輪式移動(dòng)機(jī)器人的種類:車輪數(shù)、運(yùn)動(dòng)約束性、平衡特性以及控制方式來分類

輪式移動(dòng)機(jī)器人種類繁多，根據(jù)不同應(yīng)用、結(jié)構(gòu)形式以及控制方法有各種各樣 的分類方法，這里先介紹四種，即分別按照輪式移動(dòng)機(jī)器人的車輪數(shù)、運(yùn)動(dòng)約束性、平衡特性以及控制方式來分類。

先，根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人的車輪個(gè)數(shù)來分類：普通的輪式移動(dòng)機(jī)器人有兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或六個(gè)滾輪，或有驅(qū)動(dòng)(主動(dòng))輪和自位(從動(dòng))輪，或有驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)。自位輪在沿回轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)直至轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)彎結(jié)束為止的時(shí)間內(nèi)， 驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生滑動(dòng)，無法確定正確的移動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。另外，使用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和制動(dòng) 機(jī)構(gòu)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，將在靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生很大的阻力16。雖然說與腿式移動(dòng)機(jī) 器人相比，輪式機(jī)器人地形適應(yīng)性較差，但在能量效率、運(yùn)動(dòng)速度、控制性能和機(jī)構(gòu) 復(fù)雜性方面性能更佳(17.18)。按照平面運(yùn)動(dòng)的自由度劃分，輪式移動(dòng)機(jī)器人包括差 速輪(differential drive)式移動(dòng)機(jī)器人和全方位(omni-directional) 移動(dòng)機(jī)器人。由 于平面運(yùn)動(dòng)包含三個(gè)自由度，具有三個(gè)自由度的機(jī)器人稱為全方位移動(dòng)機(jī)器人。 這種類型的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)越，適于高速高靈活場合，但是其運(yùn)動(dòng)效率不 高。差速輪式移動(dòng)機(jī)器人僅包含兩個(gè)自由度，具有較高的運(yùn)動(dòng)效率，且結(jié)構(gòu)簡單， 使用場合較多。國內(nèi)外對(duì)于輪式智能機(jī)器人(Wheeled Mobile Robot.WMR)的移 動(dòng)載體的研究也越來越多。在這些 WMR 中根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)輪、方向輪和平 衡輪的數(shù)量不同，輪式移動(dòng)平臺(tái)可分為二輪移動(dòng)平臺(tái)、三輪移動(dòng)平臺(tái)、四輪移動(dòng)平 臺(tái)和多輪移動(dòng)平臺(tái)，乃至全方位移動(dòng)平臺(tái)，兩輪的WMR 的穩(wěn)定性是一個(gè)主要的問 題. 目前已有人致力于雙輪穩(wěn)定行駛。實(shí)驗(yàn)三輪的WMR 比較常見，代表性的車輪 配置方式是一個(gè)前輪和兩個(gè)后輪，兩個(gè)后輪d立驅(qū)動(dòng)，前輪僅起支撐作用，靠后輪 的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。也有采用前輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向的方式。還有采用后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向 的方式，并且許多都應(yīng)用到實(shí)際的系統(tǒng)中了。

四輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性，它的驅(qū)動(dòng)方式也有多樣，目前應(yīng)用Z為廣泛。但是四輪的 WMR 在不平的地面上行走時(shí)有可能出現(xiàn)一個(gè)輪子不著地的情 況，這樣用碼盤等傳感器做里程計(jì)時(shí)將產(chǎn)生很大的誤差。另外，如果在四個(gè)輪子上 安裝四個(gè)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的話，因?yàn)閃MR 在平面上運(yùn)動(dòng)時(shí)Z多有三個(gè)自由度，所以會(huì) 出現(xiàn)冗余的情況。普通的車輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然對(duì)野外崎嶇不平的地面適應(yīng)性很差， 但由于其快速的移動(dòng)性能和控制上的簡易性，仍然受到研究者的青睞，而將普通的 車輪經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕M合之后，可以實(shí)現(xiàn)在階梯上的運(yùn)動(dòng)，所以不少人致力于多節(jié)輪式 移動(dòng)機(jī)器人的研究與開發(fā)。

第二，按照WMR 運(yùn)動(dòng)的約束方程可以將其分成兩類：完整性約束(holonomic) 和非完整性約束(non-holonomic) 的 WMR �？紤]一個(gè)具有n 個(gè)廣義坐標(biāo)q 的機(jī)械 系統(tǒng)，受到m 個(gè)如下的約束：C(q)=0, 如果這些約束方程具有C(q)=0 的形式或 者通過積分可以化為C(q)=0 的形式，則它代表一個(gè)完整的約束。否則是一個(gè)非 完整性的約束系統(tǒng)。

對(duì)于一個(gè)非完整性約束的輪子來說，它只能在與輪子軸垂直的方向前進(jìn)或 者后退，在不打滑的情況下不具有側(cè)向移動(dòng)的能力。在WMR 平臺(tái)中，如果它的 約束方程中有非完整性約束方程，或者說如果它的某個(gè)輪子不具有側(cè)向滑動(dòng)的 能力，那么它就是一個(gè)非完整約束的 WMR 。非完整約束在現(xiàn)實(shí)世界中是隨處可 見的，象傳統(tǒng)的車輪都屬于非完整約束的輪子。非完整約束的 WMR 的運(yùn)動(dòng)能 力的限制使得這類系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題中又增加了一個(gè)約束條件 而變得困難了，另外，在非完整約束條件下的WMR 的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程 是非線性函數(shù)，用常規(guī)的線性控制理論進(jìn)行控制是很困難的，而且也不能簡單地化 成線性的系統(tǒng)�？梢姡瑢�(duì)于非完整約束的WMR 的控制也存在一定的難度，但由于 它的普遍性，目前有為數(shù)不少的學(xué)者在致力于非完整性移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的 研究。

第三，根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人平衡性能分類，有動(dòng)態(tài)平衡式和靜態(tài)平衡式兩種。 單輪和雙輪移動(dòng)機(jī)器人由于機(jī)構(gòu)的d特性，需要采用動(dòng)態(tài)平衡原理才能實(shí)現(xiàn)正常 運(yùn)動(dòng)，因此又稱為動(dòng)態(tài)平衡移動(dòng)機(jī)器人。單輪移動(dòng)機(jī)器人與雙輪移動(dòng)機(jī)器人采用 不同的運(yùn)動(dòng)原理，兩者的機(jī)構(gòu)也完全不同。單輪移動(dòng)機(jī)器人典型的例子是卡內(nèi)基- 梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研制的Gyrover I和 Gyrover Ⅱ機(jī)器人19(見圖1-2-1), 它采用回轉(zhuǎn)平衡的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡。雙輪移動(dòng)機(jī)器人采用移動(dòng)倒立擺 原理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡，Segway 移動(dòng)交通工具是雙輪移動(dòng)機(jī)器人研究成果的 代表。多輪移動(dòng)機(jī)器人中Z為常見的是三輪和四輪移動(dòng)機(jī)器人。

Z后，根據(jù)控制方式分類：有遙控操縱式、程序數(shù)值控制式、示教再現(xiàn)式和自主 控制式。按照輪子的數(shù)量分類，可分為單輪、雙輪移動(dòng)機(jī)器人和多輪移動(dòng)機(jī)器人。