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user: 2. 农业机器人移动机构发展现状 2.1. 单一式行走机构 单一式行走机构是小型农业机器人的常用移动机构，根据应用环境和操作方式主要分为轮式移动机构、履带式移动机构以及足式移动机构。 2.1.1. 轮式移动机构 轮式移动机构是目前机器人研究与开发的常用结构之一，主要运用于较为平坦的工作环境，具有较高的移动速度，且相对于其他移动方式，轮式移动机构控制方式较简单，因此被广泛应用于农业、家庭、娱乐等相关领域。 轮式移动机器人按照车轮数目可分为单轮滚动机器人、双轮移动机器人、四轮移动机器人、多轮移动机器人 [ 3 ]。其中最常用的机构包括由主动轮与万向轮组成的三轮式移动机构和四轮驱动的四轮式移动机构。按照机械结构将其转向方式概括为3种：铰接式转向、差速转向和车轮转向。车轮转向主要包括二轮转向、四轮转向、蟹形转向和原地旋转4种转向控制方式 [ 4 ] (如图1所示)。 图1. 轮式农业机器人常见转向方式 [ 4 ] 由于农业机器人工作环境的限制，为保持工作的平稳性，一般其轮式移动机构不选择单轮滚动式。双轮移动以及四轮移动结构被广泛应用到农业机器人的移动机构中来。双轮移动机构可分为自行车式以及两轮对称式移动 [ 5 ]。自行车移动结构通常具有窄小的车体，结构较简单，运动较灵活，如图2所示日本东京工业大学M. Yamakita与Utano研制了具有平衡质量调节器的自行车式机器人。而两轮移动机器人的灵活性较强，在机器人领域中两轮移动机器人的控制系统和理论颇受国内外高度重视。如图3所示的瑞士联邦工学院的双足机器人便是双轮对称式移动结构。 图2. 自行车式机器人 [ 6 ] 图3. 瑞士联邦工学院的双足机器人 [ 6 ] 四轮的机器人较双轮式，其承载能力和机构稳定性有了很大的提高。但是四轮式的机器人在坑洼的路面上移动会很颠簸。四轮式的机器人适合在负载要求大、移速要求高，但路面较平整的情况下工作，其应用范围最为广泛 [ 6 ]。如图4所示为华南理工大学所研究的四轮电动轮式机器人和图5所示的德国Bosch公司的四轮除草机器人。 图4. 四轮电动势机器人 [ 4 ] 图5. 四轮除草机器人 [ 7 ] 目前，轮式移动机器人的研究主要是对于动力、机构和运动控制三个方面的内容。如辽宁工程技术大学研究对于农业轮式移动机器人轨迹跟踪控制的研究 [ 7 ]、山东农业大学研究的玉米收获机割台高度自动调控系统 [ 8 ]、中国农业大学设计的温室黄瓜采摘机器人系统 [ 9 ]、宁夏大学对葡萄园拖拉机自动导航系统的设计与试验 [ 10 ] 等。轮式移动机器人由于车轮布置形式以及车身结构的不同，对地形的适应能力以及动力学特性也有着很大的不同。因此，在设计轮式移动机器人时，要综合考虑考虑工作环境、控制精度、灵活性、运动学和动力学特性。 2.1.2. 履带式移动机构 常用的履带式移动机构有单节双履式、双节四履式以及三节六履式移动机构(如图6所示)。不同的履带节数，其运动机构的控制与功能都大不相同 [ 11 ]。 图6. 履带式农业机器人常见机构 [ 4 ] 履带式移动机构转向很不灵活，在运动过程中受空间的限制，目前在进行果蔬采摘任务使用的是这种结构的机器人，它结构简单并且易于操作。如图7所示为桂林理工大学冯国亮等 [ 12 ] 设计的桃子采摘机器人模型图。 履带式行走机构适合于松软或泥泞场地工作，这是由于其接地面积大，对地面压强小、下陷幅度低，因此对路况具有较强的适应性。与轮式机构相比，履带式结构具有接触面积大、依附地面能力强的特点，可以减少对土壤的破坏，并且对地面适应性较强，可以在地形比较复杂的环境上进行农耕作业。