外文翻譯--機(jī)器人在自然地形下爬行 中文版

1、<p>　　機(jī)器人在自然地形下爬行</p><p>　　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(guò)模擬環(huán)境路徑的例子。規(guī)劃問(wèn)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。</p><p>　　

2、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</p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　這篇文章中描寫(xiě)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(wèn)題，那些方法不是用特殊的裝

3、置吸附在地形表面，就是利用地形特殊的性質(zhì)或特點(diǎn)。</p><p>　　發(fā)展這種機(jī)器人爬行技術(shù)將使我們對(duì)人類(lèi)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(lái)搜救，偵察和探索行星。</p><p>　　在機(jī)器人能夠真正在真實(shí)、垂直的自然地形下爬

4、行前，需要解決許多問(wèn)題。這篇文章考慮了這些問(wèn)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(wèn)題，行動(dòng)規(guī)劃問(wèn)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(lái)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。</p><p>　　圖1 三足機(jī)器人相愛(ài)自然垂直表面爬行</p><p><b>　　2 動(dòng)

5、機(jī)</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　2.1 應(yīng)用</b></p><p>　　寫(xiě)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)。</p><p>　　這樣的系統(tǒng)有很多陸上的用途，例如搜救，探

6、索洞穴，輔助人類(lèi)攀巖和靈活的城市任務(wù)。每個(gè)都需要上升、下降或通過(guò)陡峭的斜坡和峭壁，因此可聯(lián)想到的人類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)。</p><p>　　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(guò)陡峭的斜坡。將來(lái)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。</p><

7、p><b>　　2.2 關(guān)聯(lián)</b></p><p>　　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(jiàn)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(lèi)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(lái)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)

8、現(xiàn)新的有用的機(jī)動(dòng)性的想法有關(guān)。</p><p>　　同樣，規(guī)劃運(yùn)算法則的發(fā)展對(duì)爬行機(jī)器人來(lái)說(shuō)能產(chǎn)生一套更好的標(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)這種類(lèi)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(lái)選擇設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3 主要問(wèn)題</b></p><p>　　在陡峭的自然地形上爬行涉及5個(gè)主要問(wèn)題：硬件設(shè)計(jì)、控制、

9、判斷、規(guī)劃、抓握。誒過(guò)領(lǐng)域中需要做大量的工作來(lái)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(wèn)題將在第四部分詳細(xì)的討論。</p><p><b>　　3.1 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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(wèn)題更容易解決。然而，過(guò)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(guò)餓地形受到限制。<

10、/p><p>　　有足的機(jī)器人已經(jīng)被用來(lái)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(lái)，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(lèi)蛇機(jī)器人得到同樣的結(jié)果。</p><p>　　這些行者費(fèi)力的通過(guò)的地形是令人印象深刻的，但在現(xiàn)有的系統(tǒng)中沒(méi)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

11、行者和類(lèi)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(guò)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(méi)有這種缺陷，但在通過(guò)纏繞繩子維持與峭壁的接觸這個(gè)問(wèn)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(lái)的傾角低于90度的峭壁級(jí)別。</p><p>　　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

12、些機(jī)器人用吸氣杯或永磁鐵來(lái)避免打滑[5-8]。其它的利用像陽(yáng)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。</p><p>　　相比之下，[2，11]用的簡(jiǎn)單的硬件設(shè)計(jì)沒(méi)有這種限制。人們期望像這篇文章提出的規(guī)劃問(wèn)題的解決方法通過(guò)類(lèi)似的系統(tǒng)允許爬基本的自然垂直地形，另外通過(guò)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。</p><p>　　將來(lái)的研究可以解

13、決其他類(lèi)型的工具的應(yīng)用問(wèn)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。</p><p>　　利用這些工具可以幫助解決更多有挑戰(zhàn)性的爬壁問(wèn)題，同樣這些“輔助”可以幫助人類(lèi)攀巖者[18,19]。然而，這些工具帶來(lái)了新的問(wèn)題，重量大，復(fù)雜，移動(dòng)緩慢還有手限制的潛在應(yīng)用。</p><p><b>　　3.2 控制</b></p>

14、<p>　　一個(gè)爬壁機(jī)器人的控制問(wèn)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(lái)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)。</p><p>　　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(lái)得到

