【正文】 控制的，這是 由于從致動(dòng)器內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩傳感器及主動(dòng)力控制下的這種錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性的喪失轉(zhuǎn)矩誤差讀數(shù)。因 此導(dǎo)致平衡沒(méi)有被確認(rèn)。相反，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷給每條腿的施加扭矩和接觸力分別被計(jì)算著。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的主要假設(shè)是一條腿會(huì)一直試圖鉤在墻壁上并且最終成功做到。如果只在多次嘗試后才能成功抓取，那么只有一些中央機(jī)構(gòu)配置是不可行的。沒(méi)有關(guān)于表面紋理的先驗(yàn)知識(shí)，因此這類假設(shè)是不可避免的。 10 CLIBO 的運(yùn)動(dòng)原理是基于所述中心體沿一給定路徑上的運(yùn)動(dòng)而來(lái)。為中心體架設(shè)的路徑是由用戶做事先爬行預(yù)定義的。除了表面的垂直性，沒(méi)有任何表面的先驗(yàn)知識(shí)，因此在爬行時(shí)，立足線是線上決定的。有用戶先爬行得到的路徑被離散成小 片段。機(jī)器人移動(dòng)自身中央機(jī)構(gòu)正對(duì)一個(gè)臨時(shí)位置的路徑段，同時(shí)尋找機(jī)會(huì)移動(dòng)它的腿。圖 5 示出了運(yùn)動(dòng)的算法的流程圖。 機(jī)器人從一個(gè)更高水平的計(jì)劃方案得到在墻壁上的路徑規(guī)劃。我們想要沿著給定的參數(shù)化路徑 S(ρ): R ?→ R2 移動(dòng)機(jī)器人的中央機(jī)構(gòu)。其中參數(shù) ρ ∈ [0, Γ ]， Γ 是路徑末端的最大值。 讓 Δρ 作為一個(gè)機(jī)器人路徑的一個(gè)路徑增量是身體中心的一個(gè)步驟。我們將路徑離散成 里的元素。 因此，沿著該路徑的第 k 個(gè)離散點(diǎn)是 sk = Sk(kΔρ)。用 Δsk = sk+1?sk作為一個(gè)分離路徑元素，其中 sk+1 = S((k + 1)Δρ)。 每個(gè)增量是然后細(xì)分成更小的段，同時(shí)長(zhǎng)度 δ 被身體動(dòng)作來(lái)執(zhí)行。因此，機(jī)器人路徑的每個(gè)增量是 Δsk步驟分解成更小的、 δ、由身體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的子步驟。對(duì)于每個(gè)增量 Δsk，機(jī)器人的中心體沿著起點(diǎn)和增量的端部產(chǎn)生的直線以 δ 步驟移動(dòng)。 中心體的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)離開(kāi)接觸點(diǎn)在 其當(dāng)前的位置，并使用閉鏈運(yùn)動(dòng)移動(dòng)該中心體以協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行。每子步驟 δ 之后，轉(zhuǎn)矩和角度是在致動(dòng)器測(cè) 11 量到的。使用反向運(yùn)動(dòng)和靜態(tài)分析（第 2 節(jié)），我們得到機(jī)器人的末端效應(yīng)器位置和作用于它們的力量。 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法是一種反應(yīng)性算法，它可以不斷檢查以下四種狀態(tài)。在每種狀態(tài)下，機(jī)器人的反應(yīng)各不相同。機(jī)器人采取一個(gè)動(dòng)作應(yīng)對(duì)一條腿被釋放的時(shí)候（狀態(tài) 1）；一條腿的末端效應(yīng)器超出了它所運(yùn)行的位置（狀態(tài) 2）；一條腿負(fù)載過(guò)低（狀態(tài) 3）；一條腿超載了（狀態(tài) 4）。如果沒(méi)有出現(xiàn)這些狀態(tài)，機(jī)器人移動(dòng)它的中央機(jī)構(gòu)到下一子步驟，之后再每個(gè)事例中重 復(fù)執(zhí)行該 4 狀態(tài)檢查。這個(gè)過(guò)程不斷進(jìn)行直到機(jī)器人達(dá)到設(shè)定的增量 Δsk的末端。四個(gè)狀態(tài)按照一個(gè)關(guān)鍵的順序布置，最關(guān)鍵的條件是被先檢查。因此，如果狀態(tài) 1（小腿脫離接觸）發(fā)生了，它將在其他狀態(tài)被檢查前糾正。 像前面提到的那樣，四個(gè)狀態(tài)例行檢查，以此來(lái)確定腿部的狀態(tài)。