用于陡峭地形和恶劣环境3D建图的系绳探险机器人（TReX）系统设计

摘要：在移动机器人中使用系绳是一种新方法，可以安全地探索陡峭的地形和恶劣的环境，这些环境被认为对人类来说太危险，超出了标准地面漫游车的能力。但是，在紧张状态下的机动性，自主的系绳管理以及评估环境的方法方面，仍然存在重大挑战。作为解决这些问题的渐进式步骤，本文概述了中心枢轴系绳管理有效负载的设计和测试，该负载使四轮移动机器人能够进入并绘制陡峭的地形。选定的设计允许系绳沿所施加的拉力方向在地面车的质心附近进行附着和被动旋转，提出了拴系式攀爬机器人中的现有设计方法，以进行比较。对我们集成的有效载荷和流动站的测试，系绳探险机器人（TReX）在陡峭的地形上处于张紧状态时显示出完全的旋转自由度，在平坦的系绳管理过程中具有基本的自主权。还讨论了陡峭地形系绳管理的扩展。最后，使用固定在系绳轴上的平面激光雷达来演示在系绳遍历期间的3D建图功能。使用视觉测距法在短距离上构造局部点云图，使用迭代最近点（ICP）算法的变体来重建全局对齐的3D地图。固定在系绳卷轴上的平面激光雷达用于演示在系绳遍历期间的3D映射功能。使用视觉测距法在短距离上构造局部点云图，使用迭代最近点（ICP）算法的变体来重建全局对齐的3D地图。固定在系绳卷轴上的平面激光雷达用于演示在系绳遍历期间的3D映射功能。使用视觉测距法在短距离上构造局部点云图，使用迭代最近点（ICP）算法的变体来重建全局对齐的3D地图。

相关工作

系绳攀爬机器人的原型是Dante II（图2a），这是一种八足步行漫游车，用于穿越火山的内部火山口[15]。但丁二世（Dante II）成功地击退了极端的斜坡并展示了束缚机动的挑战/局限性；在火山口上升期间，但丁二号在坠落方向外旋转时摔倒而受到严重破坏。

陡峭地区的勘探与科学团队机器人（TRESSA）（图2b）是第一个模块化系统，允许连接的地面流动站进入垂直地形[14]。板外管理的双系绳配置可轻松与不同的漫游车集成，并允许在陡峭的地形上进行一些横向运动。但是，多根系绳意味着绕过障碍物导航的难度增加，系绳磨损，并且由于拖动而导致的范围减小（系绳未缠绕在机器人上）。

迄今为止，最有能力的拴系攀爬机器人是Axel II（图2c），这是一种带驱动的拴系脚轮臂的两轮流动车[7]。多个Axel II漫游车可以通过扩展坞链接起来，用作四轮漫游车（即DuAxel），也可以用作冗余基站和攀登漫游车（图2d）。Moonraker和Tetris机器人1（图2e）和VolcanoBot 2（图2f）采用了Axel II的创新配置。

vScout原型（如图2g所示）由安装在Clearpath Husky A200流动站上的绞盘的有效载荷组成。该原型是TReX的前身。尽管系绳未在车上有效管理，但vScout成功地证明了50公斤的商用无人车在陡坡上的机动性。

图2 过去和现在的系绳攀爬车: a) Dante II [2], b) TRESSA [5], c) Axel II and d) DuAxel [7], e) Tetris and Moonraker [3], f ) VolcanoBot II (JPL/CalTech), and g) vScout [13]

系统设计

为了使系绳旋转器在张力下连续旋转，将系绳连接到自由旋转的关节上。绷紧时，系绳的张力与与车辆质量中心相交的虚拟线对齐。机载管理式系绳缠绕在一个驱动线轴上，该线轴安装在防滑转向的Clearpath Husky A200无人车中央的旋转接头上。图3中所示的TReX CAD模型的剖视图说明了线轴在旋转系绳臂