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1、基于倾角测量的链式履带移动机器人的接触点检测外文文献翻译中英文翻译外文翻译外文资料翻译翻译资料名称(外文)Contact points detection for tracked mobile robots using inclination of track chains 翻译资料名称(中文)基于倾角测量的链式履带移动机器人接 触点检测 院 （系）： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 李保坤 学 号： 04111220 指导教师： 林晓辉 完成日期： 2015年3月6日 Proceedings of the 2008 IEEE/ASMEInternational Con

2、ference on Advanced Intelligent MechatronicsJuly 2-5, 2008, Xian, China基于倾角测量的链式履带移动机器人的接触点检测Daisuke Inoue, Masashi Konyo, Kazunori Ohno and Satoshi Tadokoro摘要履带式移动机器人可以根据周围环境改变自身形式，在通过崎岖地形时具有很高的机动性和稳定性。然而，对于操作手而言，熟练的远程操控机器人是较困难的。解决问题的途径之一就是组建一个自主控制系统，履带和路面之间分布式接触点检测装置让自主控制得以实现。在这篇文章中，作者提出了一种在履带式车辆上

3、使用的分布接触传感器。如果要将接触传感器应用于每条履带，就必须解决由链轮连续转动而导致的电线连接问题。于是，我们提出了一种方法，利用光学方法检测履带倾角，从而得到接触点。利用上述方法，我们设计并评估了一种特殊的光反射传感器。作者设计了一种履带车辆接触检测方法，并且在车辆爬楼梯的动作时进行了检验。关键词：搜索救援机器人；履带移动机器人；分布式接触传感器；履带倾角；视角过滤器一、绪言救援机器人已经被研究用于在自然或人为灾害环境中搜索受害者，具有安全和快速的特点。许多种类的可变履带机器人被设计出来用于救援：摆臂履带式机器人123、可变履带机器人45、多连接（蛇形机器人）678。其中，可变履带机器人在

4、复杂环境中具有很高的机动性和稳定性。“Ali-BaBa”是我们用于研究的机器人之一（图1）。Ali-baba有两个主履带和四个摆臂履带分别位于车身前后。通过熟练的摆动摆臂的姿态可以平稳的实现爬楼梯动作。 复杂环境中可变机器人的高机动性要归功于它们的多自由度。为了同时实现高机动性和简便的操作，我们开发了一个半自主系统来远程操控可变履带机器人。在这个系统中，操作者只需指出机器人的移动方向，而摆臂的摆动则是由自主系统根据反射传感器测量值控制9，而这种方法对于未知环境和可变环境非常有效。很多种类的传感器被用来测量机器人和履带橡胶的有关信息：机器人的姿态、角速度、电机速度和力矩、接触点、接触压力、地形等

5、等。尤其重要的是，接触点的测量是所有信息中至关重要的一个，它直接关系到复杂环境中机器人的安全行走，因为它与机器人稳定性息息相关并能避免翻覆。文中，作者提出了一种履带机器人接触点检测的新方法。检测方法的重要组成部分是测量履带块的倾角。图2 给出了两种路况中履带块的例子。（a）显示的为在斜坡上，（b）显示的是在台阶上（图中圆圈)。在前一种情况下，履带块在链轮压力下倾斜。后一种情况为履带块与台阶接触产生倾斜。这些例子说明了利用履带块倾角检测接触点的可能性。已经有一些利用接触压力或位移的接触检测，对于利用倾角的情况还没有任何研究。 现已有一些关于倾角的检测方法，但都有一个共同的问题就是电线的连接。比如

6、，如果每个履带块都安装一个陀螺仪，电线将会沿着履带拧成一圈。即使使用无线，也是比较难以实现的，因为它存在一些限制条件：安装空间、电力、通信速率。通过非接触的方法测量倾角解决了电线的问题。为了实现上述方法，可以使用不同的方法：光传感器、电磁感应、超声波、激光等等。在本文中，为了减小系统规模，使用了光传感器。 本文的要点如下：第一段描述轮式和履带式车辆接触测量的相关工作；第二段介绍测量倾角前的相关工作；第三段介绍了搭建原则和履带车辆上传感器的摆放结构；第四段对倾角检测传感器进行评估；第五段是关于外界干扰的校正方法说明；第六段为台阶上实验结果及其讨论；最后在第七段进行总结。二、相关工作 有两种关于轮

