地面移动机器人研究现状及发展趋势

栏目主持：王伟

章小兵１宋爱国２

ｆ东南大学仪器科学系２安徽工业大学电气信息学院

１、概述

地面移动机器人是脱离人的直接控制，采用遥控、自主或半自主等方式在地面运动的物体。地面移动机器人的研究最早可追溯到五十年代初，美国ＢａｒｒｅｔｔＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ公司研究开发出世界第一台自动引导车辆系统。由于当时电子领域尚处于晶体管时代，该车功能有限，仅在特定小范围运动，目的是提高运输自动化水平。到了六、七十年代，美国仙童公司研制出集成电路，随后出现集成微处理器，为控制电路小型化奠定了硬件基础。到了八十年代，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中具有广阔应用前景和军事价值的移动机器人受到西方各国的普遍关注。在移动机器人的发展中，出现两个机器人大国，一个是日本，另一个是美国。时至今日，各种类型的地面移动机器人纷纷研制出来，其应用范围从民用、工业用到军用，涉及人类活动的方方面面。

下面主要介绍美国和日本在地面移动机器人方面的研究现状。

２、地面移动机器人形状

机器人形状决定它的功能和用途。地面移动机器人的形状可分为车形、桶形、仿生形和微型。

２．１车形

图１．３图１．４

图ｌ轮式移动机器人

［作者简介］章小兵，１９７２年生，男，博士生，讲师，研究方向是移动机器人智能算法及电子电路可靠性设计。

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车形移动机器人具有速度快的特点，分为轮形和履带形两种。轮形机器人比较履带机器人具有灵活、速度快和制造方便，但它通行能力没有履带机器人强，在无大的突变（相对其轮半径而言）和硬质地形运动。

图１．１是哥伦比亚大学研制用于城市街道或建筑物内部自动绘图。图１．２是波士顿大学研制用于探测环境的机器人，它们把所摄图像传给

操作者。图１．３是为丧失行动能力的病人所设计的

自动行驶车。图１．４是自动割草机。图１．５是无人侦察车，能发现ｉｋｍ外的人和５ｋｍ外的坦克。值得一提的是美国接着ＤｅｍｏＩＩＩ之后开展ＤｅｍｏＩＶ无人自主军用运载机器人开发，运载汽车可在公路上自主或遥控无人驾驶；我国由浙大、国防科大和清华大学等大学经八五至九五也研制出无人自主

运载汽车。

Ｂ”型反恐防暴机器人，四履带轮结构，可由四轮变

成四脚行走，在运动和抓取重物时增加了灵活性。

２．２桶形

桶形机器人是由车形机器人演化而来，因其四周遍布超生波（或红外）距离传感器，可在室内或大多室外环境实现完全自主导航。采用多传感器信息融合可确定出障碍物的位置。多针对不同层次

的信息融合算法，有代表性的多传感器信息融合算法主要有：人工神经网络（ＡＮＮ）、加权平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、Ｄ—Ｓ证据推理、统计决策理论（Ｓ

Ｄ

Ｔ）等…。

桶形机器人适用于机器人竞技（如足球比赛）、

大多伺服工作（如自主吸尘器）、代人巡逻（需

加摄像机）。

２．３仿生形

仿生形是根据人们特定需要设计而成，有人

图２履带式移动机器人

履带机器人因其通行能力强，速度快，常用于军用警用侦察、排雷、排爆或攻击敌人。下面是它的应用实例。

图２．１是由加利福尼亚理工学院研制，能够爬楼梯、钻管道和自动避障的探查车。图２．２是由德国莱茵金属公司的分公司Ｔｅｌｅｒｏｂ公司研制的ＭＶ４爆炸物处理遥控机器人。图２．３是瑞典和挪威联合开发的“针鼹”遥控扫雷车。图２．４是我国中国科学院沈阳自动化研究所白行研制的“灵蜥一

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图３桶形移动机器人

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形、蛇形、昆虫形和宠物形等。图４是日本东京大学研制的机器人系列。人形可在某些工作中像人一样，用来站岗的，可通过图像来识别生人；用来娱乐的可有喜怒哀乐表情、跳舞唱歌打招呼等功能，这一点与图４．４和４．５宠物机器人差不多。人形机器人因其重心高，乘载能力有限，移动较慢，造价高，故应用受限。图４．２蛇形能钻洞探查洞内情况，如坍塌的建筑物下的伤员和洞穴探险和反恐。图４．３昆虫形机器人可用来爬壁（足尖有吸附装置），也常用来作战术侦察，包装得当可与真昆虫毫无二致，敌方很难发现。我国最近中科院沈阳自动化研究所研制出一种具有自主知识产权的蛇形机器人样机，日前通过了国家８６３计划先进制造与自动化技术领域机器人技术主题专家组的考核验收。

