移动机器人的发展现状及其趋势

移动机器人的发展现状及其趋势

◆徐国华谭民

中科院自动化研究所

—、引言

机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代,就已经开始了关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面,首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、履带式、腿式的,对于水下机器人,则是推进器。其次,必须考虑驱动器的控制,以使机器人达到期望的行为。第三,必须考虑导航或路径规划,对于后者,有更多的方面要考虑,如传感融合,特征提取,避碰及环境映射。因此,移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究,提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题,引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣,更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景,使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。

二、移动机器人发展现状

从移动方式上看,移动机器人可分为轮式、履带式、腿式(单腿式、双腿式和多腿式)和水下推进式。本文重点放在轮式、履带式机器人,对水下机器人和两足人形机器人不做详细讨论。

1.国外移动机器人的发展概况

1.1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连续装备部队,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,制定了地面天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),能源部制订的为期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,但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,也推动了其它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早己完成。其它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它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R ock y7,并在Lavic湖的岩溶流上和干枯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它现存的轮椅机器人或移动机器人所不可比的。这种轮椅机器人是在一个商业轮椅的基础上实现的。

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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,具有很好的动态稳定性,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。

1.2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,一定是正确的。

1.3遥控移动机器人

对机器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必需的。完全遥现是实现远程操作一个或几个移动机器人的最佳可能方案,但太贵。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,头部跟踪系统有帮助,且是可行的。。

1.4环境与移动机器人集成

H.Ishi g uro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。就象人需要道路、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。作者将一个用于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,树的结构,草地和房屋,足够代表室外环境的真实情况,并安装了用于机器人导航用的16个摄像机智能体,实现了移动机器人与环境的融合。

1.5生态机器人学(生物机器人学)

生态机器入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,现简述如下:◇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,因此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记忆和学习。

1.6多机器人系统

美国DARPA的战术移动机器人计划,是一个4年研究计划,于1998年开始。分两阶段进行:技术开发和系统设计。技术开发包括三个方面:机器感知、半自主操作和机器人运动。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战略重要情况。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RO-B ART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。关于第一期任务,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BU GS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

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