外文翻譯 --一種自主攀爬機(jī)器人的設(shè)計與運(yùn)動規(guī)劃

1、<p><b>　　中文8280字</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　附件：1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　一種自主攀爬機(jī)器人的設(shè)計與運(yùn)動規(guī)劃</p><p>　　Avish

2、ai Sintov , Tomer Avramovich, Amir Shapiro</p><p><b>　　摘 要：</b></p><p>　　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)計方案，可以用來，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一段時間。這樣的能力具有很重

3、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(jī)器人的運(yùn)動學(xué)機(jī)理和運(yùn)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)。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。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(dú)立運(yùn)動。這樣的設(shè)計具有不需要用于緊壓避免來平衡重量的尾狀結(jié)

4、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)計者特意設(shè)計了一種運(yùn)動算法。該算法考慮了機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)以及施加在足墊的接觸力。此外，該設(shè)計還提供給機(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)建了一個實(shí)驗(yàn)機(jī)器人來驗(yàn)證模型和它的運(yùn)動算法。最終，實(shí)驗(yàn)證明了特殊的夾持裝置的高可靠性和運(yùn)動規(guī)劃算法的效率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：攀爬，機(jī)器人，爪，運(yùn)動，算法</p><p

5、><b>　　1.簡介</b></p><p>　　本文包含了垂直壁面攀爬機(jī)器人的設(shè)計和運(yùn)動規(guī)劃。這種能力顯著提高機(jī)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(shè)計目標(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。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)器人還必須能夠無能量消耗地附著在墻壁上。為了實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計目標(biāo)，機(jī)器人的設(shè)計和開

6、發(fā)借鑒了人類四肢攀巖的方式和貓用腳爪爬樹的運(yùn)動方式。基于這種設(shè)計的機(jī)器人被稱為CLIBO (爪啟發(fā)機(jī)器人)。為此，我們建造了一個機(jī)器人原型來驗(yàn)證這種理念。用這個運(yùn)動模型，作為這項(xiàng)工作一部分的運(yùn)動算法結(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。</p><p>　　可垂直和自主沿粗糙表面垂直

7、運(yùn)動的機(jī)器人，如粉刷類，提供了相當(dāng)大的軍用和民用優(yōu)勢。布置在建筑物的高處，機(jī)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(jī)器人也可以用于敵對區(qū)域無人掃描和作為運(yùn)載火力武器及爆炸物的平臺。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。</p><p>　　本文的第一部分介紹了機(jī)器人設(shè)計的考慮因素，這些因素決定了機(jī)器人的運(yùn)動結(jié)構(gòu)。在第二部分中，我們來回

8、顧機(jī)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(yùn)動學(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)動學(xué)的運(yùn)動規(guī)劃算法。第四節(jié)展示了該設(shè)計和運(yùn)動規(guī)劃算法的實(shí)現(xiàn)。我們在這里還提供了一個已經(jīng)建好的機(jī)器人原型和大量搭載了這個原型的實(shí)驗(yàn)討論。</p><p>　　2.機(jī)器人設(shè)計與分析</p><p>　　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

9、式開發(fā)的，當(dāng)被激活時，它會模仿一種四肢攀爬的攀巖技術(shù)。</p><p><b>　　2.1.機(jī)器人設(shè)計</b></p><p>　　這種機(jī)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(shè)計樣式。其中四個自由度是機(jī)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(jī)器人能夠前進(jìn)移動。這兩個

10、自由度也負(fù)責(zé)控制附著于墻壁的鉤爪，通過拉動末端效應(yīng)器（EE）向地板施加向下的力，如下所述，并檢查反作用力。剩下的兩個機(jī)動自由度，其軸平行于墻壁平面，被設(shè)計用于確定機(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。</p><p>　　腿部的這種設(shè)計給機(jī)器人提供了良好的步態(tài)能力。每條腿的前兩個電機(jī)驅(qū)使機(jī)器人的運(yùn)動。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)動是由每條腿的前兩個電

11、機(jī)執(zhí)行的。這樣的運(yùn)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(jìn)運(yùn)動的行為很類似。機(jī)器人的這種結(jié)構(gòu)，允許他可以利用它16個電機(jī)中的8個朝任意期望的方向（360°）移動。此外，機(jī)器人可以通過延伸腿來改變和墻壁的距離，以此根據(jù)壁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(yùn)動（平行于壁）和垂直于該平面的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　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

