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南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院
畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
系： 機械工程
專 業(yè)： 機械工程及自動化
姓 名： 朱海澄
學 號： 060104225
外文出處： ICRA 1997
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導教師評語：
簽名：
2010年 3月 25日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
附件1：外文資料翻譯譯文
基于Rubbertuator結(jié)構(gòu)攀巖檢查機器人
1.摘要
闡述了我們對羅賓機器人研究的進展。羅賓是一個在人造環(huán)境下工作的爬升機器人。它可以攜帶照相機或傳感器到橋梁、房屋、航天器或船上來檢查。這個機器人有兩個真空管吸盤夾具由一個四自由度的機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。羅賓在幾個領域有所創(chuàng)新。它是唯一的使用McKibben型氣動人工肌肉來實現(xiàn)爬升的機器人。它在利用包含數(shù)控系統(tǒng)的爬升機器人上也有所創(chuàng)新。羅賓也是少數(shù)幾個能夠在曲面間過渡或從水平面到垂直面過渡的爬升機器人之一。
圖1：羅賓
2.介紹
羅賓,如圖1所示,是一種多用途結(jié)構(gòu)檢測工具,特別針對于人造環(huán)境的檢驗。最終目的是成為一個更大的結(jié)構(gòu)檢測系統(tǒng)基礎成分。由于許多國家的基礎設施年齡、檢查和大型人造的建筑的維修將會變得越來越重要。這個機器人和其他許多攀爬機器人將會成為安全的有效的衰老基礎設施檢測工具,如建筑、橋梁、飛機和船只。當它可以攜帶傳感器進入危險地區(qū)或無法到達的地方，從而使人類督察任務更加安全。當它執(zhí)行那些對于人類的檢查員來說或是太困難或者乏味的工作時也是很令人滿意的『1』。如果一個結(jié)構(gòu)攀巖機器人是被用來攀登諸如橋梁或者飛機的復雜的結(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，重要的是登山機器人能否處理好各種帶或不帶支撐點的表面類型。這使得機器人是一個多用途檢驗媒介。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以前的攀登的機器人
最初的墻壁爬上是平面的機器人，有第三的運動的最小限度的范圍。這些機器人將只限于在一個設計好的平面上運動，并且大部分機器人只限于進入一個完全平坦的平面。這嚴格地限制條件限制了這些機器人只能在最簡單的環(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[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。如同許多其他的設計，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[2]在基礎的機械結(jié)構(gòu)上非常相似。它有兩個自由度，并可以采用真空吸頭或磁裝置吸附在表面。如果天空清洗機是笛卡爾的機制，這個機器人有一個極機制。有包含強大的永久磁體的被動式腳座和一個電磁鐵用來取消永久磁場以舉起腳座。即使是電力供應不足這種有磁性的腳依然能保持依附在一個平面上。連續(xù)動作的攀登機器人與天空清洗機有許多相似之處。然而，它還擁有一個特殊的結(jié)構(gòu)能夠使機器人用不到滾輪或吸盤卻不停的進行轉(zhuǎn)化動作[5]。這種機器人更傾向用在焊接船殼和那些需要持續(xù)動作的其他特殊任務。
一些攀爬機器人應具有在毗連平坦的表面之間做出轉(zhuǎn)換的重要能力。對用來檢測諸如大樓這樣復雜環(huán)境的任何機器人都應具有從地面移動到墻面，從墻面到天花板的能力?！昂斯S檢查員”機器人是專門設計來檢查一套在核反應堆的建筑物的房間[6].這種機器人的行為與尺蠖的行為相似。NINJA-1[7]是有史以來開發(fā)的一個最復雜的攀巖壁機器人。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吸盤。這種機制的機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。塔涂裝機器人[8]是第一個以Rubbertuators即橡膠，氣動執(zhí)行機構(gòu)為基礎設計的爬壁機器人。其設計使用了Rubbertuators使其在兩端行成一個有夾具的平行機制。塔涂裝機器人的尺蠖類蠕動，與核電廠檢查非常相似。不幸的是，這種設計沒有被實施。斯塔姆-四[9]是最相似的羅賓設計。三個主要差異是缺乏鉸連接膝關(guān)節(jié)，簡單的真空裝置用來連接機器人的表面和作為執(zhí)行機構(gòu)電動機來使用。斯塔姆第四可以步行穿過平坦的表面，轉(zhuǎn)動，并進行內(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，此設計中在兩端使用一個真空杯裝置以支持機器人。雖然是在支持機器人，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.機器人檢查員
羅賓機器人的基本的結(jié)構(gòu)是在每一末端的帶有兩只腳的鉸接腿。圖2顯示了在行動中的羅賓機制。該機器人有四個自由度，其機制的設計，讓機器人可以步行前進，后退以及轉(zhuǎn)機。另外，羅賓可以從一個水平表面轉(zhuǎn)移到的垂直表面并返回。過渡能力在檢查人造結(jié)構(gòu)時是很重要的。羅賓機器人機構(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崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換，羅賓打算在其背部裝上照相機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)展重點是提高本身的攀登手段。
3.1機器人的運動?！?