单履带式机器人运动机构相对简单，驱动控制也较为简便。相比于轮式机构，单节履带式机构越野能力有显著 图7. 桃子采摘机器人模型图 [ 12 ] 提高。双节履带式移动机构其驱动控制方面相对复杂，要控制两个履带的运行以及在两个履带的连接处增加控制模块。在控制方面比较复杂，但该结构由于对环境的良好适应性具有良好的发展前景。 履带式农业机器人的缺点也十分明显，主要包括：移动速度慢、消耗能量大、行驶机构容易磨损、对履带的材质和构型要求高、其本身的质量大导致与地面摩擦阻力过大，容易对平整的农田造成不必要的损坏，甚至会对农作物造成伤害。履带型机器人最常出现在耕作范围广，地面泥土较为松软的地方，如扬州大学徐勇等 [ 13 ] 研究了国内外施药设施，以温室篱架型黄瓜为例，对其种植特点与生长特性进行了实地调研后，设计开发了一种履带式智能施药车，满足篱架型蔬菜施药作业的高效化、无人化和智能化的需求，同时为设施农业中智能化施药作业提供了技术和装备支撑。 2.1.3. 足式移动结构 与轮式和履带式移动机构相比，足式移动的机器人在针对崎岖复杂路况行走及承受较大负载作业等方面具有明显的优势。它们主要以陆生足式动物作为参考对象，并模仿其结构和运动特点，且具有十分明显的非连续支撑特点。虽然在运动控制方面较为复杂，但对各种极端地形有着很好的适应性，这也使足式移动机器人成为众多研究学者热衷的研究领域 [ 14 ]。常见的足式机器人可分为双足、四足以及六足机器人，目前研究最多的就是仿人型的双足机器人以及仿爬行类四组机器人结构。 双足行走机器人典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节。并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动 [ 15 ]。目前仿人双足机器人的研究在世界上普遍受到关注，其中法国Aldebaran是一家致力于商用机器人研制和生产的公司，在双足机器人方面有着重要的影响。具有代表意义的NAO更是作为机器人国际杯Robo Cup Soccer的规范(如图8所示)，已经有相当多的大学及研究机构选用NAO作为研究对象 [ 16 ]。日本在该领域的研究一直处于领先地位。本田公司于1993年开始推出P系列双足机器人。最近所研制的ASIMO系列机器人更被认为是仿人双足机器人系列的代表之作(如图9所示)。该系列机器人是迄今为止世界上最先进的双足机器人之一 [ 17 ]。 四足机器人具有像四足动物那样灵活运动的潜在能力，既有比双足机器人更好的稳定性，又有比六足机器人更简单的机构，是一种实用、有广阔应用前景的移动机器人。目前四足机器人的运动性能与真正的四足动物相比仍有较大差距，但也取得了很多可喜的成果 [ 18 ]。国内对四足农业机器人的相关研究具有代表性的为昆明理工大学戈振扬团队研制的四足除草机器人。如图10所示为四足除草机器人的模型 [ 19 ]。 由于足式农业机器人的较小的负重能力、能量消耗高，工作效率低等缺点，研究者对纯腿式的农业机器人研究比较少，而更倾向于研究轮腿、履腿等复合式机器人。 图8. NAO机器人 [ 16 ] 图9. 本田ASIMO系列机器人 [ 17 ] 图10. 昆明理工大学四足除草机器人 [ 19 ] 2.2. 单一式移动机构性能分析及优缺点对比 在单一式移动机构中，根据前述内容将农业机器人各种单一式移动机构的主要特性做成表格进行比较，如表1所示。从表1中可以看出，在能源利用率方面，轮式消耗能源最少，足式最多，履带式居中；工作表效率方面，轮式工作效率最高，足式最低，履带式居中；跨越障碍方面，轮式越障能力最弱，足式最强，履带式居中；控制复杂度方面，履带式最容易，足式最难，轮式其次。 