外文翻譯--機(jī)器人在自然地形下爬行 中文版.doc

1機(jī)器人在自然地形下爬行摘要：這篇文章展示了爬行機(jī)器人規(guī)劃準(zhǔn)靜態(tài)動(dòng)作的一種大致構(gòu)造。把這種構(gòu)造具體化是為了計(jì)算一種三足機(jī)器人在垂直自然地形中的爬行動(dòng)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(gè)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展的挑戰(zhàn)中的一個(gè)，它可使機(jī)器人在自然地形上爬行。剩下的四個(gè)方面硬件設(shè)計(jì)、控制、判斷、抓握仍在討論中。關(guān)鍵詞：動(dòng)作規(guī)劃，爬行，機(jī)器人學(xué)，有足機(jī)器人，高危通道，自然地形21前言這篇文章中描寫的機(jī)器人爬行是發(fā)展核心技術(shù)成果的一部分，該技術(shù)能使一個(gè)自動(dòng)化機(jī)器人的設(shè)計(jì)執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在垂直自然地形中的爬行。對(duì)我們而言，這種技術(shù)之前從未在機(jī)器人系統(tǒng)中得到證實(shí)。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(zhì)或特點(diǎn)。發(fā)展這種機(jī)器人爬行技術(shù)將使我們對(duì)人類為什么能執(zhí)行像在崎嶇地形上攀爬這種復(fù)雜任務(wù)的理解更上一層樓。在今后精密機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展中，將會(huì)證明這非常有益。精密機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)救助或代替人們?cè)趶?fù)雜地形上進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)。這樣的例子包括用機(jī)器人系統(tǒng)來搜救，偵察和探索行星。在機(jī)器人能夠真正在真實(shí)、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(gè)最主要的方面：硬件設(shè)計(jì)、控制、判斷、規(guī)劃和抓握。其中一個(gè)的問題，行動(dòng)規(guī)劃問題，被我們?cè)敱M的描述。爬行機(jī)器人的大致構(gòu)造已經(jīng)展示。這種構(gòu)造被具體化來計(jì)算圖1中展示的三足機(jī)器人的爬行動(dòng)作。本圖展示的是這個(gè)機(jī)器人在一種典型垂直環(huán)境下的模擬結(jié)果。圖1三足機(jī)器人相愛自然垂直表面爬行2動(dòng)機(jī)在這個(gè)領(lǐng)域中的研究結(jié)果會(huì)使很多應(yīng)用受益，也為一些相關(guān)的研究領(lǐng)域提供了幫助。2.1應(yīng)用寫這篇文章是受到需要機(jī)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(lì)。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(wù)。每個(gè)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(fēng)險(xiǎn)。一些空間應(yīng)用同樣受益于這些先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)。例如火星位置具有潛在的高科技價(jià)值已經(jīng)在懸崖面上得到證實(shí)。通常，飛行機(jī)器人進(jìn)入這些位置既不實(shí)際也不可行。因此，到達(dá)這些位置，機(jī)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(biāo)也許會(huì)需要進(jìn)入同樣崎嶇的地形。2.2關(guān)聯(lián)為了進(jìn)一步提高機(jī)器人在垂直自然地形上的發(fā)展，在這種領(lǐng)域中的研究結(jié)果能為一些相關(guān)領(lǐng)域提供重要的見解。例如，這項(xiàng)研究能引導(dǎo)使機(jī)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?；顒?dòng)中擴(kuò)大活動(dòng)范圍，因?yàn)樗麄儠?huì)越來越精于運(yùn)動(dòng)。這種提高了的移動(dòng)性通常被提及為“發(fā)現(xiàn)了新的自由”，并且與為極復(fù)雜的仿生機(jī)器人或數(shù)字化演員發(fā)現(xiàn)新的有用的機(jī)動(dòng)性的想法有關(guān)。同樣，規(guī)劃運(yùn)算法則的發(fā)展對(duì)爬行機(jī)器人來說能產(chǎn)生一套更好的標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)這種類型機(jī)器人的設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。這種運(yùn)算法則能夠用于模擬決定機(jī)器人的能力的候補(bǔ)設(shè)計(jì)，主要由此來選擇設(shè)計(jì)。3主要問題在陡峭的自然地形上爬行涉及5個(gè)主要問題：硬件設(shè)計(jì)、控制、判斷、規(guī)劃、抓握。誒過領(lǐng)域中需要做大量的工作來研發(fā)一個(gè)真正的爬行機(jī)器人。這個(gè)部分描述了最初的4個(gè)領(lǐng)域中的挑戰(zhàn)；規(guī)劃問題將在第四部分詳細(xì)的討論。3.1硬件設(shè)計(jì)一個(gè)好的硬件設(shè)計(jì)能提升機(jī)器人的性能，并且常常會(huì)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(yīng)用導(dǎo)致在能夠通過餓地形受到限制。有足的機(jī)器人已經(jīng)被用來攀爬達(dá)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(jī)器人3，17和類蛇機(jī)器人得到同樣的結(jié)果。這些行者費(fèi)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(gè)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(jī)器人有一個(gè)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(jī)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(gè)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(jí)別。4現(xiàn)在多種機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在人工垂直表面上爬行。大多數(shù)機(jī)器人為了更好的抓握而利用表面的一些屬性。例如，一些機(jī)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(tái)上的扶手。然而，這些被機(jī)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(shè)計(jì)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(huì)建議設(shè)計(jì)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(yīng)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(fù)雜，移動(dòng)緩慢還有手限制的潛在應(yīng)用。3.2控制一個(gè)爬壁機(jī)器人的控制問題主要喲偶3個(gè)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(jī)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(guān)。現(xiàn)有的控制技術(shù)，像那些基于操作空間程式的技術(shù)，可以形成一種對(duì)控制風(fēng)格設(shè)計(jì)的基本途徑，這種控制風(fēng)格是對(duì)爬壁機(jī)器人而言的。然而，這些技術(shù)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(shè)計(jì)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(guān)，而與只有一點(diǎn)接觸的反應(yīng)無關(guān)。3.3判斷對(duì)于控制和抓握來說，爬墻機(jī)器人必須具備根據(jù)重力方向、重心位置、來自于足間末端的接觸面相關(guān)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(duì)于規(guī)劃，機(jī)器人必須能夠定位新的抓附點(diǎn)和產(chǎn)生對(duì)他們性質(zhì)的說明，這可能需要衡量接觸點(diǎn)打滑的程度。判斷器的集成是個(gè)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(jìn)行控制、抓握和規(guī)劃?，F(xiàn)有可行的設(shè)計(jì)解決方法可以引導(dǎo)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