15、更好的性能。例如，將來(lái)的研究可能解決末端打滑控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)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(wú)關(guān)。</p><p><b>　　3.3 判斷</b></p><p>　　對(duì)于控制和抓握來(lái)說(shuō)，爬墻機(jī)器人必須具備根據(jù)重力方向、重心位置、來(lái)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(lái)判斷自己身體的方向的能力。對(duì)于規(guī)劃，機(jī)器人

16、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(shuō)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(wèn)題，判斷器的集成是為了獲得并利用算法信息來(lái)進(jìn)行控制、抓握和規(guī)劃。</p><p>　　現(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供基本末端壓力和衡量打滑程度，一種慣性單元和磁性指針能提供位置信息，一種觀察系統(tǒng)可以提供大概的吸附位置和性質(zhì)的描繪，

17、編碼器可以提供重心位置。然而每個(gè)判斷器的提升，如性能、減重和減少經(jīng)費(fèi)，提出了供研究的開(kāi)放領(lǐng)域。盡管在第4部分闡述的規(guī)劃框架的性能，用更好的判斷器信息會(huì)得到提升，但它并不依賴環(huán)境的完美模式。因?yàn)榭蚣芄ぷ靼l(fā)展的很快，使在線供給器具和計(jì)劃能在新判斷器信息可用時(shí)合作。</p><p><b>　　3.4 抓握</b></p><p>　　爬壁機(jī)器人的性能依賴于吸附的能力或陡峭

18、自然表面的特性?，F(xiàn)在已經(jīng)證明特殊的抓握項(xiàng)目依賴于地表的特殊性，如非常平滑的質(zhì)地或支持，它不能用于自然地形。涉及在自然地形上抓握的問(wèn)題在這部分會(huì)進(jìn)一步探討。</p><p>　　傳統(tǒng)的抓握研究致力于拾起目標(biāo)物或穩(wěn)穩(wěn)的抓住它。這個(gè)課題的研究可以追溯到1876年，這研究顯示用一個(gè)小的4點(diǎn)無(wú)摩擦約束就可以穩(wěn)穩(wěn)的抓到一個(gè)平的目標(biāo)物。更多近期這方面好的概述見(jiàn)[24，25]。在這領(lǐng)域有個(gè)重要的概念“壓力終止”，被定義為“如果在

19、單邊接觸中應(yīng)用足夠大的壓力，能抵御目標(biāo)物各方面的移動(dòng)”的抓握。幾乎所有抓握的研究都致力于選擇、特性化、最優(yōu)化的抓握，它有壓力終止的性能。</p><p>　　然而，對(duì)于爬行抓握來(lái)說(shuō)不需要壓力終止。例如，一個(gè)機(jī)器人會(huì)發(fā)現(xiàn)像架子樣的扶手可能很容易爬上去，即使這個(gè)抓握完全不能抵御來(lái)自其它方面的壓力。鑒于這個(gè)原因，選擇、特性化、最優(yōu)化抓握的研究必須好好的發(fā)展來(lái)把它應(yīng)用到爬壁機(jī)器人上。</p><p&g

20、t;　　描繪包括檢測(cè)用于抓握的壓力和扭矩的大小和方向。例如，對(duì)于一個(gè)點(diǎn)上的一個(gè)手指抓握，這個(gè)信息的合理描繪就是一個(gè)摩擦體，它將被用于在第四部分描述的規(guī)劃運(yùn)算法則。</p><p>　　描繪的想法還包括一個(gè)“質(zhì)量因素”。抓握質(zhì)量的措施已經(jīng)被廣泛研究，見(jiàn)于[26]。這項(xiàng)工作列出了8個(gè)靈活的措施，包括使連接角度的偏差最小，使最小單個(gè)抓握模型的價(jià)值最大化。其它的相關(guān)研究用了扭空間的概念。用這個(gè)概念，質(zhì)量被定義為最大的扭轉(zhuǎn)