Table 1 Comprehensive comparison of single mobile mechanis 移动机构 能源利用率 工作效率 越障能力 控制复杂度 轮式 高 高 低 中 履带式 中 中 中 低 足式 低 低 高 高 表1. 各单一式移动机构综合对比 单一式移动结构中的各个结构都具有一定的优势及缺点，如表2所示为轮式、履带式以及足式结构各优缺点汇总分析，进行对比，以此来发现各结构之间的优劣关系，使得其移动结构能够正确运用到农业机器人设计上。不同的农业机器人所适用的场合有所不同，如轮式移动机构适合在平坦的路面进行工作，能够发挥出最大的效率；而履带式机器人常用于松软或泥泞的田间来进行工作，其宽大的履带使得移动机构不容易陷入泥土中；足式机器人对工作环境的要求相对较小，能够适用于各种复杂的工作环境，但其效率并不如轮式移动机构和履带式移动机构。 Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of single type mobile mechanis 移动机构 优点 缺点 工作环境 轮式 运动速度、方向控制性、负载能力良好 对于松软的地面适应性较差 平坦的路况环境 履带式 机动性能好，恶劣环境适应性强 结构较为复杂，缓震性能不足，履带寿命短，重量大、转向迟缓 松软或泥泞的田间 足式 较好的非结构化路面的适应能力，可在恶劣的环境下选择最优的立足支撑点 能源利用率以及工作效率相对低下，且较难进行控制 适用于各种恶劣的田间环境 表2. 单一式移动机构优缺点对比 2.3. 复合式移动机构 复合式移动机器人相较于单一移动方式的机器人，其综合性能更好，它是在同一机器人上综合各类不同的移动机构，使其具备多种移动方式，兼具多种移动机器人的优点。复合式移动机器人主要可分为：履腿复合、轮履复合、轮腿复合和轮腿履复合四类 [ 20 ]。轮腿履复合式移动机器人具有三种运动模式，兼具三类移动机器人的优点但结构较复杂且控制难度较大，目前相关研究进展较少。 履腿复合移动机器人兼具足式机器人的高越障性与履带式机器人的高通过性，大多数采用的是类足结构，该种结构的特点是承载能力好、越障能力强。如图11为中科院沈阳自动化研究所研制的履腿复合式移动机器人 [ 21 ]，该机器人可搭载多种传感器或者机械臂用于不同目标的实验与研究。移动机器人的两条主履带分别由两个直流有刷电机驱动，通过等速控制移动机器人在水平面内进行前进或者后退，通过差动控制移动机器人实现任意半径内的转弯。 图11. 履腿复合式移动机器人 [ 21 ] 轮履复合式移动机器人有轮、履两种运动模式，兼具轮式机器人的快速移动能力与履带式机器人的地面适应能力。如图12所示为华南农业大学曾山等 [ 22 ] 设计的一种水田高地隙喷雾机轮履复合动力底盘，采用履带行走装置，可提高水田行走通过性，能够减少对作物的压伤；配合轮式行走装置，在水田转向将更灵活。 图12. 水田高地隙喷雾机轮履复合动力底盘 [ 22 ] 轮腿复合式移动机器人有轮、腿两种运动模式，同时具备了轮式机器人的快速移动性和腿式机器人的高越障性。目前，轮腿式移动机器人在结构设计上分为：轮腿串联式；轮腿分离式；轮腿变形式。对于轮腿式机器人的研究，我国实行高校与企业联合设计的方案，极大的推动了轮腿式机器人大发展速度，扩展了轮腿式机器人的应用领域。如图13所示为北京理工大学启动“北理哪吒”项目，以六自由度并联机构为基础，经过长期的设计与改进，最终设计制造出轮腿复合式机器人北理哪吒 [ 23 ]。 图13. 轮腿复合式机器人 [ 23 ]