２．４微型

因目前半导体集成技术能达微米级，故一块

理速度大大提高，各种现代信号处理技术由过去的理论状态转为实用，机器人感觉系统是越来越发达了。

３．１视觉

机器人视觉是通过安装在移动机器人上的摄像机或者超声红外等距离传感器来获得环境信息。由于ＣＣＤ摄像机近年发展很快，价格大幅下降，信息处理速度加快，无线图像压缩传送算法日渐成熟，人们常把摄像机安装在机器人上以获得环境信息。有专家估计人眼感知到环境信息约占９０％，机器人也可以通过控制器直接从图像中提取信息，但限于算法时间等限制目前还无法达到人眼上百亿神经元并行处理信息的能力，现在仅能从图像中识别出颜色或线条，但这些信息可供机器人自主导航或识别物体。若机器人把图像信息通过无线方式送到遥控者手中，则遥控者可获得环境大

图４．３

咽４仿生形移动机器人

微小芯片能具有多种功能。微型机器人因其体积小可以在各种环境下工作，有查线机器人、管道查漏清理机器人。这是机器人未来发展的一个方向。

３、移动机器人感觉

移动机器人感觉系统是由一系列的机器人传感器及附属电路组成的。机器人传感器技术是衡量一个国家机器人水平高下的标志。国外和国内都加大投入力度，各种机器人传感器都相继开发出来，因计算机技术的大发展，信息传输和处量信息。

人能不能仅靠遥控方式去自如地控制远方的机器人运动呢？若环境不复杂，开阔无障碍物的情况下是可以的。在狭窄或有障碍物的情况下，若用一个摄像机，则物体远近不好判断，加上信息传送到控制者，控制者下达命令到机器人执行，有一段时间。在这段时间里，移动机器人可能会撞上障碍物导致机器人损坏或出现倾覆等。用两

个摄像机信息融合产生立体视觉，这样融合两幅　万方数据

图产生一副立体图，花时长，图５是剑桥大学机器人研究组得到的立体图。这对于在静止情况下，描绘物体是很好的，但控制机器人移动是很麻烦的，走一段停一下。鉴于以上原因，移动机器人必须要有一定的自主运动能力。

图５双目视觉图像

图像处理方面，早先人们用快速离散傅立叶变换来提取信息，该方法适用于缓变图像。在图像中，信息一般就在突变部分。人们采用各种微分算子法和阈值相结合提取突变部分；也有用图像灰度图谷值作阈值来提取边缘线；因小波的特性，非常适合于找出图像中的突变部分，在该部分高频小波幅值要远大于图像其它地方高频幅值，采用合适滤波器滤掉低频，则得出图像边缘线，故此小波分析常用于图像处理，研究的热点是根据具体应用场合构造合适的小波函数；数学形态学也是现代图像处理的一种方法。这些方法只有在具体场合，才能说哪种较好。

一幅高清晰数字图像，有的原始数据量可达１Ｍ多，受带宽限制，为了无线传输到接收方能连续播放，图像必须压缩传送。图像压缩就是对图像进行适当编码，使图像存储空间变小，利于保存与传输，显示时，需解码。图像压缩分无损压缩和有损压缩两种。其中较经典的无损编码有：哈夫曼编码、算术编码、游程编码、香农编码和轮廓编码；其中较经典的有损编码有：

栏耳主持：王伟预测编码、变换编码。各种编码适用于不同种类图像，故此也有混合编码。目前已实用化或正在理论研究的新方法有：图像分形法编码，小波分析法编码和自适应网格编码法等。相信不久将来，图像画质将更逼真、更流畅。

超声波与红外距离传感器在信号处理上较图像处理的数据要少得多，无论采用什么算法，其运算时间皆可忽略。超声传感器有盲区，大约在１０ｃｍ左右，探测距离远，范围大；红外距离传感器无盲区，探测距离近，响应时间快于超声传感器。这两种传感器主要用于机器人自主避障。使用时，一般来说移动机器人移动速度快的大型的采用超声传感器，慢的小型的采用红外传感器，也可联合互补使用。

３．２力触觉

力触觉传感器在机器人抓取物体时是必不可少的。触觉传感器通过其表面触须，来感觉与物体是否接触，触须的受力引起其后压变电阻值发生变化，引起电桥不平衡，从而感知力的大小。在抓取易碎物体时滑觉传感器不可少，抓得牢不牢还要靠滑觉传感器提供信息。我国于１９９０年由中科院合肥智能所、东南大学和哈工大联合研制出ＳＡＦＭＳ系列六自由度腕力传感器。２００５年３月６日中科院合肥智能所研制出十二自由度力传感器，将大大提高机器人操作的灵巧性。

３．３味、嗅觉

昧嗅觉传感器用来判断环境中某物质是什么。一种味嗅觉传感器只对某些或某一类物质敏感，要准确判断出某物质须多种传感器融合信息，这还是在大体知道某物质可能是什么的前提下。因大自然物质有成千上万，特有属性也不一样，要仅通过味嗅觉来判断，传感器的数量将是惊人，

