【正文】 1 xxxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )外文資料翻譯 學(xué) 院 自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 自動(dòng)化 學(xué)生姓名 班級(jí)學(xué)號(hào) 外文出處 Robotics and Autonomous Systems 附件： ； 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)： 1．翻譯內(nèi)容與課題的結(jié)合度： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 差 2．翻譯內(nèi)容的準(zhǔn)確、流暢： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 差 3．專(zhuān)業(yè)詞匯翻譯的準(zhǔn)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(dǎo)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(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，可以用來(lái)，比如粉刷墻面。作為 CLIBO（ claw inspired robot 爪啟發(fā)機(jī)器人），這種機(jī)器人可以在某一位置固定很長(zhǎng)一段時(shí)間。 這樣的能力具有很重要的民用和軍事優(yōu)勢(shì)，如用來(lái)監(jiān)視、觀察、搜索和救援，甚至也能用于娛樂(lè)和游戲方面。這種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)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(shù)的方式混合的模仿技術(shù)。它有四條腿，每條腿都具有四個(gè)自由度以及專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)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(dòng)。每條腿的端部是由十二個(gè)魚(yú)鉤組成的夾持裝置，這些鉤子以一種特殊的方式對(duì)齊使得每個(gè)鉤子可以在墻壁的表面獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。這樣的 設(shè)計(jì)具有不需要用于緊壓避免來(lái)平衡重量的尾狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。為了能讓機(jī)器人可以在預(yù)定路線上進(jìn)行自主攀登，設(shè)計(jì)者特意設(shè)計(jì)了一種運(yùn)動(dòng)算法。該算法考慮了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及施加在足墊的接觸力。此外，該設(shè)計(jì)還提供給機(jī)器人審查其夾持力的能力以達(dá)到和保持在其附連到墻壁的高可靠性。構(gòu)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人來(lái)驗(yàn)證模型和它的運(yùn)動(dòng)算法。最終，實(shí)驗(yàn)證明了特殊的夾持裝置的高可靠性和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的效率。 關(guān)鍵詞 ： 攀爬，機(jī)器人，爪，運(yùn)動(dòng)，算法 本文包含了垂直壁面攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。 這種能力顯著提高機(jī)器人的移動(dòng)性和工作區(qū)域并且 具有重要的軍事和民用的優(yōu)勢(shì)。作為設(shè)計(jì)目標(biāo)的一部分，機(jī)器人被假定為能夠以自行和可靠的方式移動(dòng)。此外，機(jī)器人還應(yīng)該要小巧、結(jié)構(gòu)緊湊以及便于單人攜帶操作。為了執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，機(jī)器人還必須能夠無(wú)能量消耗地附著在墻壁上。為了實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)目標(biāo)，機(jī)器人的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)借鑒了人類(lèi)四肢攀巖的方式和貓用腳爪爬樹(shù)的運(yùn)動(dòng)方式?；谶@種設(shè)計(jì)的機(jī)器人被稱(chēng)為 CLIBO (爪啟發(fā)機(jī)器人 )。為此，我們建造了一個(gè)機(jī)器人原型來(lái)驗(yàn)證這種理念。用這個(gè)運(yùn)動(dòng)模型，作為這項(xiàng)工作一部分的運(yùn)動(dòng)算法結(jié)合了四條腿的控制器和智能執(zhí)行器的能力。我們用 CLIBO 實(shí)驗(yàn)表明了可 靠的爬壁是可行的。