开题报告、文献综述、外文翻译具体要求

一、文献综述

封面及内容格式从教务处的网站下载。

1．文献综述概述

开题报告前，毕业生要将所搜集到的文献资料归纳、整理及分析比较，并编写文献综述，阐明有关的历史背景、现状和发展方向以及对这些问题的评述、见解，文献综述一般不少于1000字。

文献综述是研究者在其提前阅读过某一主题大量的文献后，经过理解、整理、融会贯通，综合分析和评价而组成的一种不同于研究论文的文体。综述的目的是反映某一课题的新水平、新动态、新技术和新发现。从其历史到现状，存在问题以及发展趋势等，都要进行全面的介绍和评论。在此基础上提出自己的见解，预测发展趋势，为选题和开题奠定良好的基础。

2．文献综述的格式

文献综述一般都包含以下四部分：即前言、主题、总结和参考文献。

前言部分，主要是说明写作的目的，介绍有关的概念及定义以及综述的范围，扼要说明有关主题的现状或争论焦点，使读者对全文要叙述的问题有一个初步的轮廓。

主题部分，是综述的主体，其写法多样，没有固定的格式。可按年代顺序综述，也可按不同的问题进行综述，还可按不同的观点进行比较综述，不管用那一种格式综述，都要将所搜集到的文献资料归纳、整理及分析比较，阐明有关主题的历史背景、现状和发展方向，以及对这些问题的评述，主题部分应特别注意代表性强、具有科学性和创造性的文献引用和评述。

总结部分，与研究性论文的小结有些类似，将全文主题进行扼要总结，提出自己的见解并对进一步的发展方向做出预测。

参考文献，因为它不仅表示对被引用文献作者的尊重及引用文献的依据，而且也为评审者审查提供查找线索。参考文献的编排应条目清楚，查找方便，内容准确无误。

3．文献综述规定

（1）为了使选题报告有较充分的依据，要求在论文开题之前作文献综述。 1

（2）在文献综述时，应系统地查阅与自己的研究方向有关的国内外文献。通常阅读文献不少于10篇

（3）在文献综述中，应说明自己研究方向的发展历史，前人的主要研究成果，存在的问题及发展趋势等。

（4）文献综述要条理清晰，文字通顺简练。

（5）资料运用恰当、合理。文献引用方括号"[ ]"括起来置于引用词的右上角。

（6）文献综述中要有自己的观点和见解。鼓励多发现问题、多提出问题、并指出分析、解决问题的可能途径。

二、开题报告

封面及内容格式从教务处的网站下载即可

开题报告，就是当论文方向确定之后，负责人在调查研究的基础上撰写的报请批准的选题计划。它主要说明这个课题应该进行研究，自己有条件进行研究以及准备如何开展研究等问题，也可以说是对课题的论证和设计。

1．设计（论文）题目：论文题目一定要和研究的内容相一致，应紧密结合实际，避免题目过大过空，要简洁，不能太长，要准确地把研究的对象、问题概括出来。

2．国内外有关的研究动态：一般包括：国内外在该方面研究的广度、深度、已取得的成果；寻找有待进一步研究的问题，从而确定本课题研究的平台(起点)、研究的特色或突破点。

3．理论及实际意义

研究的意义就是为什么要研究、研究它有什么价值。这一般可以先从现实需要方面去论述，指出现实当中存在这个问题，需要去研究，去解决，本课题的研究有什么实际作用，然后，再写课题的理论和学术价值。即根据什么、受什么启发而搞这项研究，研究的价值，要解决的问题是什么。

4．毕业设计（论文）的主要内容

研究的对象、研究的问题、研究的方法。

创新点：将**应用于工程项目。（设计）

论文1-2个创新点即可

5．完成研究内容的技术路线或研究方法

2

技术路线可以采用图框的方式

研究方法：有观察法、调查法、实验法、经验总结法、个案法、比较研究法、文献资料法、综合的研究方法等等，应根据具体情况拟定。

6．进度安排及各阶段主要任务

时间要求从开题答辩结束到毕业答辩期间的进度安排及任务。

三、外文翻译

将外文翻译成中文，工程管理方向、工程造价方向的外文均可，要求翻译成中文字数不少于2000字

封皮的题目填写外文翻译文章的题目，非毕业论文（设计）题目

工程造价教研室

3

第二篇：开题报告(含文献综述、外文翻译)

开题报告

1. 选题的背景和意义

1.1 选题的背景

机器人的应用越来越广泛，几乎渗透所有领域。进入九十年代以来，人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前，在美国、日本等发达国家，机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。