21、球，它可以滿足抓握扭轉(zhuǎn)單元。抓握扭轉(zhuǎn)空間的體積或更多的專(zhuān)業(yè)橢球任務(wù)，可以用來(lái)當(dāng)作質(zhì)量措施。這些想法擴(kuò)展了，包括限制最大接觸壓力和應(yīng)用于抓握模擬器來(lái)計(jì)算用不同的三維手進(jìn)行最好的抓握。</p><p>　　然而，抓握質(zhì)量這個(gè)概念對(duì)于抓握來(lái)說(shuō)沒(méi)有定義好，沒(méi)有提供壓力終止。依靠一個(gè)攀巖者想走的方向，不同的抓握有不同的質(zhì)量。而且，抓握質(zhì)量一般包括安全或穩(wěn)定性概念，這兩個(gè)概念對(duì)于無(wú)壓力終止抓握來(lái)說(shuō)也沒(méi)定義好。再者，依靠依靠應(yīng)

22、用壓力的方向，抓握的安全性肯會(huì)改變。握住質(zhì)量的概念應(yīng)在有用的最優(yōu)化可能之前定義。同時(shí)，傳送信息到控制器或規(guī)劃器，有必要有一個(gè)高效的方法來(lái)完成爬壁任務(wù)。</p><p>　　不同類(lèi)型抓握的分類(lèi)已經(jīng)存在于人類(lèi)攀登者的技巧中。在這個(gè)分類(lèi)中，抓握首先被分成兩種，一種是對(duì)礦穴、邊緣和其它沒(méi)有縫隙的垂直巖面而言的，另一種是對(duì)連續(xù)的垂直裂縫而言。圖2中可以看到不同地貌和裂縫的抓握例子。對(duì)于如安全水平的條件，這種技巧讓人聯(lián)想到各

23、種抓握的質(zhì)量和用途餓一個(gè)大概想法，轉(zhuǎn)矩可被施于一個(gè)手柄上，摩擦可被施于受力點(diǎn)。</p><p>　　不僅是在期待的直觀質(zhì)量上，同樣清楚的是人類(lèi)攀巖者在特殊情況下需要用到別處的抓握。長(zhǎng)久以來(lái)“有多種不同的手柄，就有多少種方法去抓住它們”。然而，這種直觀性是用來(lái)作為決定意義深遠(yuǎn)的定性標(biāo)準(zhǔn)的起點(diǎn)，這定性標(biāo)準(zhǔn)是為了抓握的選擇和優(yōu)化。</p><p>　　這種爬壁技巧與過(guò)去的機(jī)器人抓握規(guī)劃的比較揭示

24、出這兩種應(yīng)用間的幾種其它主要不同之處，這對(duì)將來(lái)的研究很重要。例如很多爬壁手柄很小，所以爬壁抓握時(shí)的手指常常為了與目標(biāo)物而擁有大直徑。機(jī)器人抓握技巧首先認(rèn)同小直徑的手指也可抓目標(biāo)物的情況。另外，像圖2中展示的一些爬壁抓握姿勢(shì)，都是基于裂縫中的手指。這項(xiàng)技術(shù)與機(jī)器人拾起目標(biāo)物的技術(shù)有不同，它需要高靈活性和小自由度來(lái)使手指伸入裂縫。清楚的是，連續(xù)的爬壁機(jī)器人研究工作最終將引起更多的考慮抓握中的新問(wèn)題。</p><p>

25、　　(a) (b)</p><p>　　(c) (d)</p><p>　　圖2 四種不同的人類(lèi)攀登抓握在(a)無(wú)阻礙的抓握，(b)卷曲的抓握，(c)手指鎖住抓握和(d)夾縫中抓握。</p><p><b>　　4 規(guī)劃</b&

26、gt;</p><p>　　規(guī)劃問(wèn)題是爬壁機(jī)器人在自然地形爬行的第五個(gè)主要挑戰(zhàn)。這部分展示的移動(dòng)規(guī)劃框架細(xì)節(jié)見(jiàn)[32]。</p><p><b>　　4.1 挑戰(zhàn)</b></p><p>　　爬壁機(jī)器人的規(guī)劃問(wèn)題包括產(chǎn)生一條軌跡使機(jī)器人保持平衡的通過(guò)垂直地形。</p><p>　　這個(gè)問(wèn)題對(duì)人類(lèi)攀巖者來(lái)說(shuō)也是個(gè)挑戰(zhàn)。攀巖

