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南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系： 機(jī)械工程
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
外文出處： ICRA 1997
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評(píng)語：
簽名：
2010年 3月 25日
注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
附件1：外文資料翻譯譯文
基于Rubbertuator結(jié)構(gòu)攀巖檢查機(jī)器人
1.摘要
闡述了我們對(duì)羅賓機(jī)器人研究的進(jìn)展。羅賓是一個(gè)在人造環(huán)境下工作的爬升機(jī)器人。它可以攜帶照相機(jī)或傳感器到橋梁、房屋、航天器或船上來檢查。這個(gè)機(jī)器人有兩個(gè)真空管吸盤夾具由一個(gè)四自由度的機(jī)械裝置連接在一起可以在表面上行走而且容許在相鄰表面上的過渡行走。羅賓在幾個(gè)領(lǐng)域有所創(chuàng)新。它是唯一的使用McKibben型氣動(dòng)人工肌肉來實(shí)現(xiàn)爬升的機(jī)器人。它在利用包含數(shù)控系統(tǒng)的爬升機(jī)器人上也有所創(chuàng)新。羅賓也是少數(shù)幾個(gè)能夠在曲面間過渡或從水平面到垂直面過渡的爬升機(jī)器人之一。
圖1：羅賓
2.介紹
羅賓,如圖1所示,是一種多用途結(jié)構(gòu)檢測(cè)工具,特別針對(duì)于人造環(huán)境的檢驗(yàn)。最終目的是成為一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)成分。由于許多國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施年齡、檢查和大型人造的建筑的維修將會(huì)變得越來越重要。這個(gè)機(jī)器人和其他許多攀爬機(jī)器人將會(huì)成為安全的有效的衰老基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)工具,如建筑、橋梁、飛機(jī)和船只。當(dāng)它可以攜帶傳感器進(jìn)入危險(xiǎn)地區(qū)或無法到達(dá)的地方，從而使人類督察任務(wù)更加安全。當(dāng)它執(zhí)行那些對(duì)于人類的檢查員來說或是太困難或者乏味的工作時(shí)也是很令人滿意的『1』。如果一個(gè)結(jié)構(gòu)攀巖機(jī)器人是被用來攀登諸如橋梁或者飛機(jī)的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，則其在相鄰表面之間的轉(zhuǎn)變過渡的能力是至關(guān)緊要的。此外，重要的是登山機(jī)器人能否處理好各種帶或不帶支撐點(diǎn)的表面類型。這使得機(jī)器人是一個(gè)多用途檢驗(yàn)媒介。我們目前正在開發(fā)羅賓，以便它成為一種低成本的人工環(huán)境檢查工具。
2.1以前的攀登的機(jī)器人
最初的墻壁爬上是平面的機(jī)器人，有第三的運(yùn)動(dòng)的最小限度的范圍。這些機(jī)器人將只限于在一個(gè)設(shè)計(jì)好的平面上運(yùn)動(dòng)，并且大部分機(jī)器人只限于進(jìn)入一個(gè)完全平坦的平面。這嚴(yán)格地限制條件限制了這些機(jī)器人只能在最簡(jiǎn)單的環(huán)境中使用，各面的轉(zhuǎn)換是不需要的并且表面上必須沒有任何障。天空清洗機(jī)[2]是商業(yè)開發(fā)為清洗摩天大樓窗戶的系統(tǒng)。IROW [3]的開發(fā)是為了檢查圓柱殼形狀的墻壁和含有放射性液體罐底部。如同許多其他的設(shè)計(jì)，它通過臍狀的繩索連接到電源和控制系統(tǒng)。墻地面車[4]與天空清洗機(jī)[2]在基礎(chǔ)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上非常相似。