實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銑床設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),數(shù)控,銑床,設(shè)計(jì) 生物啟發(fā)的運(yùn)動策略:在機(jī)器人和機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新型地面移動機(jī)器人 生物啟發(fā)的運(yùn)動策略： 在機(jī)器人和機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新型地面移動機(jī)器人 摘要-本文介紹了一些地面移動機(jī)器人，它們的發(fā)展是基于弗吉尼亞理工大學(xué)RoMeLa（機(jī)器人技術(shù)和機(jī)械實(shí)驗(yàn)室）使用生物啟發(fā)的新型運(yùn)動策略。我們通過學(xué)習(xí)自然模型，然后模仿或獲取來自這些設(shè)計(jì)和進(jìn)程中的靈感，為移動機(jī)器人的移動，應(yīng)用和實(shí)施了新的方式。不同于大多數(shù)地面移動機(jī)器人使用的常規(guī)手段的運(yùn)動，如車輪或軌道，這些機(jī)器人展示獨(dú)特的移動性特點(diǎn)，使在某些環(huán)境下運(yùn)動困難的常規(guī)地面機(jī)器人變得適應(yīng)。這些新型的地面機(jī)器人，包括：整個(gè)皮膚運(yùn)動機(jī)器人，它從似變形蟲的運(yùn)動機(jī)械受到啟發(fā)；三條腿的步行機(jī)器人STriDER（自激三足動態(tài)實(shí)驗(yàn)型機(jī)器人），利用驅(qū)動的被動式運(yùn)動概念；六足機(jī)器人MARS（多附加的機(jī)器人系統(tǒng)）使用干粘合劑“壁虎腳”走在零重力的環(huán)境中；人形機(jī)器人DARwIn（動態(tài)擬人智能機(jī)器人）使用動態(tài)兩足步態(tài)；移動性高的機(jī)器人IMPASS（擁有積極會話系統(tǒng)的智能移動平臺）使用了一種新型車輪和腿混合運(yùn)動的策略。對于上述每個(gè)機(jī)器人和所運(yùn)用的新型運(yùn)動策略，我們隨后將對它們的性能以及面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行討論。 關(guān)鍵詞-生物的啟發(fā)，運(yùn)動，移動機(jī)器人。 １.導(dǎo)言 9 / 11世界貿(mào)易中心的慘劇后，在歸零地（911恐怖襲擊中倒塌的世界貿(mào)易中心遺址），國防部聯(lián)合機(jī)器人計(jì)劃秘書辦公室從機(jī)器人輔助搜索和努力救援中得到教訓(xùn)，并在為此準(zhǔn)備的一份報(bào)告中指出，機(jī)器人的移動性是指作為目前機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)主要限制性內(nèi)容就是完成搜索和救援任務(wù)。該報(bào)告進(jìn)一步指出，所有雇用機(jī)器人在歸零地網(wǎng)站使用軌道驅(qū)動器一般都優(yōu)于車輪在不平坦的地面，不過，其他更有效的運(yùn)動策略必須作進(jìn)一步調(diào)查。不同與空中或海上運(yùn)輸?shù)能囕v在他們的旅行區(qū)域內(nèi)幾乎可以達(dá)到任何一個(gè)目的地，今天使用的大部分地面車輛，在穿越大障礙和攀登陡坡時(shí)有困難，這是由于其有限的移動性，尤其是在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下。 