【正文】 能夠前進移動。在第三節(jié)中，我們討論了基于抓取質(zhì)量措施和機器人運動學(xué)的運動規(guī)劃算法。我們用 CLIBO 實驗表明了可 靠的爬壁是可行的。 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。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。構(gòu)建了一個實驗機器人來驗證模型和它的運動算法。基于這種設(shè)計的機器人被稱為 CLIBO (爪啟發(fā)機器人 )。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。每條腿都具有五自由度。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 的結(jié)構(gòu)具有可負荷攀爬和橫向運動的優(yōu)點。掛鉤之間是導(dǎo)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。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。 直接運動學(xué)的使用使得精確用一個腿關(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。假設(shè)機器人能夠在平行于墻壁的平面移動。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。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。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)，反向運動學(xué)在框架 L 中進行計算。力計算包含作用于連接體質(zhì)心的引力力量 。然而，這些參數(shù)在我們要的條件中沒有任何意義。反作用力分析是同時在一條腿上進行的。相反，在運動過程中不斷給每條腿的施加扭矩和接觸力分別被計算著。機器人移動自身中央機構(gòu)正對一個臨時位置的路徑段，同時尋找機會移動它的腿。用 Δsk = sk+1?sk作為一個分離路徑元素，其中 sk+1 = S((k + 1)Δρ)。在每種狀態(tài)下，機器人的反應(yīng)各不相同。如果這樣的事件發(fā)生了，將只有很重力作用在設(shè)備上，會導(dǎo)致在致動器的扭矩測量結(jié)果過小。因此，我們定義了一個對每條腿的允許空間。狀態(tài) 4 是關(guān)于一條腿支撐了太大的力的情況。允許空間和中心基相關(guān)并且 12 它的原點被定義為框架 B 的原點。中心體移動之后，腿部的位置被檢測并且如果它超出了區(qū)域 VI，那么腿會被移動到下一個可能區(qū)域的允許區(qū)域 VI 中。算法 1 是一個動作序列，能夠?qū)⑼炔?i 的末端效應(yīng)器從當前位置移動到期望位置。因此，腿部的最終位 13 置會被進行檢查，以使它在允許的區(qū)域內(nèi)，如果不是，它將會被糾正到前面的狀態(tài)。機器人拉伸到總長度時，不可操作并且充分拉伸長度是 750 毫米。 在測試過程中，我們遇到了兩個問題。該 CLIBO 機器人爬上表面的能力已經(jīng)用了一種運動算法進行了實驗驗證。 or 180176。允許夾持器附著到彎曲表面，并調(diào)整算法適應(yīng)不平坦的地形將擴大機器人的機動性 而不局限于垂直壁面。更快的動作產(chǎn)生不必要的動態(tài)作用力。 CLIBO 的有效負載是從致動器和夾持器的保持極限的能力而得。還用到了 16 AX12 + Dynamixel 致動器。首先機器人將按照 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。這些坐標然后會被處理使得下個腿的位置會沿 著那個方向但在腿部的定義允許空間內(nèi)。 SF 是用于防止腿的矯直預(yù)定的安全系數(shù)。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預(yù)定的扭矩最大值 Tmax。因此，由于所允許空間與中心體相關(guān)，中心體的 運動將移動相對于腿部的允許空間，絕對會導(dǎo)致腿部退出它，從而迫使機器人前進腿中的方向的運動。 這個“ 下一個可能的位置 ” 是一條腿的位于腿部的路徑向量允許 的空間內(nèi)的一個點。如果沒有出現(xiàn)這些狀態(tài)，機器人移動它的中央機構(gòu)到下一子步驟，之后再每個事例中重 復(fù)執(zhí)行該 4 狀態(tài)檢查。因此，機器人路徑的每個增量是 Δsk步驟分解成更小的、 δ、由身體運動進行的子步驟。 機器人從一個更高水平的計劃方案得到在墻壁上的路徑規(guī)劃。如果只在多次嘗試后才能成功抓取，那么只有一些中央機構(gòu)配置是不可行的。 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(zhì)感墻壁。 這些參數(shù)由伺服電機進行測量。過大的力表明腿部超載了。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。這種假設(shè)是準確的，這么說是由于它將在運動算法內(nèi)所作的中心體的取向角進行校正，這將在后面詳述。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(yīng)器中的位置。它然后被轉(zhuǎn)換到中央主體框架 B。為 了分析這種運動學(xué)，一組幀被連到了系統(tǒng)上（圖 3）。這種扭矩可能導(dǎo)致腿從墻壁上脫離。它只能在墻壁的方向上移動，后退和前進。此外，由于這種電機分布方式，機器人的質(zhì)心從壁面移開并且因此脫離壁面。機器人的這種結(jié)構(gòu)，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。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。在第二部 分中，我們來回顧機器人的數(shù)學(xué)模型，模型描述了從它的設(shè)計中得到的運動學(xué)和靜態(tài)學(xué)模型。用這個運動模型，作為這項工作一部分的運動算法結(jié)合了四條腿的控制器和智能執(zhí)行器的能力。 關(guān)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(shè)計和運動規(guī)劃。它有四條腿，每條腿都具有四個自由度以及專門設(shè)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。這種機器人的運動學(xué)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(shù)。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。為此，我們建造了一個機器人原型來驗證這種理念。 本文的第一部分介紹了機器人設(shè)計的考慮因素，這些因素決定了機器人的運動結(jié)構(gòu)。 圖 1 展示了一條腿的設(shè)計樣式。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。然而，這種配置也使機器人需要開動全部四個電機來推進。換句話說，鉤子不能被橫向移動或者扭曲。