【正文】 1 xxxx 大學 畢業(yè)設計 (論文 )外文資料翻譯 學 院 自動化學院 專 業(yè) 自動化 學生姓名 班級學號 外文出處 Robotics and Autonomous Systems 附件： ； 指導教師評價： 1．翻譯內容與課題的結合度： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 差 2．翻譯內容的準確、流暢： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 差 3．專業(yè)詞匯翻譯的準確性： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 差 4．翻譯字符數(shù)是否符合規(guī)定要求： □ 符合 □ 不符合 指導教師簽名： 年 月 日 2 附件 1：外文資料翻譯譯文 一種自主攀爬機器人的設計與運動規(guī)劃 Avishai Sintov , Tomer Avramovich, Amir Shapiro 摘 要： 本文提供了一種新穎的可以攀上垂直粗糙的表面的機器人的設計方案，可以用來，比如粉刷墻面。作為 CLIBO（ claw inspired robot 爪啟發(fā)機器人），這種機器人可以在某一位置固定很長一段時間。 這樣的能力具有很重要的民用和軍事優(yōu)勢，如用來監(jiān)視、觀察、搜索和救援，甚至也能用于娛樂和游戲方面。這種機器人的運動學機理和運動方式是一種基于攀巖通常用的四肢爬壁方式和貓用爪子爬樹的方式混合的模仿技術。它有四條腿，每條腿都具有四個自由度以及專門設計的連接到腿的鉤爪使得它能爬上墻壁并且可以朝任何方向移動。每條腿的端部是由十二個魚鉤組成的夾持裝置，這些鉤子以一種特殊的方式對齊使得每個鉤子可以在墻壁的表面獨立運動。這樣的 設計具有不需要用于緊壓避免來平衡重量的尾狀結構的優(yōu)點。為了能讓機器人可以在預定路線上進行自主攀登，設計者特意設計了一種運動算法。該算法考慮了機器人的運動學以及施加在足墊的接觸力。此外，該設計還提供給機器人審查其夾持力的能力以達到和保持在其附連到墻壁的高可靠性。構建了一個實驗機器人來驗證模型和它的運動算法。最終，實驗證明了特殊的夾持裝置的高可靠性和運動規(guī)劃算法的效率。 關鍵詞 ： 攀爬，機器人，爪，運動，算法 本文包含了垂直壁面攀爬機器人的設計和運動規(guī)劃。 這種能力顯著提高機器人的移動性和工作區(qū)域并且 具有重要的軍事和民用的優(yōu)勢。作為設計目標的一部分，機器人被假定為能夠以自行和可靠的方式移動。此外，機器人還應該要小巧、結構緊湊以及便于單人攜帶操作。為了執(zhí)行相應任務，機器人還必須能夠無能量消耗地附著在墻壁上。為了實現(xiàn)這些設計目標，機器人的設計和開發(fā)借鑒了人類四肢攀巖的方式和貓用腳爪爬樹的運動方式。基于這種設計的機器人被稱為 CLIBO (爪啟發(fā)機器人 )。為此，我們建造了一個機器人原型來驗證這種理念。用這個運動模型，作為這項工作一部分的運動算法結合了四條腿的控制器和智能執(zhí)行器的能力。我們用 CLIBO 實驗表明了可 靠的爬壁是可行的。這種機器人的獨特設計一方面提供了機器人操縱能力，另一方面，能夠控制其位置和力的分布。 可垂直和自主沿粗糙表面垂直運動的機器人，如粉刷類，提供了相當大的軍用和民用優(yōu)勢。布置在建筑物的高處，機器人，作為一個觀測平臺，能夠提供有價值的軍事情報，以及協(xié)助搜尋和救援行動。這樣的機器人也可以用于敵對區(qū)域無人掃描和作為運載火力武 3 器及爆炸物的平臺。在民用方面，這種機器人可以部署在高危環(huán)境下進行回收各種操作進程和狀態(tài)的信號。 本文的第一部分介紹了機器人設計的考慮因素，這些因素決定了機器人的運動結構。在第二部 分中，我們來回顧機器人的數(shù)學模型，模型描述了從它的設計中得到的運動學和靜態(tài)學模型。在第三節(jié)中，我們討論了基于抓取質量措施和機器人運動學的運動規(guī)劃算法。第四節(jié)展示了該設計和運動規(guī)劃算法的實現(xiàn)。我們在這里還提供了一個已經(jīng)建好的機器人原型和大量搭載了這個原型的實驗討論。 為了研制得到一種能夠攀爬粗糙壁面的作業(yè)機器人， CLIBO 的結構是按照這樣一種方式開發(fā)的，當被激活時，它會模仿一種四肢攀爬的攀巖技術。 這種機器人包含四個圍繞它中心對稱布置的四條腿。每條腿都具有五自由度。 圖 1 展示了一條腿的設計樣式。