12、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(jié)構(gòu)具有可負(fù)荷攀爬和橫向運(yùn)動的優(yōu)點(diǎn)。然而，這種配置也使機(jī)器人需要開動全部四個電機(jī)來推進(jìn)。此外，由于這種電機(jī)分布方式，機(jī)器人的質(zhì)心從壁面移開并且因此脫離壁面。每個腿的四個驅(qū)動器都和每條腿的頂部的末端效 </p><p>　　益器組裝。這種末端效應(yīng)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(jī)器人運(yùn)動設(shè)計的獨(dú)特裝置。每個裝置，包含

13、在一個鋁制機(jī)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(xì)的尼龍繩和鋁制機(jī)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(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。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(jìn)。一系列鉤子抓握實(shí)驗(yàn)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(dú)立的抓持能力。這種抓持裝置設(shè)計成可以相當(dāng)于

14、墻壁平面20°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希?dāng)機(jī)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(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(shè)備以此保持它的平

15、衡</p><p><b>　　2.2.運(yùn)動學(xué)</b></p><p>　　設(shè)計機(jī)器人運(yùn)動的第一步是分析它的運(yùn)動。因此，需要一個基于從伺服馬達(dá)獲得的位置反饋的機(jī)器人的方向的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的分析方法。</p><p>　　2.2.1.直接運(yùn)動學(xué)</p><p>　　直接運(yùn)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

16、的位置成為可能?；谠撽P(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。為了分析這種運(yùn)動學(xué)，一組幀被連到了系統(tǒng)上（圖3）。機(jī)器人相對于框架W、全局框架移動。框架O位于機(jī)器人的中心體，保證它和框架W并行。框架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電擊傷，保證和框架B并行?？蚣躨(i=1,2,3,4)是放置在電動機(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。由于所有的腿都是相似的，盡管在鏡像視圖中，末端

17、效應(yīng)器的位置被首先放置在相對于第一個電機(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，所有角度都被設(shè)置為零度。</p><p>　　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：</p><p>　　，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(yīng)器在框架4的相關(guān)位置。</p><p>　　因此，末端效應(yīng)器相對

18、于框架L的位置是：</p><p>　　其中，Li是第i個鏈路的長度，θi是i鏈路和i-1鏈路之間的角度。</p><p>　　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(dá)：</p><p>　　是從框架L時到框架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，通過圍繞中心體的腿的位置給定，可

19、以是0°或180°。我們用框架B代表在相對于機(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)橥仁窍嗨频模械耐鹊倪\(yùn)動將在框架L通過相同的全局功能控制。</p><p>　　2.2.2.反向運(yùn)動學(xué)</p><p>　　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)動學(xué)（IK）。這意味著一定的配置會給出腿部末端效應(yīng)器的期望位置。這個反向運(yùn)動學(xué)適用

20、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)動學(xué)被用來達(dá)到相對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。這種假設(shè)是準(zhǔn)確的，這么說是由于它將在運(yùn)動算法內(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X-Y

21、方案中，兩個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(dāng)我們搜尋所有腿的相同結(jié)構(gòu)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(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)動學(xué)在框架L中進(jìn)行計算。將變量E作為從框架2的原點(diǎn)到全局框架的x-y平面（圖4）的末端效應(yīng)器的距離的投影。由余弦定理</p>&

22、lt;p>　　由正弦規(guī)律得，θ1是：</p><p>　　當(dāng)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的總和保持不變并且由k給出。從（2）得，</p><p>　　從式（6），我們可以提取θ3：</p><p><b>　　因此，θ4等于，</b></p><p>　　這種方法是用于實(shí)時

23、確定哪些關(guān)節(jié)角度是為了在所期望的位置來定位腿的末端效應(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。</p><p><b>　　2.3.平衡分析</b></p><p>　　腿部是由能夠測量操作腿關(guān)節(jié)扭矩的智能伺服電機(jī)組成的。使用這個反饋，我們可以計算作用在基于關(guān)節(jié)扭矩的末端效應(yīng)器的力。力計算包含作用于連接體質(zhì)心的引力

24、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。過大的力表明腿部超載了。對機(jī)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(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：</p><p>　　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</p>

25、<p>　　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)器的力雅可比會是：</p><p><b>　　重力雅可比為：</b></p><p>　　其中從全局框架的原點(diǎn)到連接體質(zhì)心的向量。</p><p>　　圖4機(jī)器人x-y平面圖</p><p>　　對于每條腿，作用在關(guān)節(jié)θ1, . . .

