1.1设计的目的及意义

1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。机器人从其诞生起便使得各个领域迎来了翻天覆地的改变。随着机器人的广泛应用，只能在某一固定位置工作的机器人远远不能满足人们的使用需求，于是，可移动的机器人便应运而生。自从20世纪60年代移动机器人诞生至今，世界各国对移动机器人技术的研究方兴未艾[1]。

机器人学是融合了生物科学、电子信息、机械工程、自动控制以及计算机技术等众多学科和技术的新兴交叉学科[2]，代表了高端技术的发展前沿。如今，机器人已经在许多应用领域中取得了巨大的成功，目前几乎所有高精尖的技术领域都离不开它们的身影。机器人技术的发展历程主要可以分为四个阶段（或四代）。目前，第四代机器人已经能够效仿高级生命的感知功能，承袭高级生命的部分经验，与高级生命自然地交流，并扩展高级生命的能力[3] 虽然机器人技术在当今已经得到了突飞猛进的发展，但目前国际上对“机器人”的准确概念是什么仍没有一个统一的标准。从作业环境来看，可将机器人分为两类，即制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务机器人[4] 我国学者也从同样角度出发将之分为工业机器人和特种机器人，这两种分类方法基本一致。所谓工业机器人就是指面向工业领域，位置相对固定，应用包括焊接、喷涂、装配、放置（例如包装、码垛和 SMT）、产品检测和测试等环节工作的机械手或多自由度机器人[5] 服务机器人则指用于非工业生产，具备半自主或全自主工作模式，能够为人类提供有益服务的设备，也称其为智能机器人、特种机器人或先进机器人。

现如今相关技术越来越成熟，使得移动机器人的应用有了突破性的发展。从最初的结构化环境走向了复杂地面环境，即从实验室，工厂来到了战场，废墟，外太空。并且将在深空探测，抢险救灾，采矿、农业、林业、军事环境等多种领域广泛应用。小型地面移动机器人近年来越来越多地应用于军用、警用领域，尤其是在军事领域，目前或者将来的战场都是无人化战场，随着美军投入实战的机器人数目逐渐增多，军用机器人进入了实用化阶段，无人战斗装备将成为减少军队伤亡、节省军费开支的有效手段。美国国家科学委员会曾经所预言，“21世纪的核心武器是无人作战系统”，“2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队”。目前，世界各国都在加紧智能化移动装备的研制，迫切需要越野能力和运载能力强大的机动装备，投入到各种复杂的未知环境中执行多种任务[6]。我国面临着严峻国内国际形势，为了在未来“信息及尺度不均衡战争”中能与敌实施有效的抗衡,尽早开展高越障性能、强适应性、低成本、智能化小型地面移动机器人研究，对于军事作战、反恐、捍卫国家主权和领土完整有着重大的现实意义。

1.2国内外现状和发展趋势

地面移动机器人的通过性或者越障性，主要由构成机器人的行走系统决定，目前来说，这些机器人的行走系统按其结构形式主要可分为轮式、履带式、腿足式三种最为广泛的应用。随着移动机器人应用领域的不断拓展，对其越障能力的要求也在不断提高，以轮式、履带式、腿式为基础组合形成的复合式行走机构也相继问世，如：轮履式、轮腿式、履腿式等复合式行走结构。上世纪 60 年代末期，斯坦福研究院的 Nils Nilssen 和 Charles Rosen 等人研发了第一台真正意义上的自主移动机器人 Shakey，自此拉开了移动机器人的研究的序幕。

轮式机器人由于移动机构为圆形的几何特点[8]，移动时通过车轮的滚动来完成其工作任务，所以是结构最简单、控制最方便、应用最广泛的移动机器人。具有代表性的轮式越障机器人有：2000 年瑞士联邦理工学院（EPFL）开发的轮式越障机器人 Shrimp（小虾）[9]，如图 1 所示。该机器人采用六轮组合结构，机器人配有前轮和后轮以及中间对称布置的两对侧轮，前轮通过多杆机构连接，使之始终保持在最佳导向牵引位置，后轮通过悬臂梁杆被固定在车辆的主体上，侧轮应用一种特殊的并行体系结构，使四轮中间底盘的虚拟旋转中心始终位于轮轴之间的最佳点。通过多轮结构的自适应调节，使得机器人 Shrimp 在轮式运动基础上获得了优越的越障性能，能够越过轮子直径两倍的障碍物体。图 2 所示的是加拿大 Pedsco 公司的小型防暴机器人 MURV-100[10]。该机器人在多轮结构的移动平台上搭载了用于探测和排爆的设备，它的移动系统采用对称安装的 8轮组合形式，移动灵活，性能可靠，结构简单，抓持能力较强。图 3 所示的是

1997 年美国国家航空航天局(NASA)的 JPL 实验室所研制的闻名于世的 Sojourner（旅居者）机器人，作为真正从事科学考察工作的第一台机器人车辆，它不仅可实现自主移动，同时还能从地面对它进行遥控。该车的行走系统采用了独立悬挂式六轮组合结构，前后独立转向，车轮上面装有不锈钢防滑链条，其中直径仅为 13cm，重量小于 11.5kg，最高行走时速为 0.02 英里，Sojourner 机器人体积小巧,移动灵活，能够实现在各种复杂的地形上稳定行驶，特别适于软沙地[11]。我国科研人员对轮式越障机器人的研究主要集中在探月工程方面，2013 年 12 月 15 日 4 时 35 分，我国自主研发的首辆月球车“玉兔号”，如图 4 所示，顺利驶抵月球表面。该车总重为 140kg，长 1.5m，宽 1m，高 1.1m，以太阳能为能源，能够适应＋150℃~-180℃的极端温度环境。“玉兔号”的移动系统由车轮、摇臂和差动机构等组成，该系统运用摇臂悬架的 6轮独立驱动，可以实现 4 轮独立转向、20 度爬坡、越过 20厘米障碍的能力。除此之外，轮式越障机器人的典型代表还有：采用六轮摇臂悬架移动系统的的漫游车“勇气号”和“机遇号”[12]、美国 CMU 大学研制的 Nomad机器人[13]、以及我国吉林大学研制的 JLUIV-6 月球探测车、哈尔滨工业大学设计的新型宽轮式越野机器人等。

图1 Shrimp（小虾）