与普通工业机器人相比，服务机器人具有更大更灵活的工作空间，因此其往往是移动机器人。 移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人，是继操作手和步行机之后机器人技术的一个新的研究目标，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。移动机器人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域，美国和日本处于遥遥领先的地位，机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段，上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购机器人、导游机器人和清扫机器人。随着我国经济建设的不断开展和人民生活水平的提高，广泛应用服务机器人必将成为趋势。

1.2 选题意义

上述移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动 1

机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。目前，移动机构开发的种类已相当繁多，仅就平面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。各种移动机构可谓各有千秋，适应了各种工作环境的不同要求。但车轮式移动机构显得尤其突出，与步行式移动机构相比，它的优点很多:能高速稳定地移动、能源利用率高，机构简单、控制方便、能借鉴至今已很成熟的汽车技术和经验等等，它的缺点是移动场所限于平面。 但是，目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地，并且即使有台阶，只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。因而，轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用，目前已成为移动机器人运动机构的最主要形式。 本课题将对全向移动机器人底盘设计进行分析和研究。

2.设计内容和关键问题

2.1 主要设计内容

分析四个轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理，建立了该全方位移动机构的运动学、动力学模型，提出了四轮协调的控制策略。进行了轮廓参数设计和结构设计，设计制造装配零部件，制作成可全方位移动的机器人底盘。

2.2 拟解决的关键问题

移动服务机器人的应用场合决定了要求具有能在狭窄、拥挤的场合灵活快捷地自由运动的性能，这也成为了机器人研究和设计的难点问题。

能在工作环境内移动和执行功能是移动服务机器人的两大特点。因此，移动机构是组成移动机器人的重要部分，它是保证机器人实现功能要求的关键，其设计的成功与否将直接影响机器人系统。

2

3.设计的方法及措施

3.1方法及措施

3.1.1三轮机构

三轮移动机构具有一定的稳定性，是轮式机器人的基本移动机构之一，在机器人领域已经得到广泛的应用，而且在实现方式上也呈现多样化。

1）两轮独立驱动机构

两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。如图（1），该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动，因此属于差分驱动方式。这种结构的特点是运动灵活，机构组成简单；当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。该机构的缺点是对伺服系统的要求较高，如进行严格的直线运动则需保证左右两个轮子的旋转速度完全一样，且在加减速时的动态特性也应完全一致，这就要求伺服驱动系统要求有足够的精度和优异的动态特性，从而会导致机器人底盘的成本增加。

2）前轮驱动前轮导向机构

如图（2），该机构中的前轮既是驱动轮又是导向轮（操舵轮），采用两个电机分别控制：导向电机控制前轮的转向角度，驱动电机控制前轮的旋转速度。因此，通过对前轮的这两个自由度进行复合控制，可以同时实现对机器人本体的运行速 3

度和运行方向的控制。两个被动后轮没有电机控制，完全是随机轮。该种移动机构的特点是控制比较方便，能耗低，对于伺服系统和制造装备精度要求不高，而且旋转半径可以从0到无穷大连续变化；缺点是由于导向和驱动的驱动器均集中在前轮部分，复合运动结构设计复杂，而且车体本身的运动并不十分灵活。

3）后轮差动减速器驱动前轮导向机构

该种机构如图（3），导向控制电机通过减速器控制导向前轮，决定了机器人本体的运动方向。驱动轮同驱动控制电机通过驱动齿轮箱体连接，在箱体内安装有全部传动系统的减速齿轮、差动器等传动零件，通过箱体两端的半轴带动左、右驱动轮运动。差速器的作用是在进行转弯操作是为左、右两轮分配不同的旋转速度。这种移动机构和驱动系统可以利用一些通用的传动系统零部件，传动效率较高，制造成本较低；但在传动模式上仍是机械传动模式，结构比较复杂，体积较大，质量也比较大，同时运动不灵活，不能实现机器人本体的小半径回转运动。

4）两后轮独立驱动前轮导向机构

4

由图（4）可以看出，该机构同后轮差速器驱动前轮导向机构在原理上具有相似之处，不同之处在于利用两个独立伺服驱动电机取代了差速器装置，用以分别控制左、右驱动轮。该机构在控制上需要按照机器人运动学模型把移动平台的整体运动分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个驱动轮的差动实现本体运动。同后轮差动器驱动前轮导向机构相比，该机构采用纯粹的电气传动模式，结构比较简单，体积和质量能够得到很好的控制，且方向控制精度更高，运动更为灵活；缺点是需要对三轮进行协调控制，同步性要求较高，且自转时的本体方向定位精度较低。