7、式和履带式的接触检测方法：1、间接的接触信息测量；2、个别点的分布接触测量。 第一种方法和人体深层感觉相类似：它采用电动机的转矩或者压力材料。车轮的滑移是根据电机的电流确定11，同时摆臂与地面的接触点也是根据电机电流确定9。 第二种方法和人体皮肤表面感觉相类似：传感器被放置于接触点附近。这种方法的问题是电线和传感器的耐用性。目前，在履带车辆接触点方面的研究还比较少。我们也在开发一种使用红外测距传感器检测接触点的轻压轮胎12。如果采用这种方法的履带块，那么接触点将不能被检测出，因为在链轮和悬架接触附近没有产生位移的物体。另一方面，倾角测量方法的优势是检测可以任意地方的接触点。分 三、分布式光检测

8、传感的履带车辆A、 倾角测量反射传感器的结构图3显示了光倾角传感器的概念。从图中我们可以看出Ali-baba的履带块、红外传感器框架和红外光的反射示意图。为了更好的实现倾角的测量，我们需要一种反射器，其需具有如下特点：反射强度与反射倾角紧密相关反射强度不受反射器和接收装置之间距离的变化而变化。作者开发了一种具有上述特点的“倾角反射（IS）传感器”10。该传感器有一个反射镜的角度过滤层。视角过滤器有很多小的缝隙，这可根据倾角减小渗透光的强度，通常被用于终端显示设备的隐秘保护。反射器的表面有许多微型珠，射线沿着光源方向反射。由于有光线过滤器的存在，IS反射器不会反射某一特定角度上的光线。另一方面，

9、光线直接由IR传感器发射。所以，我们使用IR传感器和IS反射器测量倾角。图4是本文中使用的IS反射器的机构图。反射器具有直径70m玻璃珠，型号为#9301，由Ref-lite公司制造。视角过滤器型号为PF12EN，有3M公司制造，材料为聚酯，拥有30deg的视角，厚度为0.5mm。B、 传感器系统的结构图5为我们用于做测量倾角实验的履带。牵引装置有三个链轮，他们的外圆直径为84mm，中心距为101.6mm。履带块的规格见表1 。履带块有一个直径为10mm的半圆筒。相邻履带块之间的距离为25.4mm。履带块的具体尺寸为宽60mm20mm20.75，IS反射器的尺寸为宽20mm、深30mm。可能的

10、倾角变化为20deg。距离为19mm-28mm。我们提出的传感器的结构如图5的右图和图6所示，传感器被安放于履带块上方。安排间隔和相邻履带块之间的距离相等为P=25.4mm。传感器的安排数量为1-9如图5所示。红外传感器有LED和光探测器组成，它们被安排在与图5相垂直的方向上。LED串联而成，光探测器平行放置。LED和光探测器的具体参数见表2 。它们在小的反射尺寸上的光斑具有更高的方向性。LED的半锥角为20deg，光探测器的为12deg 。LED为四门子制造的SFH487 ，正向电流为40mA。光探测器是西门子制造的SFH309FA，其额定电压是5V，负载电阻是10K。为了减小环境光的影响，

11、它们都是用了日光过滤器。C、 偏移角红外传感器IS反射器的特性关于其法向量对称。为了简便的得到倾角，IR传感器与反射器之间定义了一个偏移角，如图6所示。当设定比最大倾角大时，倾角可以被测出。为了测出履带块的倾角，被定义为20deg（见表一）。另一种方法是利用两种IR传感器之间的差别测量。这种方法仍然与测量距离无关，但需要双倍数量的传感器。这对于一个分布式的传感器系统是不可取的。D、履带块之间的非反射膜为了减小来自地面反射的影响，非反射膜被应用在了履带块之间。非反射膜需要具有高度灵活性和弹性。经过先期各种材料的实验，我们最终选择了Nichiban公司生产的灵活性较好的黑胶带。四、倾角传感器的特性