隨著機(jī)器人智能技術(shù)的進(jìn)步，和移動機(jī)器人在新的應(yīng)用領(lǐng)域增加，機(jī)器人替換基礎(chǔ)運(yùn)動機(jī)械的需要，這可以使它們在被調(diào)遣到復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化地形中時(shí)變得至關(guān)重要。目前地面車輛的運(yùn)動的方法是基于車輪，鐵軌或兩條腿，每一個(gè)方法有其自身的長處和短處。為了使移動機(jī)器人適應(yīng)一個(gè)地區(qū)的復(fù)雜地形，一種新的運(yùn)動方法是必要的。例如，為了能夠找到被困在倒塌大樓中的人，將需要身處狹窄拐角的機(jī)器人能夠在瓦礫下或之間移動。目前的運(yùn)動方法，可以做到這項(xiàng)工作的一部分，但在實(shí)現(xiàn)所有這些功能時(shí)，他們卻只有有限的成功。 我們通過學(xué)習(xí)自然模型，然后模仿或獲取來自這些設(shè)計(jì)和進(jìn)程中的靈感，為移動機(jī)器人的移動，應(yīng)用和實(shí)施了新的方式。在本文中，我們呈現(xiàn)了5個(gè)地面移動機(jī)器人，它們的發(fā)展是基于弗吉尼亞理工大學(xué)的RoMeLa（機(jī)器人技術(shù)和機(jī)械實(shí)驗(yàn)室）使用的生物啟發(fā)的新型運(yùn)動策略。不同于大多數(shù)地面移動機(jī)器人使用的常規(guī)手段的運(yùn)動，如車輪或軌道，這些機(jī)器人展示獨(dú)特的移動性特點(diǎn)，使在某些環(huán)境下運(yùn)動困難的常規(guī)地面機(jī)器人變得適應(yīng)。 2.生物啟發(fā)的新型運(yùn)動的策略 2.1從似變形蟲的運(yùn)動機(jī)械受到啟發(fā)的運(yùn)動 WSL（整個(gè)皮膚運(yùn)動）是指一個(gè)生物，有一細(xì)長圓環(huán)形狀的身體用來作為表面為牽引，皮膚是用來驅(qū)動通過循環(huán)的收縮與擴(kuò)張。 圖1.一個(gè)單軸的變形蟲的動力機(jī)構(gòu) 這種啟發(fā)的新型運(yùn)動策略，來自某些單一方式的細(xì)胞生物體， 例如該變形蟲 （巨變形蟲）的運(yùn)動。這些生物體的運(yùn)動是由細(xì)胞質(zhì)環(huán)流過程（圖1 ）所造成的，液態(tài)形式的細(xì)胞質(zhì)流在內(nèi)外質(zhì)管中流動，并轉(zhuǎn)化為凝膠狀的外質(zhì)前端的表層皮膚，最后在細(xì)胞質(zhì)的外皮膚后部回復(fù)到液態(tài)的形式。這連續(xù)細(xì)胞內(nèi)外質(zhì)的轉(zhuǎn)化是該變形蟲向前運(yùn)動的有效動力。 如果不可能的話，直接用機(jī)器人模仿這細(xì)胞質(zhì)環(huán)流的過程是很困難的事。因此，代替使用細(xì)胞質(zhì)液體凝膠轉(zhuǎn)型的過程，WSL使用一個(gè)靈活的長圓環(huán)形狀的皮膚膜。這種皮膚可以拉長，然后在一個(gè)單一連續(xù)的運(yùn)動中隨意內(nèi)外旋轉(zhuǎn)，在變形蟲外質(zhì)管中有效地生成整體的細(xì)胞質(zhì)環(huán)流運(yùn)動（圖2 ）。 圖3和圖4顯示了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，它使用一個(gè)灌滿水的長的有彈性的有機(jī)硅皮膚環(huán)形管，以演示運(yùn)動機(jī)構(gòu)的可行性。 圖2. 同心固體管整個(gè)皮膚運(yùn)動模型 通過驅(qū)動環(huán)的收縮（1a，2a，3a ）及擴(kuò)大（1b，2b，3b ）產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)運(yùn)動。 （ a ）在0.0秒 （ b ）在0.30秒 （ c ）在0.46秒 圖3.預(yù)拉力彈性皮膚模型運(yùn)動的一系列照片 圖4. 拉緊的繩索驅(qū)動模型運(yùn)動的一系列照片 機(jī)器人使用整個(gè)皮膚運(yùn)動可以在與機(jī)器人相接觸的環(huán)境中的任何表面上移動，不論是地面，墻壁或兩邊的障礙物，或天花板，因?yàn)檎麄€(gè)皮膚是用于運(yùn)動。與一彈力膜或網(wǎng)狀的鏈接作為其外部皮膚，機(jī)器人可以很容易擠壓在障礙之間或在倒塌的天花板下，使用所有的接觸面為牽引向前邁進(jìn)，或甚至擠壓本身通過直徑小于其名義寬度的孔。 2.2利用被動式運(yùn)動驅(qū)動概念的三足運(yùn)動 圖5. STriDER:自激三足動態(tài)實(shí)驗(yàn)型機(jī)器人 STriDER（自激三足動態(tài)實(shí)驗(yàn)型機(jī)器人）是一種新型的三足步行機(jī)器（圖五） ，利用被動動力驅(qū)動的運(yùn)動概念，動態(tài)步行與高能源效率和最小控制使用其獨(dú)特的三足步態(tài)（圖6 ）。不像其他的被動動態(tài)行走的機(jī)器，這種獨(dú)特的三足運(yùn)動機(jī)器人，是以三腳架位置達(dá)到固有的穩(wěn)定，它可以改變方向，和比較容易操作，使得它可實(shí)際地應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中。 圖6.單步三足步態(tài) 圖6顯示單步三足步態(tài)的概念。從開始的位置（圖6 （ a ）） ，機(jī)器人轉(zhuǎn)變其重心，通過調(diào)整它的兩個(gè)骨盆鏈接（圖6 （ b ）） ，機(jī)器人的身體能在跌倒的方向垂直于落地三角（圖6（ c ）） ，繞軸線旋轉(zhuǎn)定義為由兩個(gè)支持的雙腿。正像在機(jī)器人跌倒時(shí)，中間的腿（擺動腿） 自然擺動到兩落地腿之間（圖6 （ d ））防止跌倒（圖6 （ e ））。由于所有三腿接觸地面，機(jī)器人重置姿態(tài)通過激勵其連接，儲存勢能，為下次的步態(tài)（圖6 （ f ））作準(zhǔn)備 。三足步態(tài)的關(guān)鍵是自然擺動運(yùn)動的擺動腿，和機(jī)構(gòu)關(guān)于均衡骨盆關(guān)節(jié)連接的兩個(gè)落地腿。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)（質(zhì)量和性能方面的聯(lián)系），用其動態(tài)結(jié)構(gòu)拓展驅(qū)動被動動力運(yùn)動概念，以最低限度的控制和能源消耗進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動。 步態(tài)改變方向是在一個(gè)相當(dāng)有趣的方式下執(zhí)行：通過改變選擇擺動腿的序列，三足步態(tài)可以在每一步60 °區(qū)間的方向移動機(jī)器人（圖7 ） 圖7. 轉(zhuǎn)變方向的步態(tài)戰(zhàn)略 簡單的三腳架配置和STriDER的三足步態(tài)有很多優(yōu)勢超過其它腿式機(jī)器人：它有一個(gè)簡單的運(yùn)動結(jié)構(gòu)（對兩足動物 ，四足動物 ，或六足動物）防止其雙腿之間，一條腿和身體的沖突，相當(dāng)穩(wěn)定（如照相機(jī)三腳架）；簡單的控制（對兩足動物）正因該運(yùn)動是一個(gè)在預(yù)定方向的簡單下降及控制其下降；它又是高效能源，在動力學(xué)上用其內(nèi)置開發(fā)驅(qū)動被動動力運(yùn)動概念;它重量輕，使它能發(fā)射到難以進(jìn)入的領(lǐng)域，例如，它使部署和定位傳感器在高的位置進(jìn)行監(jiān)視變得非常理想。 