26、, 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：</p><p>　　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)得到了一個向量扭矩（和一個力Fw）：</p><p>　　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(guān)節(jié)的扭矩。這些

27、參數(shù)由伺服電機(jī)進(jìn)行測量。</p><p>　　因此，我們得到四個方程：</p><p>　　這四個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)時解答這四個方

28、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。</p><p><b>　　3.運(yùn)動規(guī)劃</b></p><p>　　在這一節(jié)中，我們描述CLIBO的運(yùn)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。這個運(yùn)動規(guī)劃是基于電機(jī)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

29、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?qū)崿F(xiàn)主動力控制的，這是由于從致動器內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩傳感器及主動力控制下的這種錯誤可能會導(dǎo)致穩(wěn)定性的喪失轉(zhuǎn)矩誤差讀數(shù)。因此導(dǎo)致平衡沒有被確認(rèn)。相反，在運(yùn)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(jī)器人運(yùn)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。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。沒有關(guān)于

30、表面紋理的先驗(yàn)知識，因此這類假設(shè)是不可避免的。</p><p><b>　　3.1.運(yùn)動原則</b></p><p>　　CLIBO的運(yùn)動原理是基于所述中心體沿一給定路徑上的運(yùn)動而來。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，沒有任何表面的先驗(yàn)知識，因此在爬行時，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)器人移動自身中央機(jī)構(gòu)正對

31、一個臨時位置的路徑段，同時尋找機(jī)會移動它的腿。圖5示出了運(yùn)動的算法的流程圖。</p><p>　　機(jī)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。我們想要沿著給定的參數(shù)化路徑S(ρ): R ?→ R2移動機(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作為一個機(jī)器人路徑的一個路徑增量是身體中心的一個步驟。我們將路徑離散成里的元素。因此，沿著該路徑的第k個離散點(diǎn)是sk = Sk(

32、kΔρ)。用Δsk = sk+1?sk作為一個分離路徑元素，其中sk+1 = S((k + 1)Δρ)。每個增量是然后細(xì)分成更小的段，同時長度δ被身體動作來執(zhí)行。因此，機(jī)器人路徑的每個增量是Δsk步驟分解成更小的、δ、由身體運(yùn)動進(jìn)行的子步驟。對于每個增量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。中心體的運(yùn)動是通過離開接觸點(diǎn)在其當(dāng)前的位置，并使用閉鏈運(yùn)動移動該中心體以協(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

33、動器測量到的。使用反向運(yùn)動和靜態(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。</p><p>　　運(yùn)動規(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(yùn)行的位置（狀態(tài)2）；一條腿負(fù)載過低（狀態(tài)3）；一條腿超載了（狀態(tài)4）。如果沒有出現(xiàn)這些狀態(tài)，機(jī)器人移動它的中央機(jī)構(gòu)到下一

34、子步驟，之后再每個事例中重復(fù)執(zhí)行該4狀態(tài)檢查。這個過程不斷進(jìn)行直到機(jī)器人達(dá)到設(shè)定的增量Δsk的末端。四個狀態(tài)按照一個關(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。</p><p>　　像前面提到的那樣，四個狀態(tài)例行檢查，以此來確定腿部的狀態(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，會導(dǎo)致在致動器的扭矩測量

35、結(jié)果過小。如果是這樣的情況，機(jī)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(diǎn)。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(diǎn)。對于腿部的每一個位置，一個腿的路徑向量被定義為從它的當(dāng)前位置開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)）。</p><p>　　狀態(tài)2和中心體移動后的腿部位置有關(guān)。中心體朝向其目標(biāo)

36、的運(yùn)動會增加它到末端效應(yīng)器上一些點(diǎn)的距離并且會減少到另一些點(diǎn)的距離。換句話說，這些腿必須在中心體的δ步驟中在路徑方向上超前。因此，我們定義了一個對每條腿的允許空間。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)。因此，由于所允許空間與中心體相關(guān)，中心體的運(yùn)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(jī)器人前進(jìn)腿中的方向的運(yùn)動。腿部前進(jìn)和

37、允許空間定義會在3.2章中更詳細(xì)地描述。重新定義中心體沿路徑方向移動了機(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)致它們是無效的。此外，一些腿上的小作用力會導(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)行器有一個有限的扭矩，每個執(zhí)行器的腿部過載都要被檢查。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預(yù)定的扭矩最

