外文翻譯--機器人在自然地形下爬行 中文版.doc

1機器人在自然地形下爬行摘要：這篇文章展示了爬行機器人規(guī)劃準靜態(tài)動作的一種大致構造。把這種構造具體化是為了計算一種三足機器人在垂直自然地形中的爬行動作。在這里我們展示了通過模擬環(huán)境路徑的例子。規(guī)劃問題是五個對機器人系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)中的一個，它可使機器人在自然地形上爬行。剩下的四個方面硬件設計、控制、判斷、抓握仍在討論中。關鍵詞：動作規(guī)劃，爬行，機器人學，有足機器人，高危通道，自然地形21前言這篇文章中描寫的機器人爬行是發(fā)展核心技術成果的一部分，該技術能使一個自動化機器人的設計執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)在垂直自然地形中的爬行。對我們而言，這種技術之前從未在機器人系統(tǒng)中得到證實。先前的方法能夠處理好在人工地形爬行的問題，那些方法不是用特殊的裝置吸附在地形表面，就是利用地形特殊的性質或特點。發(fā)展這種機器人爬行技術將使我們對人類為什么能執(zhí)行像在崎嶇地形上攀爬這種復雜任務的理解更上一層樓。在今后精密機器人系統(tǒng)的發(fā)展中，將會證明這非常有益。精密機器人系統(tǒng)能夠實現(xiàn)救助或代替人們在復雜地形上進行危險作業(yè)。這樣的例子包括用機器人系統(tǒng)來搜救，偵察和探索行星。在機器人能夠真正在真實、垂直的自然地形下爬行前，需要解決許多問題。這篇文章考慮了這些問題中五個最主要的方面：硬件設計、控制、判斷、規(guī)劃和抓握。其中一個的問題，行動規(guī)劃問題，被我們詳盡的描述。爬行機器人的大致構造已經展示。這種構造被具體化來計算圖1中展示的三足機器人的爬行動作。本圖展示的是這個機器人在一種典型垂直環(huán)境下的模擬結果。圖1三足機器人相愛自然垂直表面爬行2動機在這個領域中的研究結果會使很多應用受益，也為一些相關的研究領域提供了幫助。2.1應用寫這篇文章是受到需要機器人系統(tǒng)有提供高危自然環(huán)境下的途徑的能力的激勵。3這樣的系統(tǒng)有很多陸上的用途，例如搜救，探索洞穴，輔助人類攀巖和靈活的城市任務。每個都需要上升、下降或通過陡峭的斜坡和峭壁，因此可聯(lián)想到的人類風險。一些空間應用同樣受益于這些先進的機器人系統(tǒng)。例如火星位置具有潛在的高科技價值已經在懸崖面上得到證實。通常，飛行機器人進入這些位置既不實際也不可行。因此，到達這些位置，機器人必須攀爬、下降或通過陡峭的斜坡。將來探索其它行星餓目標也許會需要進入同樣崎嶇的地形。2.2關聯(lián)為了進一步提高機器人在垂直自然地形上的發(fā)展，在這種領域中的研究結果能為一些相關領域提供重要的見解。例如，這項研究能引導使機器人走路或靈活的操作的更好的策略發(fā)展。人類攀巖者通常討論提高平衡和在日常活動中擴大活動范圍，因為他們會越來越精于運動。這種提高了的移動性通常被提及為“發(fā)現(xiàn)了新的自由”，并且與為極復雜的仿生機器人或數(shù)字化演員發(fā)現(xiàn)新的有用的機動性的想法有關。同樣，規(guī)劃運算法則的發(fā)展對爬行機器人來說能產生一套更好的標準，是對這種類型機器人的設計的標準。這種運算法則能夠用于模擬決定機器人的能力的候補設計，主要由此來選擇設計。