12、A、实验装置和条件 关于IS反射器的实验装置如图7所示。IR传感器被定义在XYZ坐标轴上，d为反射器和光源之间的距离，为反射器的倾角。IR传感器和反射器的尺寸及特性在前面已经介绍过了。B、位移的影响假设IS反射器的反射强度不受位移影响。然而，实际情况并非如此，这导致了测量误差和传感器的分辨率较差。我们检验了位移的对于传感器输出电压U的影响，结果如图8所示。X轴表示距离d，Y轴表示光探测器的输出电压U，该电压与光的反射强度有关。由此，可以标记为不同的倾角。如图所示，所有线条均水平。在这种情况下，倾角的测量需要传感器具有更高的分辨率。表1显示了履带的位移范围（d=19-28mm），对于任何，图形几

13、乎都是水平的，位移d的变化较大。因此，在这个范围内，倾角传感器具有更好的性能。C、倾角传感器的功能确定当d的范围在18-30mm范围内时，关于倾角的输出电压已经测量。实验结果见图9。从图中可知，当=-20deg时，电压U达到最大值为1280mv。倾角越大，输出电压U越小。当为10deg时，输出电压为0V。当 =-14deg时，输出电压变化最大为214mV。为了使用反射镜作为倾角传感器，输出电压U和倾角的关系公式如下：（1）（i=1-9）是每个IR传感器的输出电压。为+=0deg时的电压。其中为偏移角，被设定为20deg。下式f为倾角的函数关系： （2）这个函数没有实际用途，但可以计算反函数和很

14、好的拟合观测值。其中m为衰减指数。参数f是由图9的数据确定。为最大电压1280mV，此时=0deg、d=22mm。m由最小二乘法确定：依据列文伯格-马夸尔特算法将位移d导致的输出电压变化错误。实验结果见图9。因此，m=54.0并决定系数R2=0.81。D、测量误差评估为了能根据计算出倾角，式1的反函数如下： （3）本节评估了测量误差。使用传感器输出电压建立的衰减指数和式（3）可以计算倾角。误差即为测量值与真实值之差。结果见图10。当小于20deg时，倾角的分辨率小于4deg。结果显示当d=22mm时倾角的误差最小（图10中用标记）。随着变大，误差沿着负轴变大。最大的误差是当=40deg时，为-

15、14deg。因此，传感器不能精确测量，但可以大致得到倾角。通过使用视角，倾角误差可以得到减小。这将在另一文中作详细介绍。五、校正脏的反射镜和非反射膜非反射膜能中断测量，因为传感器的输出是随着了履带旋转无接触变化的。为了解决这个问题，测量更正如下：履带无接触旋转时测量的电压为初始值。根据式（1）可知随着光斑位置变化。旋转编码器安装在链轮的中心轴上，用来测量光斑和行驶距离。编码器旋转一圈输出50脉冲，可以以1.27mm分辨率测量光斑。假定=0在漂移，从式（4）及（1）得到： （4）（）为每个传感器（i=1-9）的输出值。（）对应于每对IR传感器和反射镜都有不同的值，并纠正了每个反射镜（根据个体差异

16、、污垢、非反射膜的影响）和IR传感器（个体差异、安装位置、偏移角度）的误差。倾角的更正如图11所示。水平轴表示编码器得到的行走位移。位移与光斑的位置相一致。纵轴表示了履带块的倾角，由i=3的传感器的输出建立。上面得红点是更正之前的倾角，蓝点则是更正之后的倾角。这是测量的履带在浮动（非接触）状态下的情况。更正前的平均倾角为4.8deg，其标准差为0.93deg。更正后的平均倾角为-0.02deg，标准差为0.32deg。比较发现，倾角的平均值和标准差接近于0，所以更正方法起到了效果。六、接触点检测的验证实验我们进行了接触点检测和评估的基本实验。有各种各样的情况，例如：履带与一个崎岖路面的边缘接触

17、；履带在台阶上行走；进入一个沟渠。这些情况下，接触压力在台阶和沟渠等与履带接触的地方较大（见图2右）。另一方面，链轮下方履带块的倾斜也与路面倾斜有关。以上讨论在履带块的倾角与摩擦有关，也和其它履带块的接触地点有关。所以路面存在摩擦力的基础上履带块倾角是均布。实验是当履带在台阶上行走时进行时测量倾角的。A、实验条件台阶的高度为50mm。通过外接电源线提供动力，运动以每秒30帧的速度记录为视频。视频数据和传感器数据是同步触发的，镜头和履带的距离大约为0.5m。B、接触点检测方法用更正后的倾角检测接触点的方法考虑到了传感器的噪声。图11所示，履带块的倾角小于2.5deg。因此，当倾角为2.5deg或