38、大值Tmax。在一個執(zhí)行器過載的狀態(tài)下，機(jī)器人以非常小的步子從過載腿</p><p>　　3.2.腿部運(yùn)動規(guī)劃算法</p><p>　　移動腿部i的基本原理是通過考慮沿路徑的機(jī)器人的前進(jìn)方向來計算腿部的下一個可能位置。如3.1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x-y區(qū)域的腿部最長

39、可能長度進(jìn)行計算（16）（當(dāng)從墻上Z中的距離是固定值時，E被定義并且恒定）中的x-y平面上的腿通過的SF劃分的。SF是用于防止腿的矯直預(yù)定的安全系數(shù)。</p><p>　　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個區(qū)域。允許的區(qū)域是區(qū)

40、域VI。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。下一位置將根據(jù)其對當(dāng)前增量Δsk的最終目的地來確定。這些坐標(biāo)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)。這意味著，如果下一個腿部的期望位置(x′leg, y′leg)在空間V內(nèi)，它會被糾正并重新定位在?。ㄓ蒖max得）和移動路徑相交的點(diǎn)（xleg,yleg）上，如果下個腿部期望位置在區(qū)域I或者區(qū)域II

41、中，那么將被分別糾正和重新定位在a或b點(diǎn)。如果下個期望位置在區(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移位到下一個其中央</p><p>　　當(dāng)前Δsk的腿部末端的預(yù)期位置，被添加到相對于中心體的對應(yīng)位置。我們計算從腿部

42、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，腿部的最終位置會被進(jìn)行檢查，以使它在允許的區(qū)域內(nèi)，如果不是，它將會被糾正到前面的狀態(tài)。</p><p><b>　　4.實(shí)施和實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　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 AX-12 + Dynamixel致動器。這些致動器是包含內(nèi)置的控

43、制器，驅(qū)動器，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9.6 V推薦電壓時，最大致動器轉(zhuǎn)矩是16.5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。置的控制器能夠測量致動器的角度，速度和扭矩。對于實(shí)現(xiàn)該算法，這個反饋能力是是必不可少的。機(jī)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。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。</p><

44、;p>　　CLIBO的有效負(fù)載是從致動器和夾持器的保持極限的能力而得。每個夾持器能夾持高達(dá)2公斤的重量。然而，根據(jù)在第2.3節(jié)描述的均衡分析和致動器的最大扭矩，各腿可支撐高達(dá)1.6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)為這種估計是太樂觀的，所以實(shí)際的有效載荷將是大約2千克。然而，有效負(fù)荷承載力并沒有在此階段驗(yàn)證。</p><p&

45、gt;　　在測試過程中，我們遇到了兩個問題。一個問題就在墻壁上的機(jī)器人的穩(wěn)定性。更快的動作產(chǎn)生不必要的動態(tài)作用力。腿部脫離墻壁的速度最初設(shè)定為0.1米/秒，產(chǎn)生使機(jī)器人下落的動態(tài)力。為了解決這個問題，一個經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化方法來找到一個最佳的驅(qū)動器攀爬速度，它降低至0.06米/秒。第二個問題，傳播速度慢，到現(xiàn)在還沒有被克服并且移動動作之間長期拖延給了CLIBO一個沿著路徑以12厘米/分的進(jìn)步速度。盡管有這兩個困難，但夾持裝置的構(gòu)造已被充分驗(yàn)證并且

46、證明其能夠提供機(jī)器人良好的附著可靠性。</p><p><b>　　5.結(jié)論</b></p><p>　　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)動算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其他幾個方面在以后還有待進(jìn)一步研究，主要是以下幾個方面：動態(tài)運(yùn)動；制定過渡算法；提供機(jī)器人無能量消耗

47、定在墻上的能力；提高機(jī)載計算速度；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)動性而不局限于垂直壁面。此外，設(shè)計出各種涉及吸盤或磁鐵可以擴(kuò)大CLIBO可以攀登的表面。由于解決這些問題的必要性，CLIBO機(jī)器人能夠以可靠的方式完成設(shè)計任務(wù)。</p><p><b>　　附件2：外文原文</b></p><p>　　Design a

48、nd motion planning of an autonomous climbing robot with claws</p><p>　　Avishai Sintov, Tomer Avramovich, Amir Shapiro</p><p><b>　　Abstact</b></p><p>　　This paper present