27、長(zhǎng)久以來(lái)被描述成一個(gè)“偉大的挑戰(zhàn)，每個(gè)攀巖路線的次序和方案都是獨(dú)特的，都是解決精力和體力問(wèn)題的設(shè)計(jì)”。一個(gè)獨(dú)特路線包含大量不同的“移動(dòng)”，其中一些移動(dòng)見(jiàn)圖3.每個(gè)移動(dòng)對(duì)保持平衡來(lái)說(shuō)都是成熟技術(shù)。除了這些妙想，通過(guò)大量特殊身體位置的移動(dòng)也許是爬行進(jìn)步到最高的必要條件。</p><p>　　在實(shí)際爬行前Graydon和Hanson就已經(jīng)注意到規(guī)劃一系列移動(dòng)的重要性，他們認(rèn)為攀巖者“在攀爬簽會(huì)鑒定和檢查不同的地貌，計(jì)劃

28、好然后迅速的爬越它們”。人們這種做法的動(dòng)機(jī)主要是為了使每次移動(dòng)所耗能量達(dá)到最小和節(jié)省能量，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人沒(méi)有足夠的體力和耐力。</p><p>　　規(guī)劃問(wèn)題對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)是類(lèi)似的。機(jī)器人裝有驅(qū)動(dòng)裝置，這可以在短時(shí)間內(nèi)運(yùn)用高轉(zhuǎn)矩，所以在爬行之前規(guī)劃好移動(dòng)順序?qū)C(jī)器人系統(tǒng)而言同樣重要。同樣，爬壁機(jī)器人要受制于同樣困難的平衡限制，并且需要在類(lèi)似的可能移動(dòng)范圍內(nèi)選擇。因此，規(guī)劃算法的發(fā)展對(duì)一個(gè)自動(dòng)化爬壁機(jī)器人來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有

29、挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。</p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p><b>　　(c)</b></p><p>　　圖3 三種不同的人類(lèi)攀爬移動(dòng)（a）撤步（b）逆向行進(jìn)（c）向上行進(jìn)</p><p>&

30、lt;b>　　4.2 相關(guān)工作</b></p><p>　　爬壁機(jī)器人的搜索范圍是一個(gè)混合的范圍，包括連續(xù)的動(dòng)作和分散的動(dòng)作。通過(guò)連續(xù)動(dòng)作范圍許多不同方法對(duì)移動(dòng)規(guī)劃可行，包括電池分解。潛在領(lǐng)域和路線圖算法。分散動(dòng)作可直接包括在這些方法中，例如路線圖算法中結(jié)擴(kuò)展的水平，但這種方法一般會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行的減緩，特別是對(duì)特殊系統(tǒng)。</p><p>　　為有腿機(jī)器人做的移動(dòng)規(guī)劃的前期工作

31、已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了解決一些系統(tǒng)混合搜索范圍的工具。無(wú)論是不是脫機(jī)作規(guī)劃，這項(xiàng)工作都可以分類(lèi)，這是為了產(chǎn)生一種反應(yīng)性的步法或聯(lián)機(jī)，為了考慮到敏感環(huán)境下的無(wú)步移動(dòng)。</p><p>　　步態(tài)規(guī)劃著認(rèn)為在平穩(wěn)的環(huán)境中可以創(chuàng)造一種預(yù)先定義的脫機(jī)走路方式。這種方式用到一組或行為來(lái)控制機(jī)器人聯(lián)機(jī)，這基于近期傳感器輸入的信息。[2，11]用到了步態(tài)規(guī)劃，例如，設(shè)計(jì)爬管子的方式。其它像[34]樣的方法是基于為了保持平衡的支撐三角形的想

32、法。</p><p>　　穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)如零狀態(tài)點(diǎn)已經(jīng)用于設(shè)計(jì)最優(yōu)步態(tài)。有活力的步態(tài)和跳躍已經(jīng)被證實(shí)了。近期的工作是試圖提供統(tǒng)一的精確的工具為了產(chǎn)生步態(tài)。每個(gè)規(guī)劃的運(yùn)算法則在一部分自然爬行環(huán)境下很有效果，這自然爬行環(huán)境有連續(xù)的特色，如幾乎一樣寬的長(zhǎng)垂直裂縫。然而，在不規(guī)則的環(huán)境下爬行，如這篇文章研究的環(huán)境，機(jī)器人爬行餓表面是有角度的，任意固定的表面需要更多的技巧。</p><p>　　費(fèi)步態(tài)規(guī)劃