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(guān)于垂直壁面的軸線施加扭矩。基于該關(guān)節(jié)角度，末端效應(yīng)器相對于全局幀的位置能夠被計算出來。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于第一個電機（框架 L）的位置?；?180176。反向運動學(xué)的計算是由中心主體的方向時刻保持垂直的假設(shè)而來。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(yīng)器的距離的投影。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。另外四個參數(shù) M1, . . . ,M4 是作用在腿部關(guān)節(jié)的扭矩。這些分析彼此互相比較為了分析機器人腿部的重量分布。機器人運動的主要假設(shè)是一條腿會一直試圖鉤在墻壁上并且最終成功做到。圖 5 示出了運動的算法的流程圖。 每個增量是然后細分成更小的段，同時長度 δ 被身體動作來執(zhí)行。機器人采取一個動作應(yīng)對一條腿被釋放的時候（狀態(tài) 1）；一條腿的末端效應(yīng)器超出了它所運行的位置（狀態(tài) 2）；一條腿負載過低（狀態(tài) 3）；一條腿超載了（狀態(tài) 4）。如果是這樣的情況，機器人將會在下一個可能的位置上搜索墻壁上的一個新的夾緊點。所允許的空間指定了一個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，必須采取一個措 施來將腿移到沿腿部路徑向量的允許空間內(nèi)。由于執(zhí)行器有一個有 限的扭矩，每個執(zhí)行器的腿部過載都要被檢查。 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)域的腿部最長可能長度進行計算（ 16）（當從墻上 Z 中的距離是固定值時， E 被定義并且恒定）中的 xy 平面上的腿通過的 SF 劃分的。下一位置將根據(jù)其對當前增量 Δsk 的 最終目的地來確定。 xleg,body, yleg,body. zleg,body 是根據(jù)到墻 Z 的距離計算得到的預(yù)定值。 為了實施上面提出的模型，我們使用了 BIOLOID 機器人套件。有了外部電源， CLIBO 樣機重量為 2 公斤，這使得它非常小巧而且便于攜帶。一個問題就在墻壁上的機器人的穩(wěn)定性。其他幾個方面在以后還有待進一步研究，主要是以下幾個方面：動態(tài)運動；制定過渡算法；提供機器人無能量消耗定在墻上的能力；提高機載計算速度；提供配載能量源。. We use frame B to represent the position of the leg EEs in relation to the current central body position of the robot. However,because the legs are similar, all the legs movements will be controlled in frame L by the same global function . Inverse kinematics To position the EE at a desired location, we use the inverse kinematics (IK) which defines the legs’ matching angles. This means that a certain configuration would give the desired position of the leg EEs. The IK is used for a single leg relative to CLIBO’s central body. The IK is used to reach a desired EEs position in relative to the central body according to the legs’ matching orientation of the EE remains constant due to the balancing weight mentioned previously. The calculation of the IK is made with the assumption that the central body’s orientation remains vertical at all time. This assumption is accurate due to orientation angle correction of the central body which will be made within the motion algorithm, as will be 20 detailed later. Moreover, the distance of the central body from the wall is constrained to the defined value Z. By construction of the leg, the two lateral joints are responsible for the distance from the wall and the approach angle of the the two joints which are closer to the central base are responsible for the location of the contact point in the X–Y these constraints and assumptions, there are four different solutions for the desired angles, two for θ1,θ2 and two for θ3, , as we search for the same configuration solution for all legs, frame L of every leg is fixed as a mirror view to its the position of the EE as (X, Y)T , the inverse kinematics,puted using the leg geometrics, is calculated in frame L. Let variable E be the projection of the distance from frame 2’s origin to the EE on the global frame’s x–y plane (Fig. 3). From the law of cosines, θ2 is: From the law of sines, θ1 will be: when the leg is attached to the wall, the distance from the wall Z remains constant. Therefore, the sum of θ3 and θ4 which defines the distance Z, remains constant and is given by κ. From (2): From (6), we can extract θ3: Therefore, θ4 will be: This method