5）三轮全驱动全导向机构

三轮全驱动全导向机构属于同步驱动的装置方式。如图（5）所示，在该机构中，三个轮子成120°放置，用齿轮或者链条将轮子同分别用以进行方向控制和驱动的电机相连。每个轮子都可独立地进行转向控制和速度控制，因此在结构和原理上类似于前轮驱动前轮导向机构的前轮。当三个轮子保持初始位置以相同的速度转动时，及其本体做原地零半径旋转运动；当三个轮子导向角度相同并以相同速度驱动时，本体按照该导向角方向做直线运动。施加适当的控制，利用该机构实现的机器人本体能够按照任意指定的轨迹运动，具有很高的运动灵活性。但是该机构的整体结构比较复杂，完成每个动作都需要对6个伺服电机进行合理控制，且对于方向和驱动控制精度有较高要求，因此控制难度较大。

5

3.1.2四轮机构

四轮机构在驱动方式上和结构上类似于三轮机构，其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。同三轮机构相比，四轮机构的缺点在于其回转半径较大，转向不灵活。常见的几种四轮移动机构如图所示

1）两轮独立驱动机构

如图（6）所示，四轮机器人中的两轮独立驱动机构和三轮机器人中的两轮独立驱动机构在工作原理上完全相同，两者之间唯一的差别在于前者多用了一个随机轮，以增加平台的稳定性和伏在承受能力。

2)四轮全驱动全导向机构

如图（7）所示，该种移动机构同三轮机器人中的三轮全驱动全导向机构在工作原理上完全相同。由于增加了一个驱动轮，使得平台的地面适应能力、负载能

6

力以及平稳性都得到提高。然而，该种机构的控制自由度变得更高，并且由于在运动过程中要求各个独立的导向机构相互协调，保持一定的相互关系，因此控制算法更为复杂。此外，更多的活动机构和过多的控制关节使系统复杂度升高、可靠性降低。

3)四轮全驱机构

四轮全驱机构如图（8）所示。同四轮全驱全导向机构相比，二者的四轮布局完全相同，差别之处在于：每个轮子均没有转向机构，只能进行前后方向上的旋转运动。机器人平台只能通过滑动转向方式进行方向控制，即完全靠两侧驱动轮独立驱动产生的速度差使车轮产生侧向滑动来完成转向操作。因此，这种机构的致命缺点是转向损耗较大。该机构的优点是可以实现不同半径甚至原地零半径的转向，可以满足崎岖地形移动机器人的的性能要求。此外，由于没有活动连接，结构简单可靠，以最简单的机构达到了很高的机动性。

7

4)两轮独立驱动汽车转向机构

如图（9）所示，该移动机构的两个驱动后轮分别利用独立地伺服电机进行驱动，实现机器人本体的运动速度控制。其优点在于：前端两个导向轮采用类似于汽车那样的艾克曼转向机构相连接，利用一个转向伺服电机实现机器人本体的方向控制。艾克曼转向时目前地面车辆最通用的转向机构，两个转向轮之间通过四连杆机构连接并确定转向角之间的相互关系，可以使转向轮得到基本满意的朝向。艾克曼通过机械结构确定转向轮之间的角度约束关系，整个机构只有一个自由度，因而控制简单、可靠。艾克曼转向机构技术成熟，在性能和可靠性之间得到较好的均衡。但是采用艾克曼转向机构的车辆转弯半径较大，给机器人的控制和路线规划带来较大难度。

5）两轮差速器驱动汽车转向机构

如图（10）所示，该种机构也采用艾克曼转向机构实现机器人的运动方向控 8

制，而后面两个驱动则采用单伺服电机驱动差速器的方式实现。同图（d）所示机构相比，这种机构只利用两个电机就能实现四轮机器人的的速度和方向控制，控制更为简单，可靠性更高；但是由于转向轮角度约束与驱动轮速度差分制均采用机械方式实现，因此机械结构也变得更为复杂，据此实现的机器人平台往往体积更大，质量也更大。