狀態(tài) 1 與抓取裝置脫離墻壁的可能性相關(guān)聯(lián)。如果這樣的事件發(fā)生了，將只有很重力作用在設(shè)備上，會(huì)導(dǎo)致在致動(dòng)器的扭矩測(cè)量結(jié)果過(guò)小。如果是這樣的情況，機(jī)器人將會(huì)在下一個(gè)可能的位置上搜索墻壁上的一個(gè)新的夾緊點(diǎn)。 這個(gè)“ 下一個(gè)可能的位置 ” 是一條腿的位于腿部的路徑向量允許 的空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于腿部的每一個(gè)位置，一個(gè)腿的路徑向量被定義為從它的當(dāng)前位置開(kāi)始并指向其最終位置。其最終位置將在當(dāng)前段 Δsk移位到腿的預(yù)期點(diǎn)的結(jié)束點(diǎn)旁邊的中央體（中心體位置將在當(dāng)前 Δsk的結(jié)束點(diǎn)）。 狀態(tài) 2 和中心體移動(dòng)后的腿部位置有關(guān)。中心體朝向其目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)會(huì)增加它到末端效應(yīng)器上一些點(diǎn)的距離并且會(huì)減少到另一些點(diǎn)的距離。換句話說(shuō)，這些腿必須在中心體的 δ步驟中在路徑方向上超前。因此，我們定義了一個(gè)對(duì)每條腿的允許空間。所允許的空間指定了一個(gè)與中心體以這樣一種方式相關(guān)的區(qū)域，如果腿部定位在了區(qū)域外，必須采取一個(gè)措 施來(lái)將腿移到沿腿部路徑向量的允許空間內(nèi)。因此，由于所允許空間與中心體相關(guān)，中心體的 運(yùn)動(dòng)將移動(dòng)相對(duì)于腿部的允許空間，絕對(duì)會(huì)導(dǎo)致腿部退出它，從而迫使機(jī)器人前進(jìn)腿中的方向的運(yùn)動(dòng)。腿部前進(jìn)和允許空間定義會(huì)在 章中更詳細(xì)地描述。重新定義中心體沿路徑方向移動(dòng)了機(jī)器人的中心結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了接觸力分布的變化。作用在一條或多條腿上的小作用力可能導(dǎo)致它們是無(wú)效的。此外，一些腿上的小作用力會(huì)導(dǎo)致其他腿上的極端的不必要的大作用力。由于這些原因，檢查狀態(tài) 3 和狀態(tài) 4 是有必要的。狀態(tài) 4 是關(guān)于一條腿支撐了太大的力的情況。由于執(zhí)行器有一個(gè)有 限的扭矩，每個(gè)執(zhí)行器的腿部過(guò)載都要被檢查。因此，狀態(tài) 4 的條件是檢查是否每條腿的執(zhí)行器的扭矩大于一個(gè)預(yù)定的扭矩最大值 Tmax。在一個(gè)執(zhí)行器過(guò)載的狀態(tài)下，機(jī)器人以非常小的步子從過(guò)載腿移開(kāi)它的中心體來(lái)修改腿的取向和平衡執(zhí)行器的扭矩。相對(duì)于狀態(tài) 4，在狀態(tài) 3 中，檢查一下作用于末端效應(yīng)器的腿部作用力是否小于限定作用力 Fmin 是很有必要的。在這樣的情況下， 機(jī)器人會(huì)將腿部向當(dāng)前段 Δsk的末尾的下一個(gè)可能的位置前進(jìn)。 移動(dòng)腿部 i 的基本原理是通過(guò)考慮沿路徑的機(jī)器人的前進(jìn)方向來(lái)計(jì)算腿部的下一個(gè)可能位置。 如 節(jié)中描述的那樣，腿部有它的定義允許空間。允許空間和中心基相關(guān)并且 12 它的原點(diǎn)被定義為框架 B 的原點(diǎn)。 我們定義 Rmax 為允許帶的半徑并將其作為由 SF 劃分的 xy 區(qū)域的腿部最長(zhǎng)可能長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算（ 16）（當(dāng)從墻上 Z 中的距離是固定值時(shí)， E 被定義并且恒定）中的 xy 平面上的腿通過(guò)的 SF 劃分的。 SF 是用于防止腿的矯直預(yù)定的安全系數(shù)。 因此， Rmax 定義了腿部末端效應(yīng)器的 xmax 和 ymax。 ymin 和 xmin 是定值而且有腿部物理工作空間定義。從原點(diǎn)得，兩個(gè)引導(dǎo)線被吸引到由 Rmax 的弧的交叉點(diǎn)和產(chǎn)生點(diǎn) a 和 b的最小限（ ymin 和 xmin） 。 這種幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 5 個(gè)區(qū)域。允許的區(qū)域是區(qū)域 VI。中心體移動(dòng)之后，腿部的位置被檢測(cè)并且如果它超出了區(qū)域 VI，那么腿會(huì)被移動(dòng)到下一個(gè)可能區(qū)域的允許區(qū)域 VI 中。