圖8.一個(gè)單一步驟的三足步態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝備 2.3步行在零重力環(huán)境下的干膠粘劑壁虎腳 靈感來自美國航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的LEMUR機(jī)器人（圖9 ） ，在弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)器人技術(shù)和機(jī)械實(shí)驗(yàn)室研制一種六足機(jī)器人的研究平臺，多肢運(yùn)動和操縱。如圖10所示，MARS（多附庸的機(jī)器人系統(tǒng)）有6個(gè)4自由度的肢體軸對稱布置，機(jī)器人本體與動球節(jié)點(diǎn)在肩膀上有一個(gè)大的工作空間?？苫Q的末端執(zhí)行器/腳允許其用于研究各種研究方面例如走在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，攀登，和靈巧的操控任務(wù)。 圖9. 美國航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的LEMUR IIa? 多附庸的機(jī)器人系統(tǒng)的六軸對稱安排，四肢均連接到機(jī)構(gòu)，由一個(gè)三自由度動球的聯(lián)合提供了一個(gè)廣泛的運(yùn)動類似于肩髖關(guān)節(jié)。中途沿每個(gè)肢體是一種單自由度的聯(lián)合它提供了一系列類似的運(yùn)動類似于肘或膝關(guān)節(jié)。這種安排使每個(gè)肢體有廣泛的工作空間。整個(gè)平臺是大約16英寸，直徑10英寸，身高與外表昆蟲或蜘蛛一樣。碳纖維復(fù)合體進(jìn)行鋁聚合物電池， PC104的單板電腦，以及可互換的傳感器，包括立體視覺的接口相機(jī)。四肢由一個(gè)輕量級鋁框架和碳纖維復(fù)合材料外骨骼皮膚建造。每一聯(lián)合通過轉(zhuǎn)口貨品中最大芯直流電動機(jī)通過分布式可變方式控制驅(qū)動。在每個(gè)肢體端部，可互換末端執(zhí)行器/腳允許它用于各種實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。 圖10. MARS:多附庸的機(jī)器人系統(tǒng) 與其他的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法不同，它力求模仿生物學(xué)和工程兩者統(tǒng)一，LEMUR的起源缺乏一些必要的生物分子;生物分子專門用于作為一個(gè)設(shè)計(jì)工具。機(jī)器人的目的是沿著表面結(jié)構(gòu)移動，它的靈感來自于沿著底部和巖石之間移動的多肢靈巧的海洋生物。馬上可舉的例子便是章魚和海星，其中他們的顯著特點(diǎn)是軸對稱，相對身體尺寸來說四肢較長。軸對稱機(jī)器人是全方位的，面對一個(gè)特定方向的移動或操縱，節(jié)省其昂貴運(yùn)動。此外，長的四肢又能產(chǎn)生一個(gè)廣闊的工作空間。 其中MARS的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是在零重力情況下自主地在太空中檢查維修車輛和結(jié)構(gòu)。使用有肢的機(jī)器人是最有前途的技術(shù)，例如共聚物技術(shù); 使用機(jī)器腿在空間車輛或結(jié)構(gòu)的外表面爬行檢查和維修操作。不過，使用有肢的機(jī)器人在零重力的環(huán)境中創(chuàng)造了一整套新的問題和要求。在零重力環(huán)境中運(yùn)動需要使用確保其腳步行于表面的方法，這可能是通過抓住在表面上利用磁鐵，吸杯的某些功能來完成。