49、s the design of a novel robot capable of climbing on vertical and rough surfaces,</p><p>　　such as stucco walls. Termed CLIBO (claw inspired robot), the robot can remain in position for a long period of time

50、. 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 combination between m

51、imicking a technique commonly 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 </p><p>　　Keywords:Climbing，Robot，Claws，Mot

52、ion，Algorithm</p><p>　　1. Introduction</p><p>　　This paper considers the design and motion planning of a robot with the ability to climb on vertical surfaces. Such a capability significantly inc

53、reases robot mobility and workspace and has important military and civilian advantages. As part of the design goals, it was posited that the robot should be able to move in an autonomous and reliable way. Moreover, the r

54、obot should be small, compact and easy to carry for one-man operation. To conduct its missions, the robot must also be able to remain </p><p>　　A robot prototype was constructed for the purpose of demonstrat

55、ing our concept. Using a kinematics model, the locomotion algorithm that was developed as part of this work combines control of the four legs with an ability to utilize smart actuators. Our experimental results with CLIB

56、O have shown that reliable wall-climbing is feasible. The unique design of the robot provides it with maneuvering capabilities, on the one hand, and the ability to control its position and force distribution, on the o<

57、;/p><p>　　A robot that can vertically and autonomously move vertically along a rough surface such as stucco, offers considerable military and civilian advantages. Positioned high on a building, the robot, servi

58、ng as an observation platform, could provide valuable military intelligence as well as assist in search and rescue operations. Such a robot could also be used for unmanned sweeps of hostile areas and serve as a platform

59、for carrying firearms and explosives. In terms of civilian use, the robot could </p><p>　　The first part of this paper presents a review of the consideration in the robot’s design that led to its kinematic s

60、tructure. In the second part we review the mathematical model of the robot, describing the kinematics and static model derived from its design. In Section 3 we discuss a motion planning algorithm based on grip quality me

61、asures and robot kinematics. Section 4 presents the implementation of the design and the motion planning algorithm.We also present here the prototype robot that ha</p><p>　　2. Robot design and analysis</p

62、><p>　　In order to achieve a working robot capable of climbing rough surfaces, CLIBO’s structure was developed in such a way that when activated it would mimic a rock climbing technique of climbing using four l

63、imbs. This section reviews the robot’s design, its physical structure and the kinematic and static models.</p><p>　　2.1. Robot design</p><p>　　The robot consists of four legs which are arranged

64、symmetrically around the robot’s central body. Each leg has five-degreesof-freedom (DOF). Fig. 1 describes the design of a leg. Four of the DOFs are motorized and the fifth, which is in the gripping device mounted on the

65、 tip of the leg, is a passive DOF. The first two DOFs,whose axes are perpendicular to the wall, enable the robot to move forward. These two DOFs are also responsible for controlling the attachment of the claws to the wal

66、l by pull</p><p>　　This design of the leg provides the robot with good gait capability.The first two motors in each leg drive the robot’s movement.After the attachment of the hooks and upon determination of

67、the distance from the wall (by Motors 3 and 4) of every leg, the robot’s movement is made by the first two motors in each leg. This movement is similar to the movement of rock-climbers who use their fingers to grasp crac

68、ks in a rock face and activate their shoulder and elbow muscles to advance. The structure of</p><p>　　An alternative leg configuration was examined. One in which the first DOF’s axis is perpendicular to the

69、surface and the other 3 DOF’s axis are parallel to the wall’s surface. Such configuration gives advantage in climbing payload and lateral movement. However,this configuration bounds the robot to operate all 4 motors whil

70、e advancing. Moreover, due to the motors arrangement, the robot’s center of mass is shifted away from the wall and therefore acting to detach it..</p><p>　　Four actuators per leg were assembled with an EE at

71、 the tip of every leg. The EE gripping device (Fig. 2), which imitates the way cats hold objects or surfaces when climbing, is a unique device designed especially for the robot’s movement. Each device,consisting of 12 fi

72、shing hooks from nickel and aligned on an aluminum body, is capable of grasping cracks in the wall and holding up to 2 kg of weight. The hooks are connected to the aluminum body by a thin nylon string. A small piece box-

73、formed ep</p><p>　　Since all the legs are fixed to the wall, the orientation of the legs must change as the robot moves its central body. The hooks attach to the wall and a change in orientation will apply t

74、orque on the gripping device about the axis perpendicular to the wall. This torque can cause the leg to disengage from the wall. In order to prevent this, a passive DOF was added to the gripping device’s axis. Thus, the

