輪式移動機器人文獻綜述

王曉蕓 崔 培 陳 曉

（石家莊鐵路職業技術學院 河北石家莊 050041)）

1 引言

隨著社會發展和科技進步，機器人在當前的工業生產和人們生活中的應用越來越多。輪式移動機器人由于其具有自重輕、承載大、機構簡單、驅動和控制相對方便、行走速度快、機動靈活、工作效率高等優點，而被廣泛應用于生產生活中的各個領域。輪式移動機器人不同的車輪數目一般采用不同的控制方式，因此，輪式移動機器人按照車輪數目可分為單輪滾動機器人、雙輪移動機器人、四輪移動機器人、多輪（復六輪和八輪）移動機器人。對這些機器人的研究現狀進行了分析，并對輪式移動機器人的性能、運動學分析方法、動力學建模方法進行了比較和總結。

表1 獨輪機器人研究現狀

續表1

2 輪式移動機器人研究現狀

獨輪車機器人一個多變量、 強耦合、 非線性的復雜動力學系統，其產生穩定運動所需解決的動態平衡問題，是一個很好的控制理論和動力學研究模型。雙輪自平衡機器人需要在沒有外力作用下能夠僅靠自身從倒地狀態恢復到豎直平衡狀態，即雙輪機器人自平衡。多輪移動機器人獨立驅動輪式移動機器人每只車輪都是單獨的動力源并且相互獨立，對車輪的輸出轉矩直接控制，具有很強的受控性。表1、表2、表3分別是是獨輪滾動機器人、雙輪自平衡機器人及多輪機器人的研究現狀。

表2 雙輪機器人研究現狀

表3 多輪機器人研究現狀

3 輪式移動機器人的運動學和動力學特性分析方法

輪式機器人的運動學分析方法主要有矢量法（速度合成法）、坐標變換法（D-H）、幾何法和輪心建模法等。矢量法是通過描述多剛體運動時不同位置以及不同剛體間的速度來建立動力學方程式，其矢量方程易列出，物理意義明確，但求解繁瑣，多用于平面移動機器人的建?；蛘卟⒙摍C構建模。坐標變換法是對車體建立關節坐標系，利用D-H法進行坐標變換，再對關系式求導，得出輪子相對車體的速度雅可比方程式，該方法較為繁瑣，需進行偏導運算且速度雅可比矩陣元素表述復雜，物理意義不明確，用于不規則地形下輪式機器人的運動學建模。幾何法是根據剛體運動時不同剛體、桿件之間的幾何約束，建立運動學方程式，該方法比較直觀、易懂，用于模型簡單場合。輪心建模法通過分析多剛體的運動以及不規則地面上輪式移動機構轉動角速度特性建立運動學方程式，該方法可準確、快速建立運動學模型且具有明確物理意義，用于不規則地形下輪式或輪腿復合式機器人的運動學模型。

輪式機器人的動力學分析方法主要有拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程、凱恩方程法和虛功原理等。拉格朗日方程只需計算系統的動勢能，動力學方程式簡單、整齊，但需計算動能的導數和偏導數，部件增加時，其計算量呈幾何級數增加，因此適用于較簡單的動力學方程，以避免方程中出現內力項。牛頓-歐拉方程應用質心動量矩定理列出隔離體的動力學方程，內力項物理意義明確，可表達系統完整受力關系，但其方程數量大，計算效率低，多用于實時控制。凱恩方程以矢量運算為基礎，無需計算各部件動勢能的導數和偏導數，計算量小，可推導相應的遞推公式，但只適用于串聯機構。虛功原理依據系統外力和慣性力因為位移而做的虛功之和，動力學方程簡潔，能表示出各構件的耦合性，但不宜求解復雜系統的虛功，適用于構件較少的串并聯系統。

4 結論

輪式移動機器人的研究主要有機構、動力和運動控制三個方面的內容。輪式移動機器人由于車輪布置形式以及車身結構的不同，對地形的適應能力以及動力學特性也有著很大的不同。因此，在設計輪式移動機器人時，要綜合考慮考慮工作環境、控制精度、靈活性、運動學和動力學特性。