下一位置將根據(jù)其對(duì)當(dāng)前增量 Δsk 的 最終目的地來(lái)確定。這些坐標(biāo)然后會(huì)被處理使得下個(gè)腿的位置會(huì)沿 著那個(gè)方向但在腿部的定義允許空間內(nèi)。這意味著，如果下一個(gè)腿部的期望位置 (x′leg, y′leg)在空間 V 內(nèi)，它會(huì)被糾正并重新定位在?。ㄓ?Rmax得）和移動(dòng)路徑相交的點(diǎn)（ xleg,yleg）上，如果下個(gè)腿部期望位置在區(qū)域 I 或者區(qū)域 II 中，那么將被分別糾正和重新定位在 a 或 b 點(diǎn)。如果下個(gè)期望位置在區(qū)域 III 中，那么只有 xleg的坐標(biāo)將被改為 xmin。區(qū)域 IV的情況也是一樣，只有 yleg的坐標(biāo)會(huì)被改為 ymin。讓 Δxbody, Δybody 作為 中 心體關(guān)聯(lián)當(dāng)前 Δsk 的位置， xleg,body, yleg,body 作為 腿部在當(dāng)前段 Δsk 移位到下一個(gè)其中央主體的腿預(yù)期點(diǎn)的終點(diǎn)的位置。 Ffree 是作用在末端效應(yīng)器的表示釋放腿部的最小作用力。算法 1 是一個(gè)動(dòng)作序列，能夠?qū)⑼炔?i 的末端效應(yīng)器從當(dāng)前位置移動(dòng)到期望位置。 xleg,body, yleg,body. zleg,body 是根據(jù)到墻 Z 的距離計(jì)算得到的預(yù)定值。首先機(jī)器人將按照 yw 方向（指向天空）在預(yù)定距離 d 以內(nèi)將鉤爪從墻上分離。然后它將測(cè)量電機(jī)上的扭矩并計(jì)算腿上的接觸力 。如果作用力小于 Ffree，那么這個(gè)腿就被釋放了，否則它會(huì)重復(fù)在距離 d 上的運(yùn)動(dòng)并且再次檢查作用力。 Δx, Δy 是 當(dāng)前 Δsk值在 x,y軸上的突起。離開(kāi)中心體到 Δsk 末端的距離， Δx ? Δxbody, Δy ? Δybody 表示在中心體框架（框架 B）中被轉(zhuǎn)換了，從框架 B 到框架 L 使用齊次變換 ，由下式給出： 當(dāng)前 Δsk 的腿部 末端的預(yù)期位置，被添加到相對(duì)于中心體的對(duì)應(yīng)位置。 我們計(jì)算從腿部當(dāng)前位置到期望位置在腿部框架的當(dāng)前 Δsk 的末端表示的腿矢量。因此，腿部的最終位 13 置會(huì)被進(jìn)行檢查，以使它在允許的區(qū)域內(nèi)，如果不是，它將會(huì)被糾正到前面的狀態(tài)。 為了實(shí)施上面提出的模型，我們使用了 BIOLOID 機(jī)器人套件。還用到了 16 AX12 + Dynamixel 致動(dòng)器。這些致動(dòng)器是包含內(nèi)置的控制器，驅(qū)動(dòng)器，通信協(xié)議和減速齒輪的組合式直流伺服電機(jī)。當(dāng)供給 V 推薦電壓時(shí)，最大致動(dòng)器轉(zhuǎn)矩是 公斤力厘米，最大角速度為 51 轉(zhuǎn)。執(zhí)行器的角度和速度可在 1024 步的分辨率下進(jìn)行控制。置的控制器能夠測(cè)量致動(dòng)器的角度，速度和扭矩。對(duì)于實(shí)現(xiàn)該算法，這個(gè)反饋能力是是必不可少的。機(jī)器人拉伸到總長(zhǎng)度時(shí)，不可操作并且充分拉伸長(zhǎng)度是 750 毫米。有了外部電源， CLIBO 樣機(jī)重量為 2 公斤，這使得它非常小巧而且便于攜帶。 CLIBO 的有效負(fù)載是從致動(dòng)器和夾持器的保持極限的能力而得。每個(gè)夾持器能夾持高達(dá) 2 公斤的重量。然而，根據(jù)在第 節(jié)描述的均衡分析和致動(dòng)器的最大扭矩，各腿可支撐高達(dá) 公斤的重量。因此，假定在任何給定情況至少有三條腿附著在墻壁上的情 況下，CLIBO 的有效載荷為約 5 公斤。在實(shí)際操作中，我們認(rèn)為這種估計(jì)是太樂(lè)觀的，所以實(shí)際的有效載荷將是大約 2 千克。然而，有效負(fù)荷承載力并沒(méi)有在此階段驗(yàn)證。 在測(cè)試過(guò)程中，我們遇到了兩個(gè)問(wèn)題。一個(gè)問(wèn)題就在墻壁上的機(jī)器人的穩(wěn)定性。更快的動(dòng)作產(chǎn)生不必要的動(dòng)態(tài)作用力。腿部脫離墻壁的速度最初設(shè)定為 米 /秒，產(chǎn)生使機(jī)器人下落的動(dòng)態(tài)力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化方法來(lái)找到一個(gè)最佳的驅(qū)動(dòng)器攀爬速度，它降低至 米 /秒。 