外文翻译--机器人在自然地形下爬行 中文版.doc

1机器人在自然地形下爬行摘要：这篇文章展示了爬行机器人规划准静态动作的一种大致构造。把这种构造具体化是为了计算一种三足机器人在垂直自然地形中的爬行动作。在这里我们展示了通过模拟环境路径的例子。规划问题是五个对机器人系统发展的挑战中的一个，它可使机器人在自然地形上爬行。剩下的四个方面硬件设计、控制、判断、抓握仍在讨论中。关键词：动作规划，爬行，机器人学，有足机器人，高危通道，自然地形21前言这篇文章中描写的机器人爬行是发展核心技术成果的一部分，该技术能使一个自动化机器人的设计执行系统实现在垂直自然地形中的爬行。对我们而言，这种技术之前从未在机器人系统中得到证实。先前的方法能够处理好在人工地形爬行的问题，那些方法不是用特殊的装置吸附在地形表面，就是利用地形特殊的性质或特点。发展这种机器人爬行技术将使我们对人类为什么能执行像在崎岖地形上攀爬这种复杂任务的理解更上一层楼。在今后精密机器人系统的发展中，将会证明这非常有益。精密机器人系统能够实现救助或代替人们在复杂地形上进行危险作业。这样的例子包括用机器人系统来搜救，侦察和探索行星。在机器人能够真正在真实、垂直的自然地形下爬行前，需要解决许多问题。这篇文章考虑了这些问题中五个最主要的方面：硬件设计、控制、判断、规划和抓握。其中一个的问题，行动规划问题，被我们详尽的描述。爬行机器人的大致构造已经展示。这种构造被具体化来计算图1中展示的三足机器人的爬行动作。本图展示的是这个机器人在一种典型垂直环境下的模拟结果。图1三足机器人相爱自然垂直表面爬行2动机在这个领域中的研究结果会使很多应用受益，也为一些相关的研究领域提供了帮助。2.1应用写这篇文章是受到需要机器人系统有提供高危自然环境下的途径的能力的激励。3这样的系统有很多陆上的用途，例如搜救，探索洞穴，辅助人类攀岩和灵活的城市任务。每个都需要上升、下降或通过陡峭的斜坡和峭壁，因此可联想到的人类风险。一些空间应用同样受益于这些先进的机器人系统。例如火星位置具有潜在的高科技价值已经在悬崖面上得到证实。通常，飞行机器人进入这些位置既不实际也不可行。因此，到达这些位置，机器人必须攀爬、下降或通过陡峭的斜坡。将来探索其它行星饿目标也许会需要进入同样崎岖的地形。2.2关联为了进一步提高机器人在垂直自然地形上的发展，在这种领域中的研究结果能为一些相关领域提供重要的见解。例如，这项研究能引导使机器人走路或灵活的操作的更好的策略发展。人类攀岩者通常讨论提高平衡和在日常活动中扩大活动范围，因为他们会越来越精于运动。这种提高了的移动性通常被提及为“发现了新的自由”，并且与为极复杂的仿生机器人或数字化演员发现新的有用的机动性的想法有关。同样，规划运算法则的发展对爬行机器人来说能产生一套更好的标准，是对这种类型机器人的设计的标准。这种运算法则能够用于模拟决定机器人的能力的候补设计，主要由此来选择设计。3主要问题在陡峭的自然地形上爬行涉及5个主要问题：硬件设计、控制、判断、规划、抓握。诶过领域中需要做大量的工作来研发一个真正的爬行机器人。这个部分描述了最初的4个领域中的挑战；规划问题将在第四部分详细的讨论。3.1硬件设计一个好的硬件设计能提升机器人的性能，并且常常会使其他的主要问题更容易解决。然而，过去硬件解决方法在维持平衡上的应用导致在能够通过饿地形受到限制。有足的机器人已经被用来攀爬达到50度倾斜的自然峭壁，从75度倾斜的峭壁走下来，在粗糙地形上爬越小障碍。这些系统不是用了像12，14-16中的积极中断形式，就是如1绕绳下降。用有足绕绳的机器人3，17和类蛇机器人得到同样的结果。这些行者费力的通过的地形是令人印象深刻的，但在现有的系统中没有一个显示有能力在90度倾斜或更倾斜的自然峭壁爬行。有足的行者和类蛇机器人有一个天生的抓握缺陷，这使它们不能用于攀爬连续的几乎垂直的自然峭壁，和从连续的过于垂直的自然峭壁上爬下。现有的有足机器人系统没有这种缺陷，但在通过缠绕绳子维持与峭壁的接触这个问题上仍然走了弯路。依靠这些绳子阻止了最初的悬崖的攀爬，并且限制了从悬崖上下来的倾角低于90度的峭壁级别。4现在多种机器人实现了在人工垂直表面上爬行。大多数机器人为了更好的抓握而利用表面的一些属性。例如，一些机器人用吸气杯或永磁铁来避免打滑5-8。其它的利用像阳台上的扶手。然而，这些被机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用的简单的硬件设计没有这种限制。人们期望像这篇文章提出的规划问题的解决方法通过类似的系统允许爬基本的自然垂直地形，另外通过现有的系统爬管子，也期望解决方法会建议设计有更好性能的变体。将来的研究可以解决其他类型的工具的应用问题，这些工具用于垂直自然表面的抓握，如钻孔用的工具或在岩石上安装其它用具的工具。利用这些工具可以帮助解决更多有挑战性的爬壁问题，同样这些“辅助”可以帮助人类攀岩者18,19。然而，这些工具带来了新的问题，重量大，复杂，移动缓慢还有手限制的潜在应用。3.2控制一个爬壁机器人的控制问题主要哟偶3个方面：维持平衡，末端打滑控制和末端压力控制。这3方面紧密相联。为了保持平衡，机器人的重心和来自自然特征接触的压力都要控制。这些接触的打滑控制与接触压力的大小和方向直接有关。现有的控制技术，像那些基于操作空间程式的技术，可以形成一种对控制风格设计的基本途径，这种控制风格是对爬壁机器人而言的。然而，这些技术可以延伸成大量不同的方法来得到更好的性能。例如，将来的研究可能解决末端打滑控制器的设计问题，末端打滑控制器稳定与接触面弯曲部分的反映有关，而与只有一点接触的反应无关。3.3判断对于控制和抓握来说，爬墙机器人必须具备根据重力方向、重心位置、来自于足间末端的接触面相关位置及尽力与自然地形接触的压力来判断自己身体的方向的能力。对于规划，机器人必须能够定位新的抓附点和产生对他们性质的说明，这可能需要衡量接触点打滑的程度。判断器的集成是个具有挑战性的问题，判断器的集成是为了获得并利用算法信息来进行控制、抓握和规划。现有可行的设计解决方法可以引导每种情况中的一种基本途径的发展。例如，像在21，22中描述的判断器能够提供基本末端压力和衡量打滑程度，一种惯性单元和磁性指针能提供位置信息，一种观察系统可以提供大概的吸附位置和性质的描绘，编码器可以提供重心位置。然而每个判断器的提升，如性能、减重和减少经费，提出了供研究的开放领域。尽管在第4部分阐述的规划框架的性能，用更好的判断器信息会