控制与安全监控。NavLab—5在实验场环境道路上自主驾驶的平均速度为88.5km/h。公路实验时首次进行了横穿美国大陆的长途自主驾驶试验，其自主驾驶的行程为4496km，占总行程的98.1%。虽然计算机仅控制方向，而油门和刹车由人工控制，但这个结果仍相当令人鼓舞。NavLab—5系统的雄姿如图1.11所示。

3.Ranger NBV移动机器人

Ranger NBV（Ranger Neutral Buoyancy Vehicle）机器人是美国宇航局（NASA）为在太空完成灌注燃料、更换配件等在轨操作而开发的6-DOF自由移动机器人。Ranger NBV结构如图1.12所示，其主要组成模块包括电气模块、推进模块、外部传感模块、传感模块、飞行控制模块等。

4.Rover移动机器人

美国宇航局 JPL 实验室的火星探测车 Rover 实际上是一个移动机器人，在火星上充当机器人地理学家，进行火星科学考察。

Rover机器人如图1.13所示，主要组成部分有：机器人躯体，它是一个恒温的电子箱，称为“WEB”（Warm Electronics Box）；机器人控制系统，其与人和动物不同之处是它位于躯体内部；温度控制系统；Rover的颈、头和手臂；行走机构；电源系统；通信系统。

5.Climber移动机器人

Climber是中科院沈阳自动化研究所研制的基于非线性结构环境的移动机器人，可以在高低不平、有障碍物及楼梯等复杂多变的环境中使用。这种机器人的移动机构由轮、腿、履带复合构成，它具有翻越障碍和楼梯、跨越壕沟、在倾斜面上行走、倾倒后自行复位的功能。

Climber机器人的传感系统包括环绕在车体四周的11个超声传感器、7个红外传感器、1个摄像头和一个电子罗盘。超声和红外传感器用于采集车体附近的障碍物距离信息，经过滤波、归一化处理后作为避障算法的输入；摄像头具有大范围的俯仰和侧摆能力，用于机器人自身寻找和定位目标；电子罗盘用于感知机器人的航向和位姿。机器人主控计算机是一个PC104计算机，另有一台PC104计算机负责传感器信息采集处理。

6.THMR—V移动机器人

南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制的多功能室外智能移动机器人实验平台THMR—V，车体采用道奇7座厢式车改装，装备有彩色摄像机、GPS、磁罗盘光码盘定位系统、激光测距仪LMS220等。计算机系统采用Pentium α计算机两台，其中一台进行视觉信息处理，另一台完成信息融合、路径规划、行为控制、决策控制等功能。4台IPC工控机分别完成激光测距信息处理、定位信息处理、通信管理、驾驶控制等功能。THMR—V系统的GPS采用加拿大Novatel公司生产的3111R 单频l2通道实时差分GPS系统。该系统由两台3111R GPS接收机、FRM96S—35（W）电台及MODEM组成。该智能车设计车速：高速公路为80km/h，一般道路为20km/h。

除上面介绍的几种移动机器人系统外。国外及我国还有很多机构开展了这方面的研究，并且有不少系统已日趋成熟，应用广泛，还有不少样机原型问世。

1.5 移动机器人的应用及其展望

前面已经提到，移动机器人正向着智能化和多样化等方向发展，其应用也越来越广泛，几乎渗透到所有领域。可以预见在21世纪，移动机器人将会出没在人类生活的每个角落，以不可阻挡之势成为时代发展的主流，我们要做好应对之策，加大对移动机器人的开发和应用，争取走在时代前列，赶超欧美和日本等发达国家，使移动机器人能更好地为我国社会主义现代化建设服务，为我国的人民大众服务。

前面在对移动机器人进行分类时，对各类移动机器人的功能和应用作了相应的介绍，这里着重对移动机器人在各领域的应用做一个整体的概述。

工业生产中，那些固定于某一位置的机器人已被大量使用，同时移动机器人也已应用于工业生产中，例如搬运机器人搬运货物等。随着工业生产的发展及机器人对生产环境和作业要求的高度适应性，可以想见，越来越多的移动机器人将被用于工业生产中，从事更多种类的生产作业，使工业生产实现高度自动化，从而更多地替代人类去完成那些繁重的、重复单调的、有害健康和危险的工业生产劳动。

在人类要探索和开发的宇宙、海洋和地下等未知的危险环境中，例如空间移动机器人可被送上天空，去开发与利用空间，发现与利用外界星球的物质资源；水下机器人将用于海底探索和开发、海洋资源开发和利用、水下作业和救生等。所有这类危险环境中的作业都可利用移动机器人去做。

在未来战争中，机器人将发挥重要作用。例如：机器人坦克、自主式地面车辆、扫雷机器人等；作战机器人、侦察机器人、哨兵机器人、排雷机器人、布雷机器人等会迅速发展；将来可能出现机器人化部队或兵团，在未来战争中将会出现机器人对机器人的战斗。