這種機(jī)器人的獨(dú)特設(shè)計(jì)一方面提供了機(jī)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(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，如粉刷類(lèi)，提供了相當(dāng)大的軍用和民用優(yōu)勢(shì)。布置在建筑物的高處，機(jī)器人，作為一個(gè)觀測(cè)平臺(tái)，能夠提供有價(jià)值的軍事情報(bào)，以及協(xié)助搜尋和救援行動(dòng)。這樣的機(jī)器人也可以用于敵對(duì)區(qū)域無(wú)人掃描和作為運(yùn)載火力武 3 器及爆炸物的平臺(tái)。在民用方面，這種機(jī)器人可以部署在高危環(huán)境下進(jìn)行回收各種操作進(jìn)程和狀態(tài)的信號(hào)。 本文的第一部分介紹了機(jī)器人設(shè)計(jì)的考慮因素，這些因素決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。在第二部 分中，我們來(lái)回顧機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，模型描述了從它的設(shè)計(jì)中得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜態(tài)學(xué)模型。在第三節(jié)中，我們討論了基于抓取質(zhì)量措施和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。第四節(jié)展示了該設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)。我們?cè)谶@里還提供了一個(gè)已經(jīng)建好的機(jī)器人原型和大量搭載了這個(gè)原型的實(shí)驗(yàn)討論。 為了研制得到一種能夠攀爬粗糙壁面的作業(yè)機(jī)器人， CLIBO 的結(jié)構(gòu)是按照這樣一種方式開(kāi)發(fā)的，當(dāng)被激活時(shí)，它會(huì)模仿一種四肢攀爬的攀巖技術(shù)。 這種機(jī)器人包含四個(gè)圍繞它中心對(duì)稱(chēng)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(shè)計(jì)樣式。其中四個(gè)自由度是機(jī)動(dòng)的，第五個(gè)，它是裝在每條腿的末端的夾緊裝置中，是一個(gè)被動(dòng)自由度。前兩個(gè)自由度，其軸垂直于墻壁，使機(jī)器人能夠前進(jìn)移動(dòng)。這兩個(gè)自由度也負(fù)責(zé)控制附著于墻壁的鉤爪，通過(guò)拉動(dòng)末端效應(yīng)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(gè)機(jī)動(dòng)自由度，其軸平行于墻壁平面，被設(shè)計(jì)用于確定機(jī)器人從所述壁面（電機(jī)3）和末端效應(yīng)器的角約束（電機(jī)4）的距離。 腿部的這種設(shè)計(jì)給機(jī)器人提供了良好的步態(tài)能力。每條腿的前兩個(gè)電機(jī)驅(qū)使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。在鉤附著和確定了所述壁面的距離 （由電機(jī) 3 和電機(jī) 4）之后，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是由每條腿的前兩個(gè)電機(jī)執(zhí)行的。這樣的運(yùn)動(dòng)方式和攀巖者用他們的手指來(lái)抓住巖石表面裂痕并激活肩部和肘部肌肉來(lái)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)的行為很類(lèi)似。機(jī)器人的這種結(jié)構(gòu)，允許他可以利用它 16 個(gè)電機(jī)中的 8 個(gè)朝任意期望的方向（ 360176。）移動(dòng)。此外，機(jī)器人可以通過(guò)延伸腿來(lái)改變和墻壁的距離，以此根據(jù)壁圖 4 面條件來(lái)降低或升高自身位置。因此，這種腿具有去耦平面運(yùn)動(dòng)（平行于壁）和垂直于該平面的優(yōu)點(diǎn)。 一種可替代的腿構(gòu)造已經(jīng)進(jìn)行了檢驗(yàn)。其中，第一個(gè)自由度的軸垂直于壁面，另外三個(gè)自由度的軸則平行于墻壁的表面。這樣 的結(jié)構(gòu)具有可負(fù)荷攀爬和橫向運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。然而，這種配置也使機(jī)器人需要開(kāi)動(dòng)全部四個(gè)電機(jī)來(lái)推進(jìn)。此外，由于這種電機(jī)分布方式，機(jī)器人的質(zhì)心從壁面移開(kāi)并且因此脫離壁面。每個(gè)腿的四個(gè)驅(qū)動(dòng)器都和每條腿的頂部的末端效益器組裝。這種末端效應(yīng)夾緊裝置 （圖 2），模仿了貓攀爬時(shí)抓住物體或壁面的方式，是一種專(zhuān)為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的獨(dú)特裝置。