它有兩個(gè)自由度，并可以采用真空吸頭或磁裝置吸附在表面。如果天空清洗機(jī)是笛卡爾的機(jī)制，這個(gè)機(jī)器人有一個(gè)極機(jī)制。有包含強(qiáng)大的永久磁體的被動(dòng)式腳座和一個(gè)電磁鐵用來取消永久磁場(chǎng)以舉起腳座。即使是電力供應(yīng)不足這種有磁性的腳依然能保持依附在一個(gè)平面上。連續(xù)動(dòng)作的攀登機(jī)器人與天空清洗機(jī)有許多相似之處。然而，它還擁有一個(gè)特殊的結(jié)構(gòu)能夠使機(jī)器人用不到滾輪或吸盤卻不停的進(jìn)行轉(zhuǎn)化動(dòng)作[5]。這種機(jī)器人更傾向用在焊接船殼和那些需要持續(xù)動(dòng)作的其他特殊任務(wù)。
一些攀爬機(jī)器人應(yīng)具有在毗連平坦的表面之間做出轉(zhuǎn)換的重要能力。對(duì)用來檢測(cè)諸如大樓這樣復(fù)雜環(huán)境的任何機(jī)器人都應(yīng)具有從地面移動(dòng)到墻面，從墻面到天花板的能力?！昂斯S檢查員”機(jī)器人是專門設(shè)計(jì)來檢查一套在核反應(yīng)堆的建筑物的房間[6].這種機(jī)器人的行為與尺蠖的行為相似。NINJA-1[7]是有史以來開發(fā)的一個(gè)最復(fù)雜的攀巖壁機(jī)器人。它有四條腿，每條腿都帶有四自由度，并且在腿的下面都有一個(gè)吸盤。這種機(jī)制的機(jī)器人能容易地處理不平坦的表面上的障礙。它能在表面之間轉(zhuǎn)變并且使用不同的姿態(tài)和走的步態(tài)來過渡。塔涂裝機(jī)器人[8]是第一個(gè)以Rubbertuators即橡膠，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的爬壁機(jī)器人。其設(shè)計(jì)使用了Rubbertuators使其在兩端行成一個(gè)有夾具的平行機(jī)制。塔涂裝機(jī)器人的尺蠖類蠕動(dòng)，與核電廠檢查非常相似。不幸的是，這種設(shè)計(jì)沒有被實(shí)施。斯塔姆-四[9]是最相似的羅賓設(shè)計(jì)。三個(gè)主要差異是缺乏鉸連接膝關(guān)節(jié)，簡(jiǎn)單的真空裝置用來連接機(jī)器人的表面和作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)來使用。斯塔姆第四可以步行穿過平坦的表面，轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)換。但是，膝關(guān)節(jié)的缺乏無法執(zhí)行外部的轉(zhuǎn)換或跨越表面上的障礙。此外，此設(shè)計(jì)中在兩端使用一個(gè)真空杯裝置以支持機(jī)器人。雖然是在支持機(jī)器人，它是很敏感的在表面或其他表面性質(zhì)形成裂縫。
圖2：行走中羅賓
3.機(jī)器人檢查員
羅賓機(jī)器人的基本的結(jié)構(gòu)是在每一末端的帶有兩只腳的鉸接腿。圖2顯示了在行動(dòng)中的羅賓機(jī)制。該機(jī)器人有四個(gè)自由度，其機(jī)制的設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人可以步行前進(jìn)，后退以及轉(zhuǎn)機(jī)。另外，羅賓可以從一個(gè)水平表面轉(zhuǎn)移到的垂直表面并返回。過渡能力在檢查人造結(jié)構(gòu)時(shí)是很重要的。羅賓機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以并能在平面行走中跨過障礙在內(nèi)部（地上到墻上）和外部（屋頂?shù)酵鈮Γ?shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，羅賓打算在其背部裝上照相機(jī)和其他的接觸傳感器，像腳上的電渦流探頭[1]，但目前的發(fā)展重點(diǎn)是提高本身的攀登手段。
3.1機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
