第2章 智能移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)子系統(tǒng)

學(xué)習(xí)情境

智能移動(dòng)機(jī)器人可通過自身配備的各種傳感器探測自身及外部環(huán)境的相關(guān)物理信息，然后根據(jù)知識(shí)庫及決策模塊分析推理后，做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)及動(dòng)作，這些都是智能移動(dòng)機(jī)器人具有的與人相似的高級(jí)智能的體現(xiàn)。移動(dòng)子系統(tǒng)作為智能移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行模塊，是機(jī)器人系統(tǒng)最終的控制輸出，具有非常重要的作用。這個(gè)子系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，也是評(píng)價(jià)整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，如RoboCup中型組足球機(jī)器人的移動(dòng)子系統(tǒng)性能就會(huì)直接影響其控球、帶球的能力。

機(jī)器人移動(dòng)方式有很多，可選擇的范圍較大，那么怎樣才能構(gòu)建好機(jī)器人的移動(dòng)子系統(tǒng)呢？下面以完成不同任務(wù)的方式來展開說明。

任務(wù)1 尋找不同運(yùn)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)器人

為了賦予機(jī)器人自主移動(dòng)的能力，必須給機(jī)器人裝上行走機(jī)構(gòu)。智能移動(dòng)機(jī)器人按照行走機(jī)構(gòu)的不同主要分為腿式移動(dòng)機(jī)器人、輪式移動(dòng)機(jī)器人、履帶式移動(dòng)機(jī)器人等。移動(dòng)機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重大的差異在于其工作環(huán)境不同，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人大部分固定安裝在廠房里，它們所處的環(huán)境一般是結(jié)構(gòu)化的；而移動(dòng)機(jī)器人由于其具有可移動(dòng)性，必將面對(duì)高度非結(jié)構(gòu)化、不斷變化的環(huán)境的挑戰(zhàn)。相應(yīng)地，這將要求移動(dòng)機(jī)器人具有更高的智能及性能較好的移動(dòng)子系統(tǒng)。

1.腿式移動(dòng)機(jī)器人

一提到腿式機(jī)器人，我們可能會(huì)馬上聯(lián)想到人類自身及自然界中的步行動(dòng)物。大自然賦予人類一雙腿，讓人們可以無拘無束地走到想去的地方，盡管在現(xiàn)代社會(huì)中人們經(jīng)常以車代步。

今天，我們可以在電視和工業(yè)展覽會(huì)上看到仿人機(jī)器人像真人一樣行走和跳舞，各種各樣的機(jī)器人表演令人嘆為觀止。類人型機(jī)器人是人類夢想的機(jī)器人，一直以來都受到人們的青睞，已經(jīng)成為機(jī)器人娛樂的焦點(diǎn)。

而事實(shí)上，仿人機(jī)器人是真正字面意義上或狹義的類人型機(jī)器人，類人型智能機(jī)器人是智能機(jī)器人的發(fā)展方向之一，隱藏在仿人機(jī)器人令人贊嘆的表演背后是尖端的機(jī)器人科技。

早在20多年前，有關(guān)仿人機(jī)器人的研究和開發(fā)工作就已經(jīng)開始了，當(dāng)時(shí)主要著重于雙足步行機(jī)的研究和開發(fā)。自從10年前本田公司推出仿人機(jī)器人P2后，仿人機(jī)器人的研發(fā)才形成了一個(gè)熱潮。除了日本推出了QRIO、ASIMO和HRP-2等著名的仿人機(jī)器人以外，中國、韓國、美國和歐洲等國家和地區(qū)也成功地研制了各自的仿人機(jī)器人。