33、著用于關(guān)于環(huán)境的相關(guān)信息來(lái)創(chuàng)造可行的聯(lián)機(jī)步態(tài)計(jì)劃。為有足機(jī)器人做的關(guān)于非步態(tài)行動(dòng)的大部分前期工作專(zhuān)注于一個(gè)特別的系統(tǒng)樣式，蜘蛛機(jī)器人。蜘蛛機(jī)器人的足被假定成很輕的，這引起了它們自由空間的一流表現(xiàn)，為了基于支撐三角形的準(zhǔn)靜態(tài)動(dòng)作[44,45]。然而，當(dāng)考慮到機(jī)器人不能滿足蜘蛛機(jī)器人的假設(shè)，這些方法中用到的分析方法就終止了。例如，在[46，47]中為人類(lèi)機(jī)器人規(guī)劃非步態(tài)走路動(dòng)作附加技術(shù)是必須的。這篇文章探究的是一個(gè)具有少量自由度的機(jī)器人在一

34、個(gè)更加有條理的搜索空間，那里比用啟發(fā)式方法更有可能獲得更好的性能。盡管這算法意味著創(chuàng)造“真實(shí)”而不是嚴(yán)格可行的動(dòng)作，在為性格特征設(shè)計(jì)行動(dòng)規(guī)劃算法時(shí)，[48]呈現(xiàn)了類(lèi)似的問(wèn)題。</p><p>　　在為有足運(yùn)動(dòng)、抓握和機(jī)器人操作的非步態(tài)動(dòng)作規(guī)劃中存在類(lèi)似之處，特別是在操作概念上[24,49-51]。兩種規(guī)劃都需要作出分散和連續(xù)的選擇。</p><p>　　所有現(xiàn)有的規(guī)劃技術(shù)都不足以解決甚至是

35、在自然環(huán)境中最簡(jiǎn)單的爬行問(wèn)題。在自然環(huán)境中，準(zhǔn)靜態(tài)移動(dòng)，準(zhǔn)確的信息和單指抓握一點(diǎn)手柄都被采用。如果準(zhǔn)靜態(tài)和準(zhǔn)確信息的采用是松懈的，考慮更多復(fù)雜的抓握，這個(gè)問(wèn)題會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。</p><p><b>　　4.3 規(guī)劃框架</b></p><p>　　在這部分，我們將描述圖上展示的一種特殊爬壁機(jī)器人的規(guī)劃框架。這個(gè)機(jī)器人有三條腿，每條腿有兩個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)在機(jī)器人的中心，一個(gè)

36、在腿的中點(diǎn)。動(dòng)作被認(rèn)為是準(zhǔn)靜態(tài)的，伴隨重力發(fā)生在垂直平面。這種機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的低復(fù)雜性使它適合于研究爬行動(dòng)作的規(guī)劃。</p><p>　　地形是垂直平面，附有一堆小的、有角度的平表面，叫做“手柄”，它們是任意分布的。每個(gè)機(jī)器人腿的末端都可以在每個(gè)手柄拉或推一個(gè)點(diǎn)，產(chǎn)生摩擦防止打滑。</p><p>　　機(jī)器人的爬行動(dòng)作包括連續(xù)的步伐。任意兩個(gè)連貫的步伐之間，三個(gè)腿末端接觸到不同的支撐。每一個(gè)

37、步伐中，腿從一個(gè)支撐移動(dòng)到另一個(gè)支撐，另兩個(gè)末端仍可固定。機(jī)器人可以用兩個(gè)相當(dāng)?shù)哪_形成的連接中的自由度來(lái)維持準(zhǔn)靜態(tài)平衡和防止在兩個(gè)相當(dāng)?shù)闹伍g打滑。另外，走一步時(shí)，任意一個(gè)連接處的扭矩不能超過(guò)控制裝置的極限，腳之間也不能相互碰撞。這些限制決定了機(jī)器人每走一步的外形輪廓的可用子設(shè)備。這子設(shè)備中的一條路線決定了一步動(dòng)作。</p><p>　　所有的計(jì)劃問(wèn)題如下：一個(gè)給定的地形，依賴一對(duì)手柄和一個(gè)目標(biāo)支撐的最初的機(jī)器人