每個(gè)裝置，包含在一個(gè)鋁制機(jī)箱上對(duì)齊的 12 個(gè)鎳制魚(yú)鉤，能夠鉤住墻上的裂縫和抓持 2KG 的重量。這些鉤子通過(guò)一根細(xì)的尼龍繩和鋁制機(jī)箱連接。一小片盒裝環(huán)氧基樹(shù)脂將鉤子粘在串上。掛鉤之間是導(dǎo)軌，防止它們糾纏在 一起和限制被動(dòng)兼容的自由度上的環(huán)氧基樹(shù)脂片。換句話說(shuō)，鉤子不能被橫向移動(dòng)或者扭曲。它只能在墻壁的方向上移動(dòng)，后退和前進(jìn)。一系列鉤子抓握實(shí)驗(yàn)同時(shí)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(gè)鉤子提供了獨(dú)立的抓持能力。這種抓持裝置設(shè)計(jì)成可以相當(dāng)于墻壁平面 20176。角旋轉(zhuǎn)的方式。這種旋轉(zhuǎn)方式可以防止夾緊裝置主體和墻壁發(fā)生碰撞。因?yàn)樗械耐缺还潭ㄔ趬ι?，?dāng)機(jī)器人移動(dòng)它的中心主體時(shí)，腿的取向必須改變。鉤子固定在墻上而且一個(gè)取向上的變化會(huì)在抓握裝置上關(guān)于垂直壁面的軸線施加扭矩。這種扭矩可能導(dǎo)致腿從墻壁上脫離。 為了防止這種情況，一個(gè)被動(dòng)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(guò)兩個(gè)微型軸承連接到腿上，創(chuàng)造出了一個(gè)自由度軸。一個(gè)小的平衡重量被加到了抓持設(shè)備以此保持它的平衡，因?yàn)樗咏诒诿鎭?lái)附著它本身。 設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的第一步是分析它的運(yùn)動(dòng)。因此，需要一個(gè)基于從伺服馬達(dá)獲得的位圖 5 置反饋的機(jī)器人的方向的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的分析方法。 直接運(yùn)動(dòng)學(xué)的使用使得精確用一個(gè)腿關(guān)節(jié)角度函數(shù)定位腿部末端效應(yīng)器的位置成為可能?；谠撽P(guān)節(jié)角度，末端效應(yīng)器相對(duì)于全局幀的位置能夠被計(jì)算出來(lái)。為 了分析這種運(yùn)動(dòng)學(xué)，一組幀被連到了系統(tǒng)上（圖 3）。機(jī)器人相對(duì)于框架 W、全局框架移動(dòng)?？蚣?O位于機(jī)器人的中心體，保證它和框架 W 并行?？蚣?B 被固定在了機(jī)器人的中心體。框架 L，固定在每條腿的第一個(gè)電擊傷，保證和框架 B 并行?？蚣?i(i=1,2,3,4)是放置在電動(dòng)機(jī) i 的軸線上并隨之旋轉(zhuǎn)。假設(shè)機(jī)器人能夠在平行于墻壁的平面移動(dòng)。由于所有的腿都是相似的，盡管在鏡像視圖中，末端效應(yīng)器的位置被首先放置在相對(duì)于第一個(gè)電機(jī)（框架 L）的位置。它然后被轉(zhuǎn)換到中央主體框架 B。當(dāng)腿部完全拉伸時(shí)，所有角度都被設(shè)置為零度。 讓框架 4 作為末端 效應(yīng)器框架。矢量 rL 展示了末端效應(yīng)器在框架 L 中的位置是： ，其 中 是一個(gè)從框架 i 到框架 j 的齊次變換矩陣， r4 是末端效應(yīng)器在框架 4 的相關(guān)位置。 因此，末端效應(yīng)器相對(duì)于框架 L 的位置是： 6 其中， Li 是第 i 個(gè)鏈路的長(zhǎng)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(duì)于每條腿， rL 映射到框架 B 并且可以由矢量 rB表達(dá)： 是從框架 L 時(shí)到框架 B 的齊次變換，由繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)所圍繞 φByx軸和 φBx制成。每條腿的常量， φBx和 φBy，通過(guò)圍繞中心體的腿的位置給定，可以是 0176?；?180176。我們用框架 B 代表在相對(duì)于機(jī)器人的當(dāng)前中心體位置腿部末端效應(yīng)器中的位置。然而，因?yàn)橥仁窍嗨频?，所有的腿的運(yùn)動(dòng)將在框架 L 通過(guò)相同的全局功能 控制。 為了將末端效應(yīng)器放在期望的位置，我們用限制了腿的匹配角度的反向運(yùn)動(dòng)學(xué)（ IK）。這意味著一定的配置會(huì)給出腿部末端效應(yīng)器的期望位置。這個(gè)反向運(yùn)動(dòng)學(xué)適用于關(guān)聯(lián)CLIBO 的中心體的單條腿。根據(jù)腿的匹配角度，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)被用來(lái)達(dá)到相對(duì)于中心體的末端效應(yīng)器的期望位置。由于之前提到的平衡重量的存在，末端效應(yīng)器的方向可以保持恒定。反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算是由中心主體的方向時(shí)刻保持垂直的假設(shè)而來(lái)。