其中四個自由度是機動的，第五個，它是裝在每條腿的末端的夾緊裝置中，是一個被動自由度。前兩個自由度，其軸垂直于墻壁，使機器人能夠前進移動。這兩個自由度也負責控制附著于墻壁的鉤爪，通過拉動末端效應器（ EE）向地板施加向下的力，如下所述，并檢查反作用力。剩下的兩個機動自由度，其軸平行于墻壁平面，被設計用于確定機器人從所述壁面（電機3）和末端效應器的角約束（電機4）的距離。 腿部的這種設計給機器人提供了良好的步態(tài)能力。每條腿的前兩個電機驅使機器人的運動。在鉤附著和確定了所述壁面的距離 （由電機 3 和電機 4）之后，機器人的運動是由每條腿的前兩個電機執(zhí)行的。這樣的運動方式和攀巖者用他們的手指來抓住巖石表面裂痕并激活肩部和肘部肌肉來推進運動的行為很類似。機器人的這種結構，允許他可以利用它 16 個電機中的 8 個朝任意期望的方向（ 360176。）移動。此外，機器人可以通過延伸腿來改變和墻壁的距離，以此根據(jù)壁圖 4 面條件來降低或升高自身位置。因此，這種腿具有去耦平面運動（平行于壁）和垂直于該平面的優(yōu)點。 一種可替代的腿構造已經(jīng)進行了檢驗。其中，第一個自由度的軸垂直于壁面，另外三個自由度的軸則平行于墻壁的表面。這樣 的結構具有可負荷攀爬和橫向運動的優(yōu)點。然而，這種配置也使機器人需要開動全部四個電機來推進。此外，由于這種電機分布方式，機器人的質心從壁面移開并且因此脫離壁面。每個腿的四個驅動器都和每條腿的頂部的末端效益器組裝。這種末端效應夾緊裝置 （圖 2），模仿了貓攀爬時抓住物體或壁面的方式，是一種專為機器人運動設計的獨特裝置。每個裝置，包含在一個鋁制機箱上對齊的 12 個鎳制魚鉤，能夠鉤住墻上的裂縫和抓持 2KG 的重量。這些鉤子通過一根細的尼龍繩和鋁制機箱連接。一小片盒裝環(huán)氧基樹脂將鉤子粘在串上。掛鉤之間是導軌，防止它們糾纏在 一起和限制被動兼容的自由度上的環(huán)氧基樹脂片。換句話說，鉤子不能被橫向移動或者扭曲。它只能在墻壁的方向上移動，后退和前進。一系列鉤子抓握實驗同時表明鉤子能夠約束彼此抓取物體的干擾和丟失情況。這種布置給每個鉤子提供了獨立的抓持能力。這種抓持裝置設計成可以相當于墻壁平面 20176。角旋轉的方式。這種旋轉方式可以防止夾緊裝置主體和墻壁發(fā)生碰撞。因為所有的腿被固定在墻上，當機器人移動它的中心主體時，腿的取向必須改變。鉤子固定在墻上而且一個取向上的變化會在抓握裝置上關于垂直壁面的軸線施加扭矩。這種扭矩可能導致腿從墻壁上脫離。 為了防止這種情況，一個被動的自由度被加入到該把持裝置的軸上面。因此，該夾緊裝置通過兩個微型軸承連接到腿上，創(chuàng)造出了一個自由度軸。一個小的平衡重量被加到了抓持設備以此保持它的平衡，因為它接近于壁面來附著它本身。 設計機器人運動的第一步是分析它的運動。因此，需要一個基于從伺服馬達獲得的位圖 5 置反饋的機器人的方向的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的分析方法。 直接運動學的使用使得精確用一個腿關節(jié)角度函數(shù)定位腿部末端效應器的位置成為可能。基于該關節(jié)角度，末端效應器相對于全局幀的位置能夠被計算出來。為 了分析這種運動學，一組幀被連到了系統(tǒng)上（圖 3）。機器人相對于框架 W、全局框架移動?？蚣?O位于機器人的中心體，保證它和框架 W 并行。框架 B 被固定在了機器人的中心體?？蚣?L，固定在每條腿的第一個電擊傷，保證和框架 B 并行?？蚣?i(i=1,2,3,4)是放置在電動機 i 的軸線上并隨之旋轉。假設機器人能夠在平行于墻壁的平面移動。由于所有的腿都是相似的，盡管在鏡像視圖中，末端效應器的位置被首先放置在相對于第一個電機（框架 L）的位置。它然后被轉換到中央主體框架 B。當腿部完全拉伸時，所有角度都被設置為零度。 讓框架 4 作為末端 效應器框架。矢量 rL 展示了末端效應器在框架 L 中的位置是： ，其 中 是一個從框架 i 到框架 j 的齊次變換矩陣， r4 是末端效應器在框架 4 的相關位置。 因此，末端效應器相對于框架 L 的位置是： 6 其中， Li 是第 i 個鏈路的長度， θi 是 i 鏈路和 i1 鏈路之間的角度。 由于每邊有四條腿鏡像分布，那么對于每條腿， rL 映射到框架 B 并且可以由矢量 rB表達： 是從框架 L 時到框架 B 的齊次變換，由繞 Y 軸旋轉所圍繞 φByx軸和 φBx制成。每條腿的常量， φBx和 φBy，通過圍繞中心體的腿的位置給定，可以是 0176。