如圖2.1所示的機(jī)器人QRIO會(huì)跳日本傳統(tǒng)舞蹈，可以跑、跳、爬樓梯等，它由日本索尼公司設(shè)計(jì)及制造，使用了最新的機(jī)器人技術(shù)，于2003年首次亮相，充當(dāng)企業(yè)大使。如圖2.2所示的本田公司機(jī)器人ASIMO行走自如，進(jìn)行如“8”字形行走、下臺(tái)階、彎腰等各項(xiàng)“復(fù)雜”動(dòng)作，ASIMO也可以做出如握手、揮手、回應(yīng)等更為人性化的動(dòng)作，甚至可以隨著音樂翩翩起舞。這些動(dòng)作看似簡單，1歲多的孩子都能做到，但如果是一個(gè)機(jī)器人做出這樣的動(dòng)作，你肯定會(huì)大吃一驚。

作為腿式移動(dòng)機(jī)器人的其他分支，機(jī)器寵物和一些救援機(jī)器人也受到了人們的高度重視。索尼公司推出AIBO機(jī)器狗ERS-7，如圖2.3所示。這款ERS-7改進(jìn)了設(shè)計(jì)，使AIBO的感覺表現(xiàn)更明顯，同時(shí)提高了識(shí)別技術(shù)。在ERS-7的后背上裝有大塊電路，表面的LED指示燈可以將AIBO的情感通過不同燈光和顏色（白、紅、藍(lán)、綠）表現(xiàn)出來，同時(shí)可以通過傳感器感知人的撫摸。

1993年世界某地火山爆發(fā)后，有8名火山研究人員遇難。在此之后，人們開始使用機(jī)器人參與危險(xiǎn)的火山研究工作。1994年，卡耐基?梅隆的“但丁（二）”鉆進(jìn)阿拉斯加州還在冒著熱氣的斯普爾火山內(nèi)收集數(shù)據(jù)，如圖2.4所示。雖然數(shù)據(jù)還沒上傳，它就掉下去了，但不管怎么說，“但丁（二）”仍是人類第一個(gè)“成功”的陸地探測機(jī)器人。

腿式機(jī)器人的研究工作，很大程度上受到了自然界各種動(dòng)物的啟發(fā)。科學(xué)家們在研究昆蟲、哺乳動(dòng)物的腿部移動(dòng)，甚至登山運(yùn)動(dòng)員在登山時(shí)的腿部運(yùn)動(dòng)方式后，更充分地了解了腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在行走過程中發(fā)生的一切，特別是關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，一些學(xué)者和部分研究機(jī)構(gòu)則傾向于研究一些結(jié)構(gòu)簡單、低成本的腿式機(jī)器人，如圖2.5所示的步行機(jī)器人、圖2.6所示的六腳爬蟲機(jī)器人、圖2.7所示的六腳甲蟲機(jī)器人。這類機(jī)器人模仿人類或動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，其主要目的是通過簡單的硬件配置，讓機(jī)器人學(xué)會(huì)如何組織及復(fù)現(xiàn)一些類似動(dòng)物的簡單智能。

腿式運(yùn)動(dòng)以機(jī)器人和地面之間的一系列點(diǎn)接觸為特征。腿式移動(dòng)機(jī)器人不僅能在平坦地面上行走，而且能在崎嶇的地面上步行、跨越溝壑、上下臺(tái)階等，還可以做出無滑動(dòng)的完整單向運(yùn)動(dòng)，并能為其上的傳感器提供穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平臺(tái)，因此有廣泛的適應(yīng)性和機(jī)動(dòng)性。其缺點(diǎn)是較難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃和穩(wěn)定平衡控制，運(yùn)動(dòng)速度和能量效率較低。另外，腿式移動(dòng)機(jī)器人一般質(zhì)量較大，結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜。在所有驅(qū)動(dòng)方式中，腿式需要最高的加工和裝配等級(jí)，因?yàn)樗械耐鹊呐で紩?huì)產(chǎn)生材料內(nèi)部應(yīng)力。每條腿的關(guān)節(jié)的個(gè)數(shù)被定義為自由度（DOF），自由度越多，平臺(tái)越靈活，制作難度也越高。