這種假設(shè)是準(zhǔn)確的，這么說(shuō)是由于它將在運(yùn)動(dòng)算法內(nèi)所作的中心體的取向角進(jìn)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(nèi)。由于腿部的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)側(cè)向接頭負(fù)責(zé)控制鉤爪到墻壁的距離和接近角度。然而在 XY 方案中，兩個(gè)更接近中心的接頭負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)接觸點(diǎn)的位置。有了這些約束和假設(shè)，對(duì)所需的角度有四種不同的解決方案，兩個(gè)是給 θ1， θ2，另外兩個(gè)是給 θ3， θ4 的。因此，當(dāng)我們搜尋所有腿的相同結(jié)構(gòu)的解決方案時(shí)，框架 L 的每條腿都被固定為它鄰近腿的鏡像。將末端效應(yīng)器的位置用（ X， Y） T 表示，利用腿部邏輯結(jié)構(gòu)，反向運(yùn)動(dòng)學(xué)在框架 L 中進(jìn)行計(jì)算。將變量 E 作為從框架 2 的原點(diǎn)到全局框架的 xy平面（圖 4）的末端效應(yīng)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(dāng)腿附著在墻壁上時(shí)，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(shí)時(shí)確定哪些關(guān)節(jié)角度是為了在所期望的位置來(lái)定位腿的末端效應(yīng)器。一旦距離 Z 已經(jīng)根據(jù)環(huán)境被用戶(hù)界面確定，那么四個(gè)角度可以根據(jù)式子（ 4） （ 8）隨后計(jì)算得到。 腿部是由能夠測(cè)量操作腿關(guān)節(jié)扭矩的智能伺服電機(jī)組成的。使用這個(gè)反饋，我們可以計(jì)算作用在基于關(guān)節(jié)扭矩的末端效應(yīng)器的力。力計(jì)算包含作用于連接體質(zhì)心的引力力量 。從確定作用在腿部末端效應(yīng)器的反作用力表明兩種狀態(tài)的一個(gè)。過(guò)大的力表明腿部超載了。對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)這是很危險(xiǎn)的，需要立即處理。力量過(guò)小則表明一個(gè)腿已經(jīng)脫離了壁面。 配置參數(shù)向量 vp 的，它包含致動(dòng)器 θ1, . . . , θ4 的四個(gè)關(guān)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(guān)的機(jī)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(diǎn)到到末端效應(yīng)器的矢量，那么末端效應(yīng)器的力雅可比會(huì)是： 重力雅可比為： 其中 從全局框架的原點(diǎn)到連接體質(zhì)心的向量。 8 圖 4 機(jī)器人 xy 平面圖 對(duì)于每條腿，作用在關(guān)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(yīng)器的力向量。我們已經(jīng)得到了一個(gè)向量扭矩（和一個(gè)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(méi)有任何意義。另外四個(gè)參數(shù) M1, . . . ,M4 是作用在腿部關(guān)節(jié)的扭矩。 這些參數(shù)由伺服電機(jī)進(jìn)行測(cè)量。 因此，我們得到四個(gè)方程： 9 這四個(gè)方程是顯示未知參數(shù) fx, fy, fz , θ0 特征的關(guān)節(jié)力矩表達(dá)式。對(duì)這些方程式進(jìn)行數(shù)值求解以獲得接觸力。正如期望的那樣，這個(gè)解決方案表明 M1, . . . ,M4的表示獨(dú)立于 θw, dw。這意味著關(guān)節(jié)扭矩不取決于墻上機(jī)器人的位置。這個(gè)控制程序現(xiàn)在能夠在任何給定的機(jī)器人位置下實(shí)時(shí)解答這四個(gè)方程，給我們提供操作 機(jī)器人的力的信息。反作用力分析是同時(shí)在一條腿上進(jìn)行的。這些分析彼此互相比較為了分析機(jī)器人腿部的重量分布。 在這一節(jié)中，我們描述 CLIBO 的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，這使得它能夠爬上垂直的，粗糙的質(zhì)感墻壁。這個(gè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是基于電機(jī)能夠測(cè)量所施加的扭矩和因此估算夾持器上接觸力的能力而來(lái)。 CLIBO 的控制是基于主動(dòng)位置控制，而不是主動(dòng)力控制。通過(guò)這種方式，力矩和力平衡能夠被動(dòng)地得到。我們的硬件是不能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)力