综上所述，从体积质量，伺服驱动系统精确度，成本，运动灵活性，能否实现小半径回转，稳定度，控制简单，设计简单角度总观：

三轮机构中选用两轮独立驱动机构，四轮机构中选用两轮独立驱动机构。

但是四轮机构比三轮机构多用了一个随机轮，增加了平台的稳定性和伏在承受能力。所以最终选用四轮机构中的两轮独立驱动机构

3.2 可行性分析

四轮机构其优点是驱动轮和负载能力更强，具有较高的地面适应能力和稳定性。

两轮独立驱动机构是最常用的一种驱动机构。该机构利用一个高精度驱动轮和两个随机轮构成。左右两个驱动轮由两个电动机经过减速器独立驱动，随机轮置于机器人底盘的前方位置。机器人的行进方向由两轮驱动机构的速度差值决定，通过对两个电机施加不同的速度可实现任意方向的驱动，因此可以实现全向移动。这种结构的特点是运动灵活，机构组成简单；当两轮转速大小相等方向相反时，可以实现机器人本体的灵半径回转。

9

4．预期设计成果

依照设计任务书要求，设计完成时将产生如下成果：

1.设计底盘全向移动驱动轮传动机构，并绘制零件图与装配图；

2.设计底盘辅助轮机构，并绘制零件图与装配图；

3.设计底盘全向运动整体机构，并绘制零件图与装配图；

4.对底盘做运动仿真分析，并对主要受力部件进行有限元分析；

5.撰写毕业设计说明书；

基本要求：

结构布局合理、可行，传动顺畅、高效。能承载200Kg重量，能实现全向运动。

5．设计工作进度计划

本毕业设计的阶段划分与进度安排如下：

第7学期

第 7 周—第 12 周 收集资料，撰写开题报告、文献综述、外文翻译。 第 13 周—第 13 周 修改、打印、上交开题报告、文献综述、外文翻 译。 第 14 周—第 15 周 设计全向移动机器人底盘驱动轮传动机构。

第 16 周—第 16 周 前期检查。

第 17 周—第 18 周 设计全向移动底盘驱动轮传动机构，并绘制与装配图。 第8学期

第 1 周—第 1 周 设计底盘辅助轮机构，并绘制零件图与装配图。

第 2 周—第 3 周 设计全向移动底盘整体机构，并绘制零件图与装配图。 第 4 周—第5 周 对底盘做运动仿真，并对主要受力部件进行有限元分析。 第 6 周—第6 周 撰写毕业设计说明书。中期检查。

第 7 周—第 7 周 撰写毕业设计说明书。

第 8 周—第 8 周 审查。

第 9 周—第 9 周 准备答辩材料，答辩。

10

文献综述

移动机器人设计

1.国内外研究现状

1.1国外研究现状

(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,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。

11

美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于19xx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Rocky7 , 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。

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。

(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。

(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。。

(4)环境与移动机器人集成

H.Ishiguro 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 12

像机智能体,实现了移动机器人与环境的融合。

(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。

(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RO2BART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BUGS 计划的基础上,研究使用一群小的、坚固的自主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 13

虑自主与半自主机器人控制的比较,用于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专家,监控多达50 个机器人,在一个足球场大小的现场上,并行地工作,清除军用品。任务完成的标志是,在有限的时间内,搜集尽可能多的手榴弹。对机器人的要求:一是小且轻,以便搬运到现场,能在铺满自然障碍物和冲突后的残骸的现场中导航,能在现场的边界上停留,提高操作速度;二是成本不高,以便意外损坏是可以容忍,装有适应的和可重用的部件。

机器人正在从工厂的结构化环境进入人们每天的生活环境———医院、办公室、家庭、建筑工地和其它杂乱及不可控环境。要求机器人不仅能自主完成工作, 而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务。这就需要机器人具有下述能力:移动和操作集成于一体的能力,在多机器人之间的协作能力,与人的交互能力和无碰路径的实时修改能力。Khatib 等讨论了这个问题,并给出了有关的模型、策略和算法的开发,并在斯坦福大学的两个完整性移动平台上进行了演示。 自从1996 年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来,现在,一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团体参加,极大地推进了多移动机器人技术的研究,成为研究和验证人工智能成果的实验床。

关于多移动机器人的一些新的提法,如认知机器人学、生态机器人学、协作机器人学、社会机器人学以及广义社会学等。

1.2国内研究现状

国内在移动机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,主要的研究工作：

(1)清华大学智能移动机器人于1994 年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划) ;基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制) ;路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外 14

移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟) ;传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术) ;智能移动机器人的设计和实现( 智能移动机器人THMR —III 的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统) 。

(2)香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。

(3)中国科学院沈阳自动化研究所的AGV 和防爆机器人。

(4)中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。

(5)哈尔滨工业大学于1996 年研制成功的导游机器人等。

2.移动机器人发展史

19xx年 捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》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。

19xx年 美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。

19xx年 美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。

19xx年 诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。

19xx年 美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。

19xx年 在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。

15

19xx年 德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。

19xx年 美国AMF公司生产出“VERSTRAN”(意思是万能搬运),与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。