2.輪式移動(dòng)機(jī)器人

輪子是人類的一個(gè)偉大發(fā)明，是移動(dòng)機(jī)器人和人造交通工具中最為普遍的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。輪式移動(dòng)機(jī)器人一般操作簡單、動(dòng)作穩(wěn)定，特別適合在平坦的地面上運(yùn)動(dòng)，有較高的運(yùn)動(dòng)速度和能量效率，是目前應(yīng)用最多的一種機(jī)器人。但與腿式移動(dòng)機(jī)器人相比，輪式機(jī)器人地形適應(yīng)性較差，若沒有特殊機(jī)構(gòu)就無法跨越高墻或爬樓梯。機(jī)器人擁有的輪子數(shù)量可以是任意的，兩個(gè)輪子是最為常見的設(shè)計(jì)，四個(gè)和六個(gè)輪子的也很多，而且一些設(shè)計(jì)新奇的輪子也在移動(dòng)機(jī)器人中派上了用場。

在機(jī)器人學(xué)的發(fā)展過程中，第一個(gè)人工智能機(jī)器人Shakey也采用了輪式結(jié)構(gòu)。斯坦福國際咨詢研究所開發(fā)的機(jī)器人Shakey有點(diǎn)笨，經(jīng)常做出荒謬的舉動(dòng)，但這款1972年制造的機(jī)器人終被載入史冊，成為第一個(gè)能運(yùn)用邏輯思維自行定位物體，并在物體周圍移動(dòng)的智能機(jī)器人。

2005年“大挑戰(zhàn)”（世界上獨(dú)一無二的無人駕駛汽車賽事）的完成者、無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)、《霹靂游俠》中的基特，都應(yīng)該對(duì)詹姆士·亞當(dāng)斯和漢斯·莫拉維克的斯坦福運(yùn)貨車表示敬意，如圖2.8所示。早在1979年，這輛斯坦福運(yùn)貨車便在放滿了椅子的房間里自行穿行，沒有碰到一把椅子！這是自動(dòng)導(dǎo)航車輛所取得的標(biāo)志性成就。當(dāng)然，它完成這項(xiàng)穿行任務(wù)也用掉了大約5個(gè)小時(shí)。

大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人只能在實(shí)驗(yàn)室里供研究人員進(jìn)行研究，但“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)這對(duì)火星探測漫游者孿生兄弟則不是這樣。如圖2.9所示，它們于2004年登陸紅色星球火星時(shí)，人們預(yù)計(jì)它們只能維持3個(gè)月的“壽命”，然而，這兩個(gè)流浪漢6年后仍然“健在”。迄今為止，它們已向地面發(fā)回幾十萬張火星照片以及幾十GB的科學(xué)數(shù)據(jù)。

從這些智能機(jī)器人先驅(qū)中我們可以看到，輪式移動(dòng)機(jī)器人為實(shí)現(xiàn)智能體的移動(dòng)立下了汗馬功勞。我們也將會(huì)在后面的章節(jié)中對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人做更深入的討論。

3.履帶式移動(dòng)機(jī)器人

履帶式移動(dòng)機(jī)械在日常生活中也隨處可見，如軍用車輛、坦克、起重機(jī)、挖掘機(jī)等。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所也研制出了野外機(jī)器人，以小型、自主、可重構(gòu)、便攜和模塊化概念為指導(dǎo)，研制了一臺(tái)適用于多種野外環(huán)境的軍用移動(dòng)機(jī)器人，如圖2.10所示。以新穎的水陸運(yùn)動(dòng)切換機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，研制了一臺(tái)兩棲移動(dòng)機(jī)器人。在系統(tǒng)上，運(yùn)用未來協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)概念，實(shí)現(xiàn)了功能集成、信息共享、多智能體移動(dòng)定位控制、機(jī)器人群體行為協(xié)調(diào)以及人機(jī)交互等。