3主要問題在陡峭的自然地形上爬行涉及5個主要問題：硬件設計、控制、判斷、規(guī)劃、抓握。誒過領域中需要做大量的工作來研發(fā)一個真正的爬行機器人。這個部分描述了最初的4個領域中的挑戰(zhàn)；規(guī)劃問題將在第四部分詳細的討論。3.1硬件設計一個好的硬件設計能提升機器人的性能，并且常常會使其他的主要問題更容易解決。然而，過去硬件解決方法在維持平衡上的應用導致在能夠通過餓地形受到限制。有足的機器人已經被用來攀爬達到50度傾斜的自然峭壁，從75度傾斜的峭壁走下來，在粗糙地形上爬越小障礙。這些系統(tǒng)不是用了像12，14-16中的積極中斷形式，就是如1繞繩下降。用有足繞繩的機器人3，17和類蛇機器人得到同樣的結果。這些行者費力的通過的地形是令人印象深刻的，但在現(xiàn)有的系統(tǒng)中沒有一個顯示有能力在90度傾斜或更傾斜的自然峭壁爬行。有足的行者和類蛇機器人有一個天生的抓握缺陷，這使它們不能用于攀爬連續(xù)的幾乎垂直的自然峭壁，和從連續(xù)的過于垂直的自然峭壁上爬下?，F(xiàn)有的有足機器人系統(tǒng)沒有這種缺陷，但在通過纏繞繩子維持與峭壁的接觸這個問題上仍然走了彎路。依靠這些繩子阻止了最初的懸崖的攀爬，并且限制了從懸崖上下來的傾角低于90度的峭壁級別。4現(xiàn)在多種機器人實現(xiàn)了在人工垂直表面上爬行。大多數(shù)機器人為了更好的抓握而利用表面的一些屬性。例如，一些機器人用吸氣杯或永磁鐵來避免打滑5-8。其它的利用像陽臺上的扶手。然而，這些被機器人利用的表面特征通常在自然地形下不可用。相比之下，2，11用的簡單的硬件設計沒有這種限制。人們期望像這篇文章提出的規(guī)劃問題的解決方法通過類似的系統(tǒng)允許爬基本的自然垂直地形，另外通過現(xiàn)有的系統(tǒng)爬管子，也期望解決方法會建議設計有更好性能的變體。將來的研究可以解決其他類型的工具的應用問題，這些工具用于垂直自然表面的抓握，如鉆孔用的工具或在巖石上安裝其它用具的工具。利用這些工具可以幫助解決更多有挑戰(zhàn)性的爬壁問題，同樣這些“輔助”可以幫助人類攀巖者18,19。然而，這些工具帶來了新的問題，重量大，復雜，移動緩慢還有手限制的潛在應用。3.2控制一個爬壁機器人的控制問題主要喲偶3個方面：維持平衡，末端打滑控制和末端壓力控制。這3方面緊密相聯(lián)。為了保持平衡，機器人的重心和來自自然特征接觸的壓力都要控制。這些接觸的打滑控制與接觸壓力的大小和方向直接有關?，F(xiàn)有的控制技術，像那些基于操作空間程式的技術，可以形成一種對控制風格設計的基本途徑，這種控制風格是對爬壁機器人而言的。然而，這些技術可以延伸成大量不同的方法來得到更好的性能。例如，將來的研究可能解決末端打滑控制器的設計問題，末端打滑控制器穩(wěn)定與接觸面彎曲部分的反映有關，而與只有一點接觸的反應無關。3.3判斷對于控制和抓握來說，爬墻機器人必須具備根據重力方向、重心位置、來自于足間末端的接觸面相關位置及盡力與自然地形接觸的壓力來判斷自己身體的方向的能力。對于規(guī)劃，機器人必須能夠定位新的抓附點和產生對他們性質的說明，這可能需要衡量接觸點打滑的程度。判斷器的集成是個具有挑戰(zhàn)性的問題，判斷器的集成是為了獲得并利用算法信息來進行控制、抓握和規(guī)劃。現(xiàn)有可行的設計解決方法可以引導每種情況中的一種基本途徑的發(fā)展。例如，像在21，22中描述的判斷器能夠提