19xx年-19xx年传感器的应用提高了机器人的可操作性。人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括19xx年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼19xx年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡19xx年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在19xx年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。

19xx年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。

19xx年 美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。

19xx年 日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。

19xx年 世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国Cincinnati Milacron公司的机器人T3。

19xx年 美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。

19xx年 英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、 16

送药、送邮件。同年，他还预言：“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。

19xx年 丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。

19xx年 日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO)，当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。

20xx年 丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。

20xx年 6月，微软公司推出Microsoft Robotics Studio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。

3.工业智能机器人技术

工业机器人可用于承担常规的、冗长乏味的装配线工作，或执行那些对工人也许有危害的工作。例如，在第一代工业机器人中，曾有一台被用于更换核电厂的核燃料棒,从事这项工作的工人可能会暴露在有害量的放射线下。工业机器人也能够在装配线上操作——安装小型元件，例如将电子元件安装在线路板上。为此，工人可以从这种冗长乏味任务的常规操作中解放出来。通过编程的机器人还能去掉炸弹的雷管、为残疾者服务以及在我们社会的众多应用中发挥作用。

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下9个方面：

1．工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。

2．机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

3．多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是 17

其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。

4．机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。

5．机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

6．虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。

7．多智能体（multi-agent）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

8．微型和微小机器人技术（micro/miniature robotics）:这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

9．软机器人技术（soft robotics）:主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。

4.总结与展望

4.1总结

机器人在我国未来20年必得到跨越式发展。理由有三：1.随着中国经济快速的发展，近几年的国民生产总值年平均增长率更是保持在9%左右，人民消费水平大大提高，作为制造业主力的农民工也从早期的解决温饱问题到现在对薪资和工作条件提出了更高要求。这些情况使得许多企业从劳动密集型 18

向技术密集型转变，对产品质量提出了更高的要求。利用机器人技术无疑是发展的大方向！2.机器人技术在日美等国得到了很好的应用，给社会带来了长足发展。而随着我国机器人知识的普及，利用机器人技术提升我国工业发展水平，从制造大国向强国转变，提高人民生活质量成为了全社会的共识。

3.从863计划以来，国家政府对工业机器人的研发和应用及给予了大力的支持，机器人进口量连年成倍增长。

4.2展望

1 机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。

2 机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。

3 机器人控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

4 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。

5 机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

19

参考文献

[1] 白井良明.机器人工程[M].北京:科学出版社，2001.

[2] 迟建男，徐新和.移动机器人即时定位与地图创建问题研究[J].机器人， 2004,26（1）：92-96.

[3] 蒋新松等.机器人学学论[M].辽宁：科学技术出版社,1993.

[4] 付京逊等.机器人学[M].北京：中国科学技术出版社，1989.

[5] 罗荣华，洪炳熔.移动机器人同时定位与地图创建研究进展[J].2004,26（2）：182-186.

[6] 于金霞.移动机器人定位的不确定性研究[D].长沙：中南大学信息科学与工程学院，2007.

[7] 刘方湖等.五轮铰接式月球机器人的运动学建模[J].机器人，2001,23（6）：481-485.

[8] 蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000.

[9] Murphy R R.人工智能机器人学导论[M].北京：电子工业出版社，2004.

[10]光，贾云得.一种基于全向摄像机的移动机器人定位方法[J].北京理工大学学报，2003,23（3）：317-321.

[11]魏芳，董再励等.用于移动机器人的视觉全局定位系统研究[J].机器人，2001,23（5）：400-403.

[12]张毅，罗元等.移动机器人技术及其应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[13]于金霞、王璐、蔡自兴等，位置环境中移动机器人自定位技术[M].北京：电子工业出版社，2011.

[14]熊有伦.移动机器人导航控制研究的重要进展[J].控制理论与应用，2009,26

（7）：819.

[15]徐德，邹伟.室内移动式服务机器人的感知、定位与控制[M].北京：科学出版社，2008.

[16]丹尼斯克拉克，迈克尔欧文斯.机器人设计与控制[M].北京：科学出版社，2004.

[17]王志文、郭戈，移动机器人导航技术现状与展望[J].机器人，2003,25（5）： 20

193-197.

[18]王炎、周大威.移动服务机器人的展望现状及我们的研究[J].电气传动，2000，

（4）：3-7.

[19]Craig J J.机器人学导论[M].北京：机械工业出版社，2006.

[20]李磊、叶涛、谭明等.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人，2002,24

（5）：475-480.