也是不可能的。　万方数据

３．４听觉

机器人通过录音，把外界声音信号采集到，根据声音的抑扬顿挫与其信息库中的声音相比较，通过模糊算法，然后判断出与那个最接近，作出相应的应答或动作。

４、地面移动机器人发展趋势

机器人发展到今天已是灿烂辉煌，随着信息技术、电子技术的发展，移动机器人作为人工智能的一个分支也将吸收这些成果，功能将更完善，新的移动机器人也将涌现出来。下面结合科技发展与国际国内情况来讨论一下地面移动机器人发展趋势。

４．１民用上的发展趋势

随着生活水平的提高，科技的发展，人们将把大量简单繁重的工作交给机器人，机器人仆人将大量出现。如汽车司机长时问驾驶容易疲劳，汽车将有安全的自动驾驶模式。现在自动驾驶车能对前方车辆实行避让超车，但对小动物或人不知避让，这要待更聪明的传感器出现或图像处理能更精细些。

在医疗领域，能进入人体的微机器人将大显身手。它们进入血管、肠道等地方进行清理、探查、保健预警等。?４．２工业上的发展趋势

工业机器人在国外发达国家用的很普遍，随着新兴产业的出现，相应的工业机器人必将会研制出来。我国近年的民工荒说明从事体力劳动的工人在减少，原因是新一代教育程度较高，不愿从事简单枯燥的体力劳动，原先八十年代的民工年纪大了。故此我国急待产业升级，自动化程度升高。根据具体工作场所，研制特定机器人迫在眉睫。今后一段时间，我国工业机器人将迎来大发展，所谓“中国机器人的春天”。

栏目主持：王伟４．３军事上的发展趋势

国际形势虽无世界大战之虑，但局部冲突时有发生，反恐形势依然严峻。美国和许多欧洲国家以及日本都投入大量人力物力研发军用机器人。大型的无人坦克冲锋陷阵，小型的昆虫机器人“间谍”到处爬行，少量的作战人员在安全的信息中心运筹帷幄。２００４年我国中国科学院沈阳自动化研究所也自行研制出“灵蜥”系列反恐防暴机器人。

随着生物基因技术的发展，基因密码的破译，克隆技术的成熟，人工智能将由传统的与非生物结合（机器人）到与生物结合，产生高智力的为人工作的生物；或者将某种生物的特异能力应用于人身上，出现所谓的“超人”，这将为人类展现一幅全新的画面。

５、小结

当今世界，各种用途及形状的机器人纷纷被研制出来。必将随着传感技术及其算法的进步，代表高级人工智能的移动机器人，会越来越“聪明”。随着新兴产业的出现，新的移动机器人也必将涌现。

参考文献

［１］杨静宇．多传感器集成与信息融合．机器人情报，１９９４（１）：１～９

［２］夏德深傅德胜现代图像处理技术与应用东南大学出版社２００１，８４～１１２

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地面移动机器人研究现状及发展趋势

作者：章小兵， 宋爱国

作者单位：章小兵(东南大学仪器科学系)， 宋爱国(安徽工业大学电气信息学院)

刊名：

机器人技术与应用

英文刊名：ROBOT TECHNIQUE AND APPLICATION

年，卷(期)：2005，""(2)

引用次数：12次

参考文献(2条)

1.杨静宇多传感器集成与信息融合 1994(01)

2.夏德深.傅德胜现代图像处理技术与应用 2001

引证文献(11条)

1.宋雪丽.王虎林.王毅基于单片机的寻迹机器人的系统设计[期刊论文]-仪表技术 2009(4)

2.高学山.徐殿国.王炎.周大威全方位地面移动清扫机器人[期刊论文]-机械工程学报 2008(3)

3.黄菊梅.谢炜.杜培明基于视觉的室内移动机器人障碍物描述[期刊论文]-仪器仪表用户 2008(1)

4.涂刚毅.金世俊.宋爱国基于多DSP的混合式结构自主移动机器人设计[期刊论文]-测控技术 2007(12)

5.闫树兵.姬长英农业机器人移动平台的研究现状与发展趋势[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2007(5)

6.汤亚锋.杨庆微小型履带式移动机器人与地面交互特性分析[期刊论文]-兵工自动化 2010(2)

7.邓云伟轮式移动机器人运动控制技术研究[学位论文]硕士 2006

8.杜娟基于地面特征识别的室内机器人视觉导航[学位论文]硕士 2006

9.宋国栋移动机器人组合导航系统设计与应用的研究[学位论文]硕士 2006

10.欧屹MROBOT机械系统设计与动力学分析研究[学位论文]硕士 2006

11.王会高机动智能机器人的设计[期刊论文]-机电工程技术 2009(10)

本文链接：https://www.wendangku.net/doc/f416764960.html,/Periodical_jqrjsyyy200502005.aspx

下载时间：2010年5月29日