羅賓是一種“步行腿”式機(jī)器人, 通過對(duì)一只腳固定和加強(qiáng)對(duì)另一只自由腳的控制正如圖2序列描繪的一樣。如圖3，機(jī)器人也可以從水平到垂直的表面轉(zhuǎn)移，雖然控制軟件還沒有寫入這中情形。
圖3：水平面到垂直面的轉(zhuǎn)移 圖4：Rubbertuator的構(gòu)造
3.2氣動(dòng)肌肉
Rubbertuators是靈活的氣動(dòng)執(zhí)行器，是羅賓的肌肉。這些驅(qū)動(dòng)器重量輕，并且是強(qiáng)有力，這是我們能夠開發(fā)羅賓的技術(shù)之一。羅賓的rubbertuators控制是由一個(gè)非常簡(jiǎn)單的開關(guān)閥系統(tǒng)。關(guān)節(jié)位置由光學(xué)編碼器反饋到剛度控制系統(tǒng)，壓力傳感器反饋的rubbertuator執(zhí)行器的壓力。如圖4所示Rubbertuator是由一個(gè)纖維鞘包圍的橡膠管與兩端配件組成。由于軟管膨脹，直徑增加，纖維鞘保持幾乎恒定的容量繼而迫使Rubbertuator在長(zhǎng)度上縮短。羅賓上的Rubbertuators每個(gè)重約300克，但幾乎施加了3OOKgf的全壓下才會(huì)縮短。
3.3真空腳座
機(jī)器人的真空裝置或腳，是負(fù)責(zé)提供有力的支撐點(diǎn)用來走過任何角度或方向上的橫斷表面。多吸盤被用來降低真空裝置對(duì)表面裂紋的敏感度。五個(gè)杯子放置的形狀如骰子上的點(diǎn)。這些杯子分別被安排以實(shí)現(xiàn)最小的占位面積而留下足夠的空間接觸界杯之間的傳播，當(dāng)杯子緊緊的與地面接觸時(shí)那種情況才會(huì)發(fā)生。圖5顯示了機(jī)器人在墻上支撐自量。
圖5：羅賓在墻面的支撐
4.控制系統(tǒng)
微控制器的網(wǎng)絡(luò)用于羅賓的低級(jí)控制。每一個(gè)聯(lián)合機(jī)制，每個(gè)夾具都是由圖8所示的物理層控制器板集所控制。微控制器板是一種通用的設(shè)計(jì)，允許同一電路板可用于真空系統(tǒng)的控制和氣動(dòng)聯(lián)合控制。這種微控制器的網(wǎng)絡(luò)可以連接到PC主機(jī)上并運(yùn)行包容結(jié)構(gòu)控制器。低層次的步驟像壓力和強(qiáng)度調(diào)整可以在微控制器上的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。
4.1壓力控制
傳統(tǒng)上，Rubbertuators [羅]已非常龐大，笨重，昂貴的伺服閥控制。這就對(duì)移動(dòng)、爬行機(jī)器人中應(yīng)用Rubbertuators提出一個(gè)重大問題，其中體重往往是首要關(guān)注的問題。這些閥的使用將使Rubbertuators的優(yōu)點(diǎn)不再明顯。開-關(guān)類型電磁閥重量輕、價(jià)位低，是傳統(tǒng)電磁閥的替代品，但是其帶來更加復(fù)雜的控制問題。利用電磁鐵閥門對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的成本和重量小于40％，是市面上最輕的發(fā)現(xiàn)伺服閥。一
圖6：Rubbertuator氣動(dòng)回路
個(gè)單獨(dú)的Rubbertuator氣動(dòng)回路圖示在圖6中所展示。機(jī)器人中有8個(gè)這樣的回路用以控制四個(gè)關(guān)節(jié)。吸入閥v給Rubbertuator充氣造成它收縮，當(dāng)出口閥向大氣排除尾氣時(shí)引起Rubbertuator松馳。Rubbertuator的壓力從一個(gè)壓力傳感器反饋到控制計(jì)算機(jī)。由于希望使用脈沖或Bang - Bang控制體系，在入口和出口閥門被選定響應(yīng)時(shí)間非常短，少于10毫秒。
有三種可能的控制措施：增加壓力（進(jìn)氣閥打開）后，保持壓力（兩個(gè)閥關(guān)閉），減少壓力（出口閥門的）。壓力的變化率對(duì)進(jìn)口，出口和內(nèi)部的壓力和閥流量參數(shù)的相對(duì)值呈非線性函數(shù)。另外，氣動(dòng)系統(tǒng)中還有微小泄漏，工作時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這個(gè)簡(jiǎn)單的閥門系統(tǒng)，只有bang-bang壓力控制是成功的。如果壓力低于目標(biāo)的壓力區(qū)進(jìn)氣閥門會(huì)打開，如果壓力高于目標(biāo)的壓力區(qū)，出口閥則打開。兩個(gè)閥門關(guān)閉時(shí)有一個(gè)小滯后區(qū)設(shè)定點(diǎn)附近爆炸控制器以防止爆炸的過度振蕩壓力。閥門選擇了非常小的流量，而且是對(duì)系統(tǒng)性能的主要限制。