[21]吕伟文.全方位轮移动机构的结构设计[J].机械与电子，2006，（12）：63-65.

[22]姜山.服务机器人[J].机器人技术与应用，2004，（2）：10-14.

[23]肖雄军，蔡自兴.服务机器人的发展[J].自动化博览，2004，（6）：1-5.

[24]毛勇等.双足被动步行研究综述[J].机器人，2007,29（3）：274-279.

[25]李金山，李琳，谭定忠.清洁机器人概述[J].中国科技信息，2005，（5）：18.

[26]赵冬斌等.全方位移动机器人结构和运动分析[J].机器人，2003,25（5）：394-398.

[27]Elfes A.Using Occupancy grids for mobile robot perception and navigation[J].Computer,1989,22(6):46-57.

[28]Thrun S.Learning metric-topological maps for indoor mobile robot navigation[J].Artificial Intelligence,1998,99(1)：21-31.

[29]Fox D.Markov localization:a probabilistic framework for mobile robot localization and navigation[D].Bonn,Germany:University of Bonn,1998.

[30]Zhang Z.A flexible new technique for camera calibration[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2000,22(11):15-18.

[31]McGeer T.Passive dynamic walking[J].International Journal of Robotics Research,1990,9(2):62-82

21

外文翻译

译文题目

原稿题目 移动机器人车辆 原稿出处 Peter Corke.Robotics,vision and control[M].Australia:

22

移动机器人车辆

这一章讨论如何移动机器人平台,它带来一个随时间变化的函数来控制。有许多不同的类型，如61页到63页所示的机器人平台。但我们在本章将考虑只有两种机器人平台具有重要意义。第一种平台是一个轮子，像一辆汽车,在二维世界运行。它可以改变轮子的角度使汽车向前或向后移动并控制方向的变化。第二个平台是一个直升机,在三维运动中，这是一种典型的机器人直升机正变得越来越流行。平台就像一个机器人，因为他们可以很容易地被模仿和控制。

4.1灵活性

我们已经谈到的多样性和移动机器人的运动方式，在这个部分中我们将讨论有关机器人平台的灵活性与及它如何在空间移动。

我们先来考虑一下这个简单的例子：一列火车。从一些资料上显示，火车在轨道运行，可以通过它的距离来描述它的位置。通过一个标量参数q，火车可以被完全的描述，叫做广义。集合所有可能的配置就是配置空间，用q∈C来表示。在这种情况下C?R。我们也说火车上有一个自由度，因为q是一个标量。这趟列车也有一个驱动器(电机),驱使它沿轨道向前或向后。火车通过电机和自由度充分的驱动,可以到达任意配置空间，就是说可以沿轨道的任何位置。

另一个重要的概念,移动装置ξ∈T是一套任务空间所有可能的姿势。这项任务空间取决于应用程序或任务。如果我们的任务是沿轨道运动，那么T?R。如果我们只关心这个火车的位置，那么在一个平面上T?R2。如果我们认为是一个三维世界，那么T ?SE(3)，它的上下移动可以改变高度的变化。不清楚这这种情况下，如果这项任务超出尺寸的空间配置空间，火车就不能达到一个任意的位置，因为火车是不得不沿着固定轨道前进的。既然这样，我们说火车沿着一个移动空间有一个映射q?ξ。

有趣的是,许多汽车有共同的特性。它们擅长于向前移动,但不擅长于其他方向的移动。汽车、汽垫船、船舶和飞机，它们所有的特点和复杂的操纵都是为了可以向各个方向移动而设计的。这个设计方法是一个非常明智的选择，因为它针对我们最常见的运动车辆。不常见的运动如停车、两艘船的对接或更复杂的飞机着陆,这也不是不可能的,人类可以学习这个技巧。这种类型的设计优点简化非常,特别是执行机构的要求数量越少越好。

23

下一个考虑是气垫船，它的下面有两个螺旋桨，但轴平行但不在同一直线上。提供的总向前力产生的扭矩会使气垫船转向偏移。气垫船在平面移动及其配置上完全是由三个广义坐标表示q =(x, y, θ) ∈ C。配置空间有三维空间，因此它有三个自由度。