或 180176。我們用框架 B 代表在相對于機器人的當前中心體位置腿部末端效應器中的位置。然而，因為腿是相似的，所有的腿的運動將在框架 L 通過相同的全局功能 控制。 為了將末端效應器放在期望的位置，我們用限制了腿的匹配角度的反向運動學（ IK）。這意味著一定的配置會給出腿部末端效應器的期望位置。這個反向運動學適用于關聯(lián)CLIBO 的中心體的單條腿。根據(jù)腿的匹配角度，反向運動學被用來達到相對于中心體的末端效應器的期望位置。由于之前提到的平衡重量的存在，末端效應器的方向可以保持恒定。反向運動學的計算是由中心主體的方向時刻保持垂直的假設而來。這種假設是準確的，這么說是由于它將在運動算法內所作的中心體的取向角進行校正，這將在后面詳述。此外，該中心體到 墻壁的距離被限制在定義域 Z 內。由于腿部的結構，兩個側向接頭負責控制鉤爪到墻壁的距離和接近角度。然而在 XY 方案中，兩個更接近中心的接頭負責調節(jié)接觸點的位置。有了這些約束和假設，對所需的角度有四種不同的解決方案，兩個是給 θ1， θ2，另外兩個是給 θ3， θ4 的。因此，當我們搜尋所有腿的相同結構的解決方案時，框架 L 的每條腿都被固定為它鄰近腿的鏡像。將末端效應器的位置用（ X， Y） T 表示，利用腿部邏輯結構，反向運動學在框架 L 中進行計算。將變量 E 作為從框架 2 的原點到全局框架的 xy平面（圖 4）的末端效應器的距離的投影。由 余弦定理得到， θ2是： 由正弦規(guī)律得， θ1是： 當腿附著在墻壁上時，到墻壁 Z 的距離保持恒定。因此，限定距離 Z 的 θ3和 θ4的總 7 和保持不變并且由 k 給出。從（ 2）得， 從式（ 6），我們可以提取 θ3： 因此， θ4等于， 這種方法是用于實時確定哪些關節(jié)角度是為了在所期望的位置來定位腿的末端效應器。一旦距離 Z 已經(jīng)根據(jù)環(huán)境被用戶界面確定，那么四個角度可以根據(jù)式子（ 4） （ 8）隨后計算得到。 腿部是由能夠測量操作腿關節(jié)扭矩的智能伺服電機組成的。使用這個反饋，我們可以計算作用在基于關節(jié)扭矩的末端效應器的力。力計算包含作用于連接體質心的引力力量 。從確定作用在腿部末端效應器的反作用力表明兩種狀態(tài)的一個。過大的力表明腿部超載了。對機器人的穩(wěn)定性來說這是很危險的，需要立即處理。力量過小則表明一個腿已經(jīng)脫離了壁面。 配置參數(shù)向量 vp 的，它包含致動器 θ1, . . . , θ4 的四個關節(jié)角度，中心體 θ0和其全球位置 θw 的取向角， dW 可以定義如下： 其中 θw 和的 dW（圖 4）是與全局框架有關的機器人的位置參數(shù)并且由下式給出 讓 rf 表示從全局框架原點到到末端效應器的矢量，那么末端效應器的力雅可比會是： 重力雅可比為： 其中 從全局框架的原點到連接體質心的向量。 8 圖 4 機器人 xy 平面圖 對于每條腿，作用在關節(jié) θ1, . . . , θ4 上和由于反作用力 f 和連接體塊 mi 在中心體 θw, dw, θ0 上的扭矩是： 其中 (fx, fy, fz)是作用在腿部末端效應器的力向量。我們已經(jīng)得到了一個向量扭矩（和一個力 Fw） ： 其中 Mw, Fw,M0 是作用在中心體的扭矩和力。然而，這些參數(shù)在我們要的條件中沒有任何意義。另外四個參數(shù) M1, . . . ,M4 是作用在腿部關節(jié)的扭矩。 這些參數(shù)由伺服電機進行測量。 因此，我們得到四個方程： 9 這四個方程是顯示未知參數(shù) fx, fy, fz , θ0 特征的關節(jié)力矩表達式。對這些方程式進行數(shù)值求解以獲得接觸力。正如期望的那樣，這個解決方案表明 M1, . . . ,M4的表示獨立于 θw, dw。這意味著關節(jié)扭矩不取決于墻上機器人的位置。這個控制程序現(xiàn)在能夠在任何給定的機器人位置下實時解答這四個方程，給我們提供操作 機器人的力的信息。反作用力分析是同時在一條腿上進行的。這些分析彼此互相比較為了分析機器人腿部的重量分布。 在這一節(jié)中，我們描述 CLIBO 的運動規(guī)劃算法，這使得它能夠爬上垂直的，粗糙的質感墻壁。這個運動規(guī)劃是基于電機能夠測量所施加的扭矩和因此估算夾持器上接觸力的能力而來。 CLIBO 的控制是基于主動位置控制，而不是主動力控制。通過這種方式，力矩和力平衡能夠被動地得到。我們的硬件是不能夠實現(xiàn)主動力