輪式移動機(jī)器人的種類:車輪數(shù)、運動約束性、平衡特性以及控制方式來分類

輪式移動機(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機(jī)器人的車輪數(shù)、運動約束性、平衡特性以及控制方式來分類。

先，根據(jù)輪式移動機(jī)器人的車輪個數(shù)來分類：普通的輪式移動機(jī)器人有兩個、三個、四個或六個滾輪，或有驅(qū)動(主動)輪和自位(從動)輪，或有驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向 機(jī)構(gòu)和制動機(jī)構(gòu)。自位輪在沿回轉(zhuǎn)軸開始轉(zhuǎn)動直至轉(zhuǎn)至轉(zhuǎn)彎結(jié)束為止的時間內(nèi)， 驅(qū)動輪產(chǎn)生滑動，無法確定正確的移動量和轉(zhuǎn)動角度。另外，使用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和制動 機(jī)構(gòu)改變運動方向時，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、運動速度、控制性能和機(jī)構(gòu) 復(fù)雜性方面性能更佳(17.18)。按照平面運動的自由度劃分，輪式移動機(jī)器人包括差 速輪(differential drive)式移動機(jī)器人和全方位(omni-directional) 移動機(jī)器人。由 于平面運動包含三個自由度，具有三個自由度的機(jī)器人稱為全方位移動機(jī)器人。 這種類型的移動機(jī)器人運動性能優(yōu)越，適于高速高靈活場合，但是其運動效率不 高。差速輪式移動機(jī)器人僅包含兩個自由度，具有較高的運動效率，且結(jié)構(gòu)簡單， 使用場合較多。國內(nèi)外對于輪式智能機(jī)器人(Wheeled Mobile Robot.WMR)的移 動載體的研究也越來越多。在這些 WMR 中根據(jù)移動平臺的驅(qū)動輪、方向輪和平 衡輪的數(shù)量不同，輪式移動平臺可分為二輪移動平臺、三輪移動平臺、四輪移動平 臺和多輪移動平臺，乃至全方位移動平臺，兩輪的WMR 的穩(wěn)定性是一個主要的問 題. 目前已有人致力于雙輪穩(wěn)定行駛。實驗三輪的WMR 比較常見，代表性的車輪 配置方式是一個前輪和兩個后輪，兩個后輪d立驅(qū)動，前輪僅起支撐作用，靠后輪 的差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。也有采用前輪驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向的方式。還有采用后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向 的方式，并且許多都應(yīng)用到實際的系統(tǒng)中了。

四輪移動機(jī)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性，它的驅(qū)動方式也有多樣，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有可能出現(xiàn)一個輪子不著地的情 況，這樣用碼盤等傳感器做里程計時將產(chǎn)生很大的誤差。另外，如果在四個輪子上 安裝四個電機(jī)來驅(qū)動的話，因為WMR 在平面上運動時Z多有三個自由度，所以會 出現(xiàn)冗余的情況。普通的車輪移動機(jī)構(gòu)雖然對野外崎嶇不平的地面適應(yīng)性很差， 但由于其快速的移動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，可以實現(xiàn)在階梯上的運動，所以不少人致力于多節(jié)輪式 移動機(jī)器人的研究與開發(fā)。

第二，按照WMR 運動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]一個具有n 個廣義坐標(biāo)q 的機(jī)械 系統(tǒng)，受到m 個如下的約束：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，則它代表一個完整的約束。否則是一個非 完整性的約束系統(tǒng)。

對于一個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)向移動的能力。在WMR 平臺中，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輪子不具有側(cè)向滑動的 能力，那么它就是一個非完整約束的 WMR 。非完整約束在現(xiàn)實世界中是隨處可 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 的運動能 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 的運動學(xué)方程和動力學(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τ诜峭暾�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機(jī)器人的運動控制的 研究。

第三，根據(jù)輪式移動機(jī)器人平衡性能分類，有動態(tài)平衡式和靜態(tài)平衡式兩種。 單輪和雙輪移動機(jī)器人由于機(jī)構(gòu)的d特性，需要采用動態(tài)平衡原理才能實現(xiàn)正常 運動，因此又稱為動態(tài)平衡移動機(jī)器人。單輪移動機(jī)器人與雙輪移動機(jī)器人采用 不同的運動原理，兩者的機(jī)構(gòu)也完全不同。單輪移動機(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)平衡的方式實現(xiàn)機(jī)器人的動態(tài)平衡。雙輪移動機(jī)器人采用移動倒立擺 原理實現(xiàn)機(jī)器人的動態(tài)平衡，Segway 移動交通工具是雙輪移動機(jī)器人研究成果的 代表。多輪移動機(jī)器人中Z為常見的是三輪和四輪移動機(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、雙輪移動機(jī)器人和多輪移動機(jī)器人。