气垫船只有两个执行机构，比汽车少一个自由度，因此它是欠驱动系统。利用这个限制方式可以自由移动。在任何时候我们可以控制前进（平行于推力矢量）、加速和旋转。加速度为零的气垫船没有横向加速度,因为它不产生任何侧向推力。然而一些熟练的操纵，就像汽车能在遵循的路线上把它带到开始地方的另一侧。欠驱动系统的优点就是可以减少执行机构的数量，缺点就是是汽车无法直接移动到任何一个地方及其配置的空间，因为它必须遵循一定的路径。如果我们增加了第三个螺旋桨，那么气垫船就可以实现全向移动。气垫船的任务空间就是T ? SE(2)，对于配置空间是等效的。 一架直升飞机有四个执行机构。其大小主要是由转轴产生推力矢量控制的横向、纵向循环。第四个驱动器后面的转子提供了一个横摆力矩。直升机的配置可以描述为六个广义坐标q =(x, y, z, θr, θp, θy) ∈ C，那是其位置与方向在三维空间的取向角。配置空间C?R3×S3有六个维度,因此车辆有六个自由度。直升机是欠驱动系统,它没有旋转加速，因为直升机保持自由是不需要操作的，机尾的朝向保持稳定的均衡力，因此可以做俯仰运动。重力就像一个额外的驱动器,它提供一个向下的力，这使得直升机加速侧推力矢量水平分量的垂直分量推力由重力抵消，如果没有重力直升飞机是飞不起来的。直升机的工作空间就是T?SE(3)。

一个固定翼飞机前进,也有4个极其有效地执行机构：前进、副翼、升降、方向。对飞机来说飞机的推力加速度在不同时刻都会对方向和控制产生不同的影响：方向舵（偏航力矩）、副翼（轧辊扭矩）、升降（旋转扭矩）。飞机的配置空间是相同的,有6个尺寸。欠驱动系统的飞机没有侧向方向的加速。直升机的工作空间就是T?SE(3)。

在62页的深井热量探测器显示的水下机器人也有一个配置空间C ?R3× S3 ，是六个维度的，但是相比之下是完全启动的。车辆的执行机构可以运用六个方面对任意一个力及力矩平衡，它可以使任意方向轴的加速。它的工作空间是T?SE(3)

最后,我们来到了轮子———人类伟大的成就。轮子是在公元前3000年左右发明的,两个轮子的车是在公元前20xx年左右发明的。今天四个轮子的交通工具是无处不在的,拥有的人数接近十亿。汽车的有效性和我们对它的熟悉让它们可以在平台上自由移动。 24

一辆滚滑驾驶的车辆,比如一辆坦克，可以在危险中移向一边并立即停下来。这是一个机动时变控制策略的特点,是一种不完整的系统。坦克有两个执行机构，就像在每条赛道上,一辆车就是一个欠驱动系统。

机动车辆参数表,我们讨论的是在表4.1。第二栏是大量的自由度的车辆或其设置的空间维度，第三栏是大量的执行机构，第四栏的是是否完全驱动的车辆。

25

Mobile Robot Vehicles

This chapter discusses how a robot platform moves, that is, how its pose changes with time as a function of its control inputs. There are many different types of robot platform as shown on pages 61–63 but in this chapter we will consider only two which are important exemplars. The first is a wheeled vehicle like a car which operates in a 2-dimensional world. It can be propelled forwards or backwards and its heading direction controlled by changing the angle of its steered wheels. The second platform is a quadcopter, a flying vehicle, which is an example of a robot that moves in 3-dimensional space. Quadcopters are becoming increasing popular as a robot platform since they can be quite easily modelled and controlled.

However before we start to discuss these two robot platforms it will be helpful to consider some general, but important, concepts regarding mobility.

4.1 Mobility

We have already touched on the diversity of mobile robots and their modes of locomotion.In this section we will discuss mobility which is concerned with how a vehicle moves in space.

We first consider the simple example of a train. The train moves along rails and its position

is described by its distance along the rail from some datum. The configuration of the train can be completely described by a scalar parameter q which is called its generalized coordinate. The set of all possible configurations is the configuration space, or C-space, denoted by C and q∈C. In this case C?R. We also say that the train has one degree of freedom since q is a scalar. The train also has one actuator (motor) that propels it forwards or backwards along the rail. With one motor and one degree of freedom the train is fully actuated and can achieve any desired configuration, that is, any position along the rail.

Another important concept is task space which is the set of all possible poses ξ of the vehicle and ξ ∈ T. The task space depends on the application or task. If our task was motion along the rail then T ?R. If we cared only about the position of the train in a plane then T ?R2. If we considered a 3-dimensional world then T ? SE(3), and its height changes as it moves up and down hills and its orientation changes as it moves around curves. Clearly for these last two cases the dimensions of the task space exceed the dimensions of the configuration space and the train cannot attain an arbitrary

26

pose since it is constrained to move along fixed rails. In these cases we say that the train moves along a manifold in the task space and there is a mapping from q?ξ.