18、再大点，并且履带位于台阶之上的情况已经被检测过。C、实验结果及讨论1）、平面行走：根据传感器的输出所得到的倾角的分布情况见图13。坐标轴与图11相同。每个传感器的测量值放置在与车辆相垂直的方向上。传感器的编号及其摆放位置如图5所示。传感器编号为i=1的为行驶方向的正向，i=9时为后侧。图13所示，当i=4.5的传感器上可以看到先前的倾角，传感器在25.4mm的范围内倾斜。然而，2.5deg范围之外的角度将不会观察到。2）、台阶上行走：在台阶上行走时，摄像机记录了过程以便测量履带块的倾角如图12。由传感器测得的倾角分布见图14.坐标轴与图13相同。从图14可知，倾角在2.5deg范围外，从i=5

19、到i=8可以观察到（圆圈标记）。视频显示，在X=114mm处的履带块有一个大的倾角，该履带块（i=6）与台阶接触，见图12。此外，在X轴的其他点，通过视频可证实台阶处的接触位置所对应的传感器的倾角大于2.5deg。因此，倾角是与台阶的接触引起的。当在与行驶相反的方向上出现大于2.5deg的倾角，即为与台阶的接触点结果显示可以检测出台阶与履带的接触点。 七、总结和工作展望 本文提出了一种分布式的履带车辆接触传感器。为了实现检测功能，我们选择并评估了光倾角检测传感器。通过编码器对传感器的测量值进行修正，并使用了传感器对行驶中的履带块的倾角进行了测量。因此，通过使用传感器对履带和台阶的 接触点的位置

20、的判断得到了评估。倾角传感器需要进一步改善。需要将我们的传感器装在可变履带机器人上进行接触点检测实验。崎岖路面上，姿态、摆角的可以结合传感器得到的数据进行控制，并且传感器的实用性需要得到证实。参考文献1 T.W.Koehler et al.:”Typenbuch der Manipulatoren, verlag karl thiemich,” Munchen, pp.570-580,1981.2 M.Devresse and L.Costa:” general concept of a remote multipurpose vehicle for nuclear applications,

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26、ion and Odometry Correction for Mobile Robots and Planetary Rovers,”IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, Vol.11, No.2, 2006-04.12 Lauria M.,Piguet Y., Siegwart R.:”Octopus-An Autonomous Wheeled Climbing Robot,” The 5th Int. Conf. on Climbing and Walking Robots, 2002.13 Contact points detection fo

27、r tracked mobile robots using inclination of track chainsDaisuke Inoue, Masashi Konyo, Kazunori Ohno and Satoshi TadokoroAbstractA tracked mobile robot has high mobility and stability to get over rough terrain by changing its form according to environments. However, it is hard for an operator to con

28、trol the mechanism skillfully by remote control. One of the solutions of the problem is an implementation of an autonomous control system. A detection of distributed contact points between the crawlers and an environment enable the autonomous control. In this paper, the authors propose a distributed

29、 contact sensor for tracked vehicle. In order to apply touch sensors to each track shoe, a problem of electric wirings has to be solved because the crawler is rotating continuously. In our proposed method, Contact points are detected by measuring inclination if track shoes optically. For optical sen

30、sing of the inclination, a special reflector is designed and evaluated. The authors developed a method for distributed contact sensing of tracked vehicle, and examined whether the sensor can detect contact point during the step climbing motion.Index TermsSearch and Rescue Robots, Tracked Mobile Robo

31、ts, Distributed touch Sensor, Inclination of Track Chains, View Angle Filter. IntroductionRescue robots have been developed to search for victims safely and quickly in natural and man-made disaster areas. Especially, many types of a variable crawler robot are developed for rescue activities: a crawler robot having flipper crawler 123, a crawler robot that can change its crawler shape45, and multi-connected crawler(snake-like robot)678. The variable crawler robot has high mobility and good