一种自主攀爬机器人的设计与运动规划-毕业设计(论文)外文资料翻译.doc

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毕业设计(论文)外文资料翻译
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自动化学院
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自动化
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Robotics and Autonomous Systems
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一种自主攀爬机器人的设计与运动规划
Avishai Sintov , Tomer Avramovich, Amir Shapiro
摘要:
本文提供了一种新颖的可以攀上垂直粗糙的表面的机器人的设计方案,可以用来,比如粉刷墙面。作为CLIBO(claw inspired robot爪启发机器人),这种机器人可以在某一位置固定很长一段时间。这样的能力具有很重要的民用和军事优势,如用来监视、观察、搜索和救援,甚至也能用于娱乐和游戏方面。这种机器人的运动学机理和运动方式是一种基于攀岩通常用的四肢爬壁方式和猫用爪子爬树的方式混合的模仿技术。它有四条腿,每条腿都具有四个自由度以及专门设计的连接到腿的钩爪使得它能爬上墙壁并且可以朝任何方向移动。每条腿的端部是由十二个鱼钩组成的夹持装置,这些钩子以一种特殊的方式对齐使得每个钩子可以在墙壁的表面独立运动。这样的设计具有不需要用于紧压避免来平衡重量的尾状结构的优点。为了能让机器人可以在预定路线上进行自主攀登,设计者特意设计了一种运动算法。该算法考虑了机器人的运动学以及施加在足垫的接触力。此外,该设计还提供给机器人审查其夹持力的能力以达到和保持在其附连到墙壁的高可靠性。构建了一个实验机器人来验证模型和它的运动算法。最终,实验证明了特殊的夹持装置的高可靠性和运动规划算法的效率。
关键词:攀爬,机器人,爪,运动,算法

本文包含了垂直壁面攀爬机器人的设计和运动规划。这种能力显著提高机器人的移动性和工作区域并且具有重要的军事和民用的优势。作为设计目标的一部分,机器人被假定为能够以自行和可靠的方式移动。此外,机器人还应该要小巧、结构紧凑以及便于单人携带操作。为了执行相应任务,机器人还必须能够无能量消耗地附着在墙壁上。为了实现这些设计目标,机器人的设计和开发借鉴了人类四肢攀岩的方式和猫用脚爪爬树的运动方式。基于这种设计的机器人被称为CLIBO (爪启发机器人)。为此,我们建造了一个机器人原型来验证这种理念。用这个运动模型,作为这项工作一部分的运动算法结合了四条腿的控制器和智能执行器的能力。我们用CLIBO实验表明了可靠的爬壁是可行的。这种机器人的独特设计一方面提供了机器人操纵能力,另一方面,能够控制其位置和力的分布。
可垂直和自主沿粗糙表面垂直运动的机器人,如粉刷类,提供了相当大的军用和民用优势。布置在建筑物的高处,机器人,作为一个观测平台,能够提供有价值的军事情报,以及协助搜寻和救援行动。这样的机器人也可以用于敌对区域无人扫描和作为运载火力武器及爆炸物的平台。在民用方面,这种机器人可以部署在高危环境下进行回收各种操作进程和状态的信号。
本文的第一部分介绍了机器人设计的考虑因素,这些因素决定了机器人的运动结构。在第二部分中,我们来回顾机器人的数学模型,模型描述了从它的设计中得到的运动学和静态学模型。在第三节中,我们讨论了基于抓取质量措施和机器人运动学的运动规划算法。第四节展示了该设计和运动规划算法的实现。我们在这里还提供了一个已经建好的机器人原型和大量搭载了这个原型的实验讨论。

为了研制得到一种能够攀爬粗糙壁面的作业机器人,CLIBO的结构是按照这样一种方式开发的,当被激活时,它会模仿一种四肢攀爬的攀岩技术。

这种机器人包含四个围绕它中心对称布置的四条腿。每条腿都具有五自由度。图1展示了一条腿的设计样式。其中四个自由度是机动的,第五个,它是装在每条腿的末端的夹紧装置中,是一个被动自由度。前两个自由度,其轴垂直于墙壁,使机器人能够前进移动。这两个自由度也负责控制附着于墙壁的钩爪,通过拉动末端效应器(EE)向地板施加向下的力,如下所述,并检查反作用力。剩下的两个机动自由度,其轴平行于墙壁平面,被设计用于确定机器人从所述壁面(电机3)和末端效应器的角约束(电机4)的距离。

腿部的这种设计给机器人提供了良好的步态能力。每条腿的前两个电机驱使机器人的运动。在钩附着和确定了所述壁面的距离(由电机3和电机4)之后,机器人的运动是由每条腿的前两个电机执行的。这样的运动方式和攀岩者用他们的手指来抓住岩石表面裂痕并激活肩部和肘