Interestingly many vehicles share certain characteristics with trains – they are good at moving forward but not so good at moving sideways. Cars, hovercrafts, ships and aircraft all exhibit this characteristic and require complex manoeuvring in order to move sideways. Nevertheless this is a very sensible design approach since it caters to the motion we most commonly require of the vehicle. The less common motions such as parking a car, docking a ship or landing an aircraft are more complex, but not impossible,and humans can learn this skill. The benefit of this type of design comes from simplification and in particular reducing the number of actuators required.

Next consider a hovercraft which has two propellors whose axes are parallel but not collinear. The sum of their thrusts provide a forward force and the difference in thrusts generates a yawing torque for steering. The hovercraft moves over a planar surface and its configuration is entirely described by three generalized coordinates q =(x, y, θ) ∈ C and in this case C ? R2× S. The configuration space has 3 dimensions and the vehicle therefore has three degrees of freedowm.

The hovercraft has only two actuators, one fewer than it has degrees of freedom,and it is therefore an under-actuated system. This imposes limitations on the way in which it can move. At any point in time we can control the forward (parallel to the thrust vectors) acceleration and the rotational acceleration of the the hovercraft but there is zero sideways (or lateral) acceleration since it does not generate any lateral thrust. Nevertheless with some clever manoeuvring, like with a car, the hovercraft can follow a path that will take it to a place to one side of where it started. The advantage of under-actuation is the reduced number of actuators, in this case two instead of three.The penalty is that the vehicle cannot move directly to an any point in its configuration space, it must follow some path. If we added a third propellor to the hovercraft with its axis normal to the first two then it would be possible to command an arbitrary

forward, sideways and rotational acceleration. The task space of the hovercraft is T ? SE(2) which is equivalent, in this case, to the configuration space.

A helicopter has four actuators. The main rotor generates a thrust vector whose magnitude is controlled by the collective pitch, and the thrust vector’s direction is controlled by the lateral and longitudinal cyclic pitch. The fourth actuator, the tail rotor, provides a yawing moment. The helicopter’s configuration can be described by six generalized 27

coordinates q =(x, y, z, θr, θp, θy) ∈ C which is its position and orientation in 3-dimensional space, with orientation expressed in roll-pitch-yaw angles. The configuration space C ?R3×S3 has six dimensions and therefore the vehicle has six degrees of freedom. The helicopter is under-actuated and it has no means to rotationally accelerate in the pitch and roll directions but cleverly these unactuated degrees of freedom are not required for helicopter operation – the helicopter naturally maintains stable equilibrium values for roll and pitch angle. Gravity acts like an additional actuator and provides a constant downward force. This allows the helicopter to accelerate sideways using the horizontal component of its thrust vector, while the vertical component of thrust is counteracted by gravity – without gravity a helicopter could not fly sideways. The task space of the helicopter is T ?SE(3).

A fixed-wing aircraft moves forward very efficiently and also has four actuators?(forward thrust, ailerons, elevator and rudder). The aircraft’s thrust provides acceleration in the forward direction and the control surfaces exert various moments on the aircraft: rudder (yaw torque), ailerons (roll torque), elevator (pitch torque). The aircraft’s configuration space is the same as the helicopter and has six dimensions. The aircraft is under-actuated and it has no way to accelerate in the lateral direction. The task space of the aircraft is T ?SE(3).

The DEPTHX underwater robot shown on page 62 also has a configuration space C ?R3× S3 of six dimensions, but by contrast is fully actuated. Its six actuators can exert an arbitrary force and torque on the vehicle, allowing it to accelerate in any direction or about any axis. Its task space is T ?SE(3).

Finally we come to the wheel – one of humanity’s greatest achievements. The wheel was invented around 3000 bce and the two wheeled cart was invented around 2000 bce.Today four wheeled vehicles are ubiquitous and the total automobile population of the planet is approaching one billion.? The effectiveness of cars, and our familiarity with them, makes them a natural choice for robot platforms that move across the ground.

A skid-steered vehicle, such as a tank, can turn on the spot but to move sideways it would have to stop, turn, proceed, stop then turn – this is a manoeuvre or time-varying control strategy which is the hallmark of a non-holonomic system. The tank has two actuators, one for each track, and just like a car is under-actuated.

Mobility parameters for the vehicles that we have discussed are tabulated in Table

4.1.The second column is the number of degrees of freedom of the vehicle or the dimension of its configuration space. The third column is the number of actuators and the fourth 28

column indicates whether or not the vehicle is fully actuated.

29