它的靈感來自壁虎在垂直墻壁上爬行和在天花板上下步行的能力，未來版本的MARS將使用干膠粘劑腳在零重力的環(huán)境下行走于表面，因?yàn)檫@是最有前途的技術(shù)，使機(jī)器人行走表面的運(yùn)動和操作過程變的穩(wěn)定。 2.4一種新型車輪腿混合運(yùn)動策略 智能平臺的流動性與積極語言系統(tǒng)是一種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境無人系統(tǒng)，新型高流動性運(yùn)動平臺（圖11 ） 。利用單獨(dú)驅(qū)動無框車輪輻條，它可以按照輪廓不均勻的表面，如路軌，并越過大的障礙，如有腿車輛，保留簡單的車輪（圖12 ）。因?yàn)樗狈?fù)雜的腿和擁有一個(gè)大型有效的（輪）直徑，這個(gè)高度自適應(yīng)性系統(tǒng)可以輕易地移動到極端的地形，同時(shí)保持一定的運(yùn)行速度，從而在搜索和救援任務(wù)，科學(xué)探索，和進(jìn)行反恐的應(yīng)用中有很大的潛力。 圖11.此渲染圖象是IMPASS的版本，使用了兩個(gè)驅(qū)動車輪，并進(jìn)行模擬 圖12.IMPASS關(guān)于移動和適應(yīng)地形的一些例子 我們分析了運(yùn)動學(xué)和模擬機(jī)器人用兩個(gè)驅(qū)動車輪在平坦地形上的運(yùn)動，它們利用每個(gè)車輪結(jié)構(gòu)上的一個(gè)，兩個(gè)，三個(gè)點(diǎn)相接觸（圖13 ）。這表明一個(gè)點(diǎn)接觸模式有兩個(gè)自由度，運(yùn)動的輸出可以任意選定。這種模式將允許機(jī)器人移動，同時(shí)為質(zhì)量中心保持恒定的高度，我們已經(jīng)通過模擬進(jìn)行了證明。至于這個(gè)模式的結(jié)果表明，通過改變方位角發(fā)生離散，采取措施改變不同的長度和左右車輪。兩個(gè)點(diǎn)的接觸方式顯示有一個(gè)自由度，選擇一個(gè)步長，將徑向平面的中心軸軌道視為確定的車輪角度函數(shù)。這種運(yùn)動模式只用兩個(gè)輪子便能靜態(tài)地穩(wěn)定行走，還可用于承受有效重載荷。 三點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)顯示為零的自由度，但是在固定的任務(wù)中，它將有額外的穩(wěn)定性，讓機(jī)器人擁有更廣泛的立足之地。 圖13.一個(gè)單一的驅(qū)動車輪及其自由度的不同模式的運(yùn)動系統(tǒng)圖 關(guān)于瞬態(tài)轉(zhuǎn)變的概念隨后得到開發(fā)，在逐漸轉(zhuǎn)變過程中有三個(gè)接觸點(diǎn)，迫使基準(zhǔn)線與機(jī)器人的軸線斜交（圖14 ）。深入了解此結(jié)構(gòu)，通過在此機(jī)構(gòu)中分析機(jī)器人獲得作為一個(gè)SPPS的空間機(jī)構(gòu)。從空間分析獲得的見解能形容一個(gè)更一般的運(yùn)動學(xué)模型可以用來分析共面基準(zhǔn)軸線和斜交基準(zhǔn)線的兩種情況，以及允許分析影響駕駛兩個(gè)驅(qū)動輪輻車輪差異。 圖14.輪輻車輪驅(qū)動的轉(zhuǎn)向策略? 要驗(yàn)證我們的模型分析和在下一階段項(xiàng)目的概念評估，我們已設(shè)計(jì)并制作了第一個(gè)輪輻車輪驅(qū)動的樣機(jī)（圖15 ）將用于IMPASS。 圖15.輪輻車輪驅(qū)動的樣機(jī) 2.5 兩足運(yùn)動的仿人機(jī)器人 ?DARwIn（動態(tài)擬人機(jī)器人與情報(bào)）是一種仿人機(jī)器人能兩足行走和表演，像人類一樣，它已發(fā)展成一個(gè)為研究機(jī)器人運(yùn)動的研究平臺，同時(shí)也成為弗吉尼亞理工大學(xué)的首次進(jìn)入2007年機(jī)器人世界杯競爭的基礎(chǔ)平臺（圖16，17）。