【正文】 以此根據(jù)壁圖 4 面條件來(lái)降低或升高自身位置。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。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。 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。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。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。每條腿都具有五自由度。 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)。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)。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)。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。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?；谶@種設(shè)計(jì)的機(jī)器人被稱為 CLIBO (爪啟發(fā)機(jī)器人 )。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。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)。 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。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。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。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)。它有四條腿，每條腿都具有四個(gè)自由度以及專門設(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)。 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。 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 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的方式混合的模仿技術(shù)。每條腿的端部是由十二個(gè)魚鉤組成的夾持裝置，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)。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。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。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。 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)。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)借鑒了人類四肢攀巖的方式和貓用腳爪爬樹的運(yùn)動(dòng)方式。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。我們用 CLIBO 實(shí)驗(yàn)表明了可 靠的爬壁是可行的。 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，提供了相當(dāng)大的軍用和民用優(yōu)勢(shì)。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)。 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。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。 這種機(jī)器人包含四個(gè)圍繞它中心對(duì)稱布置的四條腿。 圖 1 展示了一條腿的設(shè)計(jì)樣式。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)。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。每條腿的前兩個(gè)電機(jī)驅(qū)使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。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)的行為很類似。）移動(dòng)。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)。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。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)。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。每個(gè)裝置，包含在一個(gè)鋁制機(jī)箱上對(duì)齊的 12 個(gè)鎳制魚鉤，能夠鉤住墻上的裂縫和抓持 2KG 的重量。一小片盒裝環(huán)氧基樹脂將鉤子粘在串上。換句話說(shuō)，鉤子不能被橫向移動(dòng)或者扭曲。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。這種抓持裝置設(shè)計(jì)成可以相當(dāng)于墻壁平面 20176。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。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。 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。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。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?；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)。機(jī)器人相對(duì)于框架 W、全局框架移動(dòng)?？蚣?B 被固定在了機(jī)器人的中心體?？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)。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。當(dāng)腿部完全拉伸時(shí)，所有角度都被設(shè)置為零度。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。 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?；?180176。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。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。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。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)。此外，該中心體到 墻壁的距離被限制在定義域 Z 內(nèi)。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。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。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。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(gè)角度可以根據(jù)式子（ 4） （ 8）隨后計(jì)算得到。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。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)。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。 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。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。另外四個(gè)參數(shù) M1, . . . ,M4 是作用在腿部關(guān)節(jié)的扭矩。 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。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。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。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)。通過(guò)這種方式，力矩和力平衡能夠被動(dòng)地得到。因 此導(dǎo)致平衡沒(méi)有被確認(rèn)。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。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。為中心體架設(shè)的路徑是由用戶做事先爬行預(yù)定義的。有用戶先爬行得到的路徑被離散成小 片段。圖 5 示出了運(yùn)動(dòng)的算法的流程圖。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)。 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。 因此，沿著該路徑的第 k 個(gè)離散點(diǎn)是 sk = Sk(kΔρ)。 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。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)。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。 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)。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）。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。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。狀態(tài) 1 與抓取裝置脫離墻壁的可能性相關(guān)聯(lián)。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)。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。 狀態(tài) 2 和中心體移動(dòng)后的腿部位置有關(guān)。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。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)。腿部前進(jìn)和允許空間定義會(huì)在 章中更詳細(xì)地描述。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。由于這些原因，檢查狀態(tài) 3 和狀態(tài) 4 是有必要的。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。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。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)。 如 節(jié)中描述的那樣，腿部有它的定義允許空間。 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。 因此， Rmax 定義了腿部末端效應(yīng)器的 xmax 和 ymax。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） 。允許的區(qū)域是區(qū)域 VI。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)。區(qū)域 IV的情況也是一樣，只有 yleg的坐標(biāo)會(huì)被改為 ymin。 Ffree 是作用在末端效應(yīng)器的表示釋放腿部的最小作用力。 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。然后它將測(cè)量電機(jī)上的扭矩并計(jì)算腿上的接觸力 。 Δx, Δy 是 當(dāng)前 Δsk值在 x,y軸上的突起。 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。 為了實(shí)施上面提出的模型，我們使用