4.2關(guān)節(jié)剛度控制
剛度控制器是建立在壓力控制器的頂部，并維持很小剛度來滿足一定的約束，也就是使連接rubbertuators到關(guān)節(jié)的鏈條不至于從鏈輪滑落。當(dāng)膨脹時(shí)Rubbertuator的動(dòng)作就像是一個(gè)非線性空氣彈簧，彈簧伸長(zhǎng)和收縮率伴隨管的壓力的變化而變化。Rubbertuator收縮長(zhǎng)度是(1 -€) Lo，Lo是最大長(zhǎng)度。制造商列出一個(gè)等式，描述了Rubbertuator收縮力[10]：FTUb(PE,) = P [ a ( l - E) 2 - b] DZ （1）其中p是壓力，t是收縮率，a，b是rubbertuator類型的參數(shù)，Do是Rubbertuator原直徑。一些特性可以從這個(gè)模型觀測(cè)，力F與壓力P呈線性變化，與收縮率€ 呈非線性。
圖7：關(guān)節(jié)處連接
模型驅(qū)動(dòng)器遲滯，其中部分來自于覆蓋面和覆蓋之間的纖維繩線管，還有就是纖維層和輪管繩子的摩擦。一個(gè)rubbertuators對(duì)用于轉(zhuǎn)動(dòng)連接作出如圖7所示。他們的工作很像動(dòng)物的肌為對(duì)肌肉的屈伸。這是兩rubbertuators的拉動(dòng)力量共同來自這一舉動(dòng)的僵硬關(guān)節(jié)。每個(gè)rubbertuator只有施加收縮方向的力量。因此，這剛度對(duì)與每個(gè)關(guān)節(jié)每一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向是獨(dú)立的。
對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的氣壓校準(zhǔn)相等的等量以實(shí)現(xiàn)剛度控制器。一個(gè)文件包含一個(gè)位置和每rubbertuator的伴生的壓力是由抽樣程序生成的。這些數(shù)據(jù)是用于計(jì)算每個(gè)rubbertuator最佳擬合多項(xiàng)式曲線，它被用來生成編碼的立場(chǎng)和壓力值正?；怼４吮韽闹鳈C(jī)下載到每個(gè)關(guān)節(jié)的相關(guān)微控制器。剛度控制器然后設(shè)置每個(gè)編碼器的位置所需的最低壓力值，從而使每個(gè)聯(lián)合的一面達(dá)到最低鏈張緊剛度。剛度控制被作為添加到目前最低值的一個(gè)額外的壓力值，對(duì)rubbertuator的一個(gè)張緊壓力。通過增加關(guān)節(jié)的一邊的剛度，其移動(dòng)到一個(gè)位置，此處向邊的rubbertuator和環(huán)境的力是平衡的關(guān)節(jié)移動(dòng)式，命令產(chǎn)生一個(gè)附加力，因此新的鏈張緊力不斷的加載。新鏈張緊壓力由于從命令中增加的剛度通過其范圍不斷地重新加載作為聯(lián)合行動(dòng)。由于沒有實(shí)際的剛度反饋，所以剛度是開環(huán)控制。
圖8：基于行動(dòng)控制系統(tǒng)
5.行為系統(tǒng)
羅賓利用基于行為受弧打擊，使用的 ecture 對(duì)于仲裁的 subsumption[ll]。不象大多數(shù)行為系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)帶寬被保存所作建造行為，以便他們要求最少信息。圖 8 詳細(xì)說明基于行為控制系統(tǒng)。
5.1 級(jí)別1
第一級(jí)包含了腳步動(dòng)作，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用以維持表面的吸力和運(yùn)動(dòng)。腳的行為通過啟用該腳真空泵表面紅外傳感器探測(cè)來回應(yīng)。這種低層次的行為可能被納入上級(jí)的行為以便于行走。