75、gripping device is attached to the leg by two miniature bearings, creating a 1 DOF axis. A s</p><p>　　2.2. Kinematics</p><p>　　The first step in designing the robot’s motion was to analyze its k

76、inematics. Thus, a systematically analytical method was needed for acquiring the robot’s orientation data based on the position feedbacks obtained from the servo motors</p><p>　　2.2.1. Direct kinematics</

77、p><p>　　The use of direct kinematics makes it possible to pinpoint the position of the leg EEs as a function of the leg joint angles. Based on the joint angles, the EE positions can be calculated in relation to

78、 the global frame. In order to analyze the kinematics, a set of frames is attached to the system (Fig. 3). The robot moves relative to Frame W, the global frame. Frame 0, positioned on the robot’s central body, keeps its

79、 parallelism to frame W. Frame B is fixed to the robot’s central body. Frame L</p><p>　　Since all legs are similar, although in a mirror view, the position of the EE is first located in relation to the posit

80、ion of the first motor (frame L). It is then transformed into the central body frame B.When the leg is fully stretched sideways, all the angles are set to zero.</p><p>　　Let frame 4 be the EE frame. The vect

81、or rL which expresses the position of the EE position at frame L is:</p><p>　　where is a homogeneous transformation matrix from frame i to frame j, r4 is the position of the EE related to frame 4.</p>

82、<p>　　Hence, the EE position with respect to the frame L:</p><p>　　where Li is the length of the ith link, θi is the angle between link i ? 1 and link i.</p><p>　　As there are four legs m

83、irrored at each side, then for every leg,rL is mapped to frame B and is expressed by the vector rB:</p><p>　　is the homogeneous transformation matrix from frame L to frame B where rotations by ?By around x a

84、xis and by ?Bx around y axis are made. Each leg’s constants, ?Bx and ?By, are given by the position of the leg around the central body and can be either 0° or 180°.</p><p>　　We use frame B to repre

85、sent 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</p

86、><p>　　2.2.2. Inverse kinematics</p><p>　　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 configurati

87、on 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’ m

88、atching angles.The orientation of the EE remains constant due to the balancing weight mentioned previously. The calculation o</p><p>　　angle correction of the central body which will be made within the motio

89、n algorithm, as will be 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

90、from the wall and the approach angle of the claws.While the two joints which are closer to the central base are responsible for the location of the contact point in the X–Y plan.With these constraints and ass</p>

91、<p>　　From the law of sines, θ1 will be:</p><p>　　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, remai

92、ns constant and is given by κ. From (2):</p><p>　　From (6), we can extract θ3:</p><p>　　Therefore, θ4 will be:</p><p>　　This method is used in real time for determining what the joi

93、nt angles are in order to position the leg EEs at a desired position.Once the distance Z has been determined by the user’s interface according to environment, the 4 angles can subsequently be calculated by (4)–(8).</p

94、><p>　　2.3. Equilibrium analysis</p><p>　　The legs are composed of smart servo motors able to measure torque operating on the leg joints. Using this feedback we can calculate the force acting on th

95、e EE based on the torque of the joints. The force calculation contains the gravitation force acting at the links’ center of mass. The data from determining the reaction forces acting on the leg EEs indicates one of two s

96、tates. Large forces indicate that the legs are overloaded. This is dangerous for the robot’s stability and needs to be dealt </p><p>　　The configuration parameters vector vp, which consists of the four joint

97、 angles of the actuators θ1, . . . , θ4, the orientation angle of the central body θ0 and its global position θw, dW can be defined as follows:</p><p>　　where θw and dW (Fig. 4) are the position parameters o

98、f the robot</p><p>　　related to the global frame and are given by</p><p>　　let rF be the vector from the origin of the global frame to the EE.The EE force Jacobian will then be:</p><p

99、>　　and the gravitational forces Jacobian:</p><p>　　where the vector from the origin of the global frame to the ith link center of mass.</p><p>　　For each leg, the torques, acting on joints θ1

100、, . . . , θ4 and on the central body θw, dw, θ0 due to the reaction force f and the links’mass mi, are:</p><p>　　where (fx, fy, fz) are the force vectors acting on the leg’s EE.We have received a vector of t

101、orques (and one force Fw):</p><p>　　whereMw, Fw,M0 are torques and force acting on the central body.However, these parameters have no significance in our case. The other four parameters M1, . . . ,M4 are the