38、外形產(chǎn)生了一系列一步的動(dòng)作，這將使機(jī)器人在準(zhǔn)靜態(tài)平衡上從最初外形到最后外形，在最后外形下一腳的末端與目標(biāo)手柄接觸。</p><p>　　[32]中我們展示了解決這規(guī)劃問(wèn)題的框架的細(xì)節(jié)。這個(gè)框架可簡(jiǎn)說(shuō)如下。</p><p>　　首先，我們展示了三足爬壁機(jī)器人的一步動(dòng)作的詳盡的分析。連續(xù)結(jié)構(gòu)的屬性已經(jīng)設(shè)定了，將被用來(lái)定義機(jī)器人在每對(duì)支撐下的可用集。特別的，當(dāng)規(guī)劃一個(gè)二維的子空間時(shí)，機(jī)器人的4維

39、連續(xù)可用范圍的連貫性可以保留。這個(gè)結(jié)果精簡(jiǎn)了一步規(guī)劃問(wèn)題的復(fù)雜程度并且導(dǎo)致了一個(gè)快捷聯(lián)機(jī)餓執(zhí)行實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　然后，所有的規(guī)劃者將這種“本地規(guī)劃者”與靈活的搜索技術(shù)結(jié)合起來(lái)來(lái)決定對(duì)目標(biāo)支撐技術(shù)而言的最初外形的一系列支撐。這啟示性的方法來(lái)自于觀察人類(lèi)攀巖者規(guī)劃他們的動(dòng)作。</p><p><b>　　4.4 結(jié)果</b></p><p&g

40、t;　　[32]中展示的成果不是對(duì)特殊垂直環(huán)境模擬結(jié)果中的一組。這篇文章我們將展示在一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中的第二組結(jié)果。圖4中展示的環(huán)境，包括隨機(jī)固定的、有角的支撐。機(jī)器最先定位于這環(huán)境底部的兩個(gè)支撐，它被要求達(dá)到頂點(diǎn)的兩個(gè)支撐。</p><p>　　圖4 三足機(jī)器人在垂直環(huán)境爬行的例子</p><p>　　用一個(gè)450MHZ的處理器3秒內(nèi)就可以找到一個(gè)計(jì)劃，對(duì)一個(gè)包含50個(gè)支撐的環(huán)境來(lái)說(shuō)

41、非常典型。為更小的環(huán)境規(guī)劃時(shí)間。</p><p>　　圖5中展示了一個(gè)不同的連續(xù)結(jié)構(gòu)，來(lái)自于每個(gè)規(guī)劃次序的一步動(dòng)作。許多這類(lèi)的結(jié)構(gòu)明顯與人類(lèi)的結(jié)構(gòu)相似。例如，圖5（a）中展示的結(jié)構(gòu)與圖3（b）展示的類(lèi)似。另外，圖5（i）和（n）描述的結(jié)構(gòu)分別與圖3（a）中的“后退”和圖3（c）中的“高步”類(lèi)似。</p><p>　　圖5中每個(gè)框架都展示了平衡區(qū)域，這是對(duì)機(jī)器人站立支撐而言的。這個(gè)區(qū)域機(jī)器人

42、在不打滑情況下保持平衡重心可以移動(dòng)，而且是一個(gè)對(duì)機(jī)器人平衡限制的完全說(shuō)明書(shū)。注意在每個(gè)結(jié)構(gòu)展示中，機(jī)器人重心存在于平衡區(qū)域。</p><p>　　更多資訊，包括可視3動(dòng)畫(huà)，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://arl.stanford.edu/~tbretl/</p><p>　　圖5 展示的動(dòng)作是機(jī)器人在圖4環(huán)境下動(dòng)作。每幅圖中的園點(diǎn)是機(jī)器人的重心</p><p><b>

43、;　　5 結(jié)論</b></p><p>　　這篇文章描述了發(fā)展自動(dòng)化爬壁機(jī)器人的挑戰(zhàn)，提出了解決規(guī)劃問(wèn)題的框架。</p><p>　　近期的工作是解決對(duì)一個(gè)真實(shí)機(jī)器人系統(tǒng)而言的規(guī)劃框架的應(yīng)用。作為部分努力，這框架已經(jīng)擴(kuò)展到處理額外的動(dòng)作限制，更加復(fù)雜的機(jī)器人幾何系統(tǒng)，不理想的環(huán)境和三維地形。</p><p>　　以后的工作將解決其它4個(gè)主要問(wèn)題——硬件設(shè)