5.2 級(jí)別2
第二級(jí)包括那些通過羅賓發(fā)送必要的剛度指令到指定的控制器關(guān)節(jié)的行進(jìn)行為。這些行為包含了協(xié)同和擴(kuò)展行為。擴(kuò)展行為由順序動(dòng)作引發(fā)，以運(yùn)行或重置其狀態(tài)。它將指定的剛度壓力發(fā)送至腳踝和膝蓋關(guān)節(jié)控制器，以便完成抬腳、伸膝、放腳動(dòng)作。協(xié)同行為，也由順序動(dòng)作引起。它將指定的剛度壓力發(fā)送至腳踝和膝蓋關(guān)節(jié)控制器，以便抬腳、屈膝、放腳。目標(biāo)位置根據(jù)規(guī)則為基礎(chǔ)的位置控制算法得到，先后預(yù)估必要的剛度值，以達(dá)到期望的位置。計(jì)算編碼器的位置決定何時(shí)增加或減少我們的接近值。如果當(dāng)前的位置高于目標(biāo)的位置，我們向關(guān)節(jié)傳遞與預(yù)期方向相反的命令，減少我們的近似剛度。如果當(dāng)前的位置低于目標(biāo)窗口，我們發(fā)送一個(gè)期望的旋轉(zhuǎn)方向剛度的聯(lián)合控制，提高近似剛度。當(dāng)我們的目標(biāo)窗口內(nèi)，我們輸出近似剛度值。這種連續(xù)的近似方法，最終使其穩(wěn)定在目標(biāo)窗口內(nèi)。
5.3 級(jí)別3
3級(jí)是所有行為的最高優(yōu)權(quán)順序。此行為監(jiān)控真空和膝蓋的位置，以確定羅賓目前在哪種狀態(tài)。然后發(fā)出信號(hào)做出適當(dāng)?shù)男袨椤Ｓ捎谟布木窒扌?，此行為顯得尤為重要。羅賓還沒有為了表面抽吸檢測(cè)的真空傳感器。因此，我們使用超時(shí)產(chǎn)生這種行為。
圖9：關(guān)節(jié)的步進(jìn)順序
6 .評(píng)價(jià)
圖9顯示在一個(gè)水平面上直線行走機(jī)器人的動(dòng)作指令的順序和關(guān)節(jié)位置反饋。該圖通過兩個(gè)步驟和它所期望的位置相比介紹了每個(gè)關(guān)節(jié)。實(shí)線虛線表明理論與實(shí)際的關(guān)節(jié)角度。需要注意的是，這些目標(biāo)的角度是只有在對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作執(zhí)行時(shí)才有效。該步驟在兩秒開始以15度角實(shí)現(xiàn)其擴(kuò)展目標(biāo)。這是在18秒時(shí)被實(shí)現(xiàn)并會(huì)導(dǎo)致打開膝蓋擴(kuò)到理想角度80度。達(dá)到這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致擴(kuò)大然后降下對(duì)表面通過改變期望聯(lián)接一目標(biāo)到45度的一套開放，延長(zhǎng)的自由裝置。這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致查出表面和使能真空的腳傳感器，反過來，發(fā)信號(hào)序列行為對(duì)功能失效擴(kuò)大并且使能收縮。開始移動(dòng)聯(lián)接三和四分別朝他們的37和-46度的期望位置直接收縮。在38秒結(jié)束做到這一點(diǎn)導(dǎo)致收縮關(guān)閉膝蓋。聯(lián)接的期望位置三和四是在這個(gè)膝蓋收縮了之后他們不移動(dòng)了。完成這個(gè)過程在44秒，重新設(shè)置每一個(gè)下一步的行為狀態(tài)。
7. 未來研究方向
該機(jī)器人目前傾向行走于平坦的表面或距垂直階層最多不超過30度的傾斜表面。我們也在想方設(shè)法給機(jī)器人開發(fā)更多在水平面到垂直面甚至背面的操作。將會(huì)有跟多高級(jí)的行為把正常的擴(kuò)展和收縮行為用于直線行走。硬件優(yōu)化列如大閥門端口將將允許更多的易感應(yīng)的控制。我們也決定在腳上增加真空傳感器已證實(shí)在下次行動(dòng)之前達(dá)到吸入值。擁有這些增加的功能羅賓便在它將成為一個(gè)有用的機(jī)器人檢查工具的道路上行進(jìn)。