羅賓是一種“步行腿”式機器人, 通過對一只腳固定和加強對另一只自由腳的控制正如圖2序列描繪的一樣。如圖3，機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氣動肌肉
Rubbertuators是靈活的氣動執(zhí)行器，是羅賓的肌肉。這些驅(qū)動器重量輕，并且是強有力，這是我們能夠開發(fā)羅賓的技術(shù)之一。羅賓的rubbertuators控制是由一個非常簡單的開關(guān)閥系統(tǒng)。關(guān)節(jié)位置由光學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在長度上縮短。羅賓上的Rubbertuators每個重約300克，但幾乎施加了3OOKgf的全壓下才會縮短。
3.3真空腳座
機器人的真空裝置或腳，是負責提供有力的支撐點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表面裂紋的敏感度。五個杯子放置的形狀如骰子上的點。這些杯子分別被安排以實現(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，當杯子緊緊的與地面接觸時那種情況才會發(fā)生。圖5顯示了機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)絡用于羅賓的低級控制。每一個聯(lián)合機制，每個夾具都是由圖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計，允許同一電路板可用于真空系統(tǒng)的控制和氣動聯(lián)合控制。這種微控制器的網(wǎng)絡可以連接到PC主機上并運行包容結(jié)構(gòu)控制器。低層次的步驟像壓力和強度調(diào)整可以在微控制器上的網(wǎng)絡上運行。
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。這就對移動、爬行機器人中應用Rubbertuators提出一個重大問題，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)點不再明顯。開-關(guān)類型電磁閥重量輕、價位低，是傳統(tǒng)電磁閥的替代品，但是其帶來更加復雜的控制問題。利用電磁鐵閥門對氣動系統(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氣動回路
個單獨的Rubbertuator氣動回路圖示在圖6中所展示。機器人中有8個這樣的回路用以控制四個關(guān)節(jié)。吸入閥v給Rubbertuator充氣造成它收縮，當出口閥向大氣排除尾氣時引起Rubbertuator松馳。Rubbertuator的壓力從一個壓力傳感器反饋到控制計算機。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時間非常短，少于10毫秒。
有三種可能的控制措施：增加壓力（進氣閥打開）后，保持壓力（兩個閥關(guān)閉），減少壓力（出口閥門的）。壓力的變化率對進口，出口和內(nèi)部的壓力和閥流量參數(shù)的相對值呈非線性函數(shù)。另外，氣動系統(tǒng)中還有微小泄漏，工作時會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這個簡單的閥門系統(tǒng)，只有bang-bang壓力控制是成功的。如果壓力低于目標的壓力區(qū)進氣閥門會打開，如果壓力高于目標的壓力區(qū)，出口閥則打開。兩個閥門關(guān)閉時有一個小滯后區(qū)設定點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。當膨脹時Rubbertuator的動作就像是一個非線性空氣彈簧，彈簧伸長和收縮率伴隨管的壓力的變化而變化。Rubbertuator收縮長度是(1 -€) Lo，Lo是最大長度。制造商列出一個等式，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模型觀測，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rubbertuators對用于轉(zhuǎn)動連接作出如圖7所示。他們的工作很像動物的肌為對肌肉的屈伸。這是兩rubbertuators的拉動力量共同來自這一舉動的僵硬關(guān)節(jié)。每個rubbertuator只有施加收縮方向的力量。因此，這剛度對與每個關(guān)節(jié)每一個旋轉(zhuǎn)方向是獨立的。