21世纪，机器人将用于提高人民健康水平与生活水准、丰富人民文化生活。例如：服务机器人将进入家庭，从事清洁卫生、园艺、炊事、垃圾处理、家庭护理与服务等作业；在医院，机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业；在商业和旅游业中导购机器人、导游机器人和表演机器人都得到发展；智能机器人玩具和智能机器人宠物的种类将不断增加，从而使人类生活更加丰富多彩。

在农业、林业、畜牧业和养殖业等方面已开始应用机器人技术，能够合理地利用劳动力资源，提高劳动生产率。农业、林业、畜牧业和养殖业等将从现在的手工、半机械化和机械化作业发展到工业化和自动化生产。

随着电子技术的飞速发展，机器人用的传感器正趋于成熟，计算机的计算能力正得到显著提高，移动机器人的关键技术得到深入而广泛的研究，并且部分已经趋于成熟，移动机器人领域正处于一个激动人心的时刻——正一步一步走向人们生活的各个领域。当前，移动机器人系统及其关键技术研究的趋势包括：

● 导航与定位。无论是单个移动机器人还是多个移动机器人系统，导航与定位始终是一项难题。在完全未知或部分未知环境中，基于自然路标导航与定位技术及视觉导航中路标的识别和图像处理的快速算法的研究，并通过专用数字信号处理器（DSP）的开发与研制，可以为导航与定位提供突破性进展。

● 现场与服务机器人。继续开拓新的应用领域，研制新的机型，进行更多、更复杂、更符合实际的现场试验，积累更多的经验，吸取更多的教训，为实用化奠定坚实的基础。

● 高完整性机器人。机器人工作时，不仅要与周围的设备共同工作，而且要与人一同工作，所以研制高完整性的机器人，有可能使其早日实用化。

● 网络机器人。随着计算机网络的扩展延伸，网络技术的发展完善，通过计算机网络遥控机器人，为人机交互技术、监控技术、远程操作技术和图像与控制命令的网络传输及并发多进程数据等通信技术提出了更高的挑战。

● 多移动机器人系统。多移动机器人系统的理论研究和工程实现已经成为机器人学的研究热点，这也是移动机器人发展的必然趋势。

● 主动环境。目前制造一个完全自主的机器人是很困难的。就像人一样，需要帮助，需要借助外界的力量来完成自己的使命。因此，提出主动环境的概念，即环境能为机器人提供所需的信息。所以，研究移动机器人与环境之间的有机结合，将会使其早日走向实用。

● 人与机器人融合。人本身的智能到今天也没有完全弄明白，机器人也就难以直接进化了。充分发挥人的智能，发展监控技术和良好的人机交互技术，甚至人机融为一体，是移动机器人走向实用的又一个途径。

● 智能技术。应用于移动机器人研究的各个方面，涉及传统人工智能和新的人工智能。关于人的智能到目前还没有揭开它的面纱，所以，没有一个理论可以用来完全指导研究智能的实现技术。当前开发的各种智能技术，可用于不同的各个方面。今后的发展，除了继续寻找新的智能技术之外，主要是各种技术的综合运用、相互补充。移动机器人要走向人类的日常生活，必须综合运用智能技术，包括智能运动控制技术、智能规划技术、智能行为技术以及它们的学习机制。这是机器人学中的关键基础研究课题。

● 特种机器人。移动机器人在各个领域中的应用刺激了特种机器人的研究与开发。战场上，为保护士兵的生命，刺激了无人战车、扫雷机器人和侦察机器人等军用机器人的不断研究；人民生活水平的提高促进了娱乐机器人、外科手术机器人和助残机器人等民用服务机器人的开发。

本章小结

本章主要讲述了移动机器人的定义、发展、分类、相关技术、一些典型的系统及其应用和展望。要对它们有一个整体的了解和认识，作为后续章节介绍的背景和基础知识。

移动机器人是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境中工作的机器人。

移动机器人可以从不同的角度进行分类，如工作环境、移动方式、控制体系结构、功能和用途、作业空间等。

移动机器人技术是传感技术、控制技术、信息处理技术、机械加工技术、电子技术、计算机技术等多门技术的结合，其中的关键技术包括机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术。

现有的典型移动机器人系统有：Pioneer（先锋）系列机器人，NavLab—5移动机器人， Ranger NBV移动机器人，Rover移动机器人，THMR—V移动机器人，Climber移动机器人。

移动机器人的应用领域包括：工业，宇宙、海洋和地下等未知的危险环境的探索，军事，人们的日常生活、娱乐场所和医院，农业、林业、畜牧业和养殖业等。

移动机器人的发展趋势是：导航与定位，现场与服务机器人，高完整性机器人，网络机器人，多移动机器人系统，主动环境，人与机器人融合，智能技术，特种机器人。