第二個(gè)問(wèn)題，傳播速度慢，到現(xiàn)在還沒(méi)有被克服并且 移動(dòng)動(dòng)作之間長(zhǎng)期拖延給了 CLIBO 一個(gè)沿著路徑以 12 厘米 /分的進(jìn)步速度。盡管有這兩個(gè)困難，但夾持裝置的構(gòu)造已被充分驗(yàn)證并且證明其能夠提供機(jī)器人良好的附著可靠性。 本文提出了一種四條腿的機(jī)器人， CLIBO（ 爪啟發(fā)機(jī)器人 ） ，能使用附著在墻上的鉤爪在粗糙表面攀爬。該 CLIBO 機(jī)器人爬上表面的能力已經(jīng)用了一種運(yùn)動(dòng)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其他幾個(gè)方面在以后還有待進(jìn)一步研究，主要是以下幾個(gè)方面：動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)；制定過(guò)渡算法；提供機(jī)器人無(wú)能量消耗定在墻上的能力；提高機(jī)載計(jì)算速度；提供配載能量源。允許夾持器附著到彎曲表面，并調(diào)整算法適應(yīng)不平坦的地形將擴(kuò)大機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性 而不局限于垂直壁面。此外，設(shè)計(jì)出各種涉及吸盤(pán)或磁鐵可以擴(kuò)大 CLIBO 可以攀登的表面。由于解決這些問(wèn)題的必要性， CLIBO 機(jī)器人能夠以可靠的方式完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 14 附件 2：外文原文 Design and motion planning of an autonomous climbing robot with claws Avishai Sintov, Tomer Avramovich, Amir Shapiro Abstact This paper presents the design of a novel robot capable of climbing on vertical and rough surfaces, such as stucco walls. Termed CLIBO (claw inspired robot), the robot can remain in position for a long period of time. Such a capability offers important civilian and military advantages such as surveillance,observation, search and rescue and even for entertainment and games. The robot’s kinematics and motion,is a bination between mimicking a technique monly used in rock climbing using four limbs to climb and a method used by cats to climb on trees with their claws. It uses four legs, each with fourdegreesoffreedom (4DOF) and specially designed claws attached to each leg that enable it to maneuver itself up the wall and to move in any direction. At the tip of each leg is a gripping device made of 12 fishing hooks and aligned in such a way that each hook can move independently on the wall’s surface. This design has the advantage of not requiring a taillike structure that would press against the surface to balance its weight. A lootion algorithm was developed to provide the robot with an autonomous capability for climbing along the predesigned route. The algorithm takes into account the kinematics of the robot and the contact forces appl