對每個關(guān)節(jié)的氣壓校準相等的等量以實現(xiàn)剛度控制器。一個文件包含一個位置和每rubbertuator的伴生的壓力是由抽樣程序生成的。這些數(shù)據(jù)是用于計算每個rubbertuator最佳擬合多項式曲線，它被用來生成編碼的立場和壓力值正常化表。此表從主機下載到每個關(guān)節(jié)的相關(guān)微控制器。剛度控制器然后設置每個編碼器的位置所需的最低壓力值，從而使每個聯(lián)合的一面達到最低鏈張緊剛度。剛度控制被作為添加到目前最低值的一個額外的壓力值，對rubbertuator的一個張緊壓力。通過增加關(guān)節(jié)的一邊的剛度，其移動到一個位置，此處向邊的rubbertuator和環(huán)境的力是平衡的關(guān)節(jié)移動式，命令產(chǎn)生一個附加力，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。由于沒有實際的剛度反饋，所以剛度是開環(huán)控制。
圖8：基于行動控制系統(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 詳細說明基于行為控制系統(tǒng)。
5.1 級別1
第一級包含了腳步動作，是整個系統(tǒng)的基礎，用以維持表面的吸力和運動。腳的行為通過啟用該腳真空泵表面紅外傳感器探測來回應。這種低層次的行為可能被納入上級的行為以便于行走。
5.2 級別2
第二級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)的行進行為。這些行為包含了協(xié)同和擴展行為。擴展行為由順序動作引發(fā)，以運行或重置其狀態(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、放腳動作。協(xié)同行為，也由順序動作引起。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。目標位置根據(jù)規(guī)則為基礎的位置控制算法得到，先后預估必要的剛度值，以達到期望的位置。計算編碼器的位置決定何時增加或減少我們的接近值。如果當前的位置高于目標的位置，我們向關(guān)節(jié)傳遞與預期方向相反的命令，減少我們的近似剛度。如果當前的位置低于目標窗口，我們發(fā)送一個期望的旋轉(zhuǎn)方向剛度的聯(lián)合控制，提高近似剛度。當我們的目標窗口內(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)定在目標窗口內(nèi)。
5.3 級別3
3級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)出信號做出適當?shù)男袨?。由于硬件的局限性，此行為顯得尤為重要。羅賓還沒有為了表面抽吸檢測的真空傳感器。因此，我們使用超時產(chǎn)生這種行為。
圖9：關(guān)節(jié)的步進順序
6 .評價
圖9顯示在一個水平面上直線行走機器人的動作指令的順序和關(guān)節(jié)位置反饋。該圖通過兩個步驟和它所期望的位置相比介紹了每個關(guān)節(jié)。實線虛線表明理論與實際的關(guān)節(jié)角度。需要注意的是，這些目標的角度是只有在對應的控制動作執(zhí)行時才有效。該步驟在兩秒開始以15度角實現(xiàn)其擴展目標。這是在18秒時被實現(xiàn)并會導致打開膝蓋擴到理想角度80度。達到這個目標導致擴大然后降下對表面通過改變期望聯(lián)接一目標到45度的一套開放，延長的自由裝置。這個目標導致查出表面和使能真空的腳傳感器，反過來，發(fā)信號序列行為對功能失效擴大并且使能收縮。開始移動聯(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)束做到這一點導致收縮關(guān)閉膝蓋。聯(lián)接的期望位置三和四是在這個膝蓋收縮了之后他們不移動了。完成這個過程在44秒，重新設置每一個下一步的行為狀態(tài)。
7. 未來研究方向
該機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。我們也在想方設法給機器人開發(fā)更多在水平面到垂直面甚至背面的操作。將會有跟多高級的行為把正常的擴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的控制。我們也決定在腳上增加真空傳感器已證實在下次行動之前達到吸入值。擁有這些增加的功能羅賓便在它將成為一個有用的機器人檢查工具的道路上行進。