該高600毫米，重4公斤的機(jī)器人有21個(gè)自由度（DOF），每一關(guān)節(jié)通過分布式控制與可控順序的無芯直流電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)對頭部，在軀干上的慣性測量組合，和在腳上的多力傳感器，DARwIn可以在超越障礙時(shí)完成人類一樣的步態(tài)，能夠越過不平坦的復(fù)雜地形，完成復(fù)雜行為，如踢足球。 圖16.運(yùn)動系統(tǒng)圖和DARwIn的CAD模型 ?對這個(gè)項(xiàng)目的持續(xù)研究的目標(biāo)是發(fā)展機(jī)器人平臺，并研究與參加2007年機(jī)器人世界杯比賽相關(guān)的問題，（產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)一個(gè)動態(tài)步態(tài)，使用零力矩點(diǎn)控制，為了智能運(yùn)動規(guī)劃和避障，基于視覺的控制，在不平坦地形下散步，踢足球的復(fù)雜行為等發(fā)展算法和策略）。 圖17. DARwIn：動態(tài)擬人智能機(jī)器人 DARwIn有一個(gè)輕巧的鋁骨骼結(jié)構(gòu)與快速成型塑膠皮膚表面。它的胳膊和腿連接到機(jī)構(gòu)由三自由度動球節(jié)點(diǎn)提供了廣泛的運(yùn)動，與肩和髖關(guān)節(jié)類似。每一關(guān)節(jié)是Maxon的轉(zhuǎn)口貨品中最大芯直流電動機(jī)通過分布式控制與可變原則驅(qū)動。該機(jī)器人有兩個(gè)2100 mAh/7.4v鋁聚合物電池作為其電源， PC104的單板電腦處理，三率陀螺儀，跟蹤機(jī)體的方向和各種傳感器包括一個(gè)視覺接口相機(jī)和腳下八個(gè)力傳感器。目前新版本的DARwIn正在發(fā)展，在弗吉尼亞理工大學(xué)，2007年機(jī)器人世界杯正在設(shè)計(jì)進(jìn)行中，來自機(jī)械工程系和建筑設(shè)計(jì)學(xué)院的研究生和高級本科生相互協(xié)作。 3.結(jié)論 在本文中，我們呈現(xiàn)了5個(gè)獨(dú)特的地面移動機(jī)器人，在RoMeLa的發(fā)展下，在弗吉尼亞理工大學(xué)使用了新型運(yùn)動策略有高度的移動性。作為證明，為發(fā)展這些機(jī)器人使用生物靈感和仿生學(xué)是關(guān)鍵。通過學(xué)習(xí)自然模型，然后模仿或獲取來自這些設(shè)計(jì)和進(jìn)程中的靈感，為移動機(jī)器人在各種環(huán)境中具有獨(dú)特移動性的移動，我們已經(jīng)成功地應(yīng)用和實(shí)施了新方式。 鳴謝 作者想感謝美國國家科學(xué)基金會（No.IIS-0535012）、海軍研究辦公室（No.N00014-05-1-0828）、美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（美國航天局學(xué)院獎學(xué)金項(xiàng)目）以及弗吉尼亞理工大學(xué)辦公室和副總統(tǒng)辦公室負(fù)責(zé)人的研究（ASPIRES），感謝他們對軍隊(duì)的研究和開發(fā)， 感謝工程司令部（RDECOM）為繼續(xù)支持這項(xiàng)工作，通過弗吉尼亞理工大學(xué)聯(lián)合無人操作系統(tǒng)所做的測試、實(shí)驗(yàn)及研究（JOUSTER），并感謝作者的研究生道格拉內(nèi)、馬克英格拉姆、馬克肖瓦爾特、杰里米西斯頓和卡爾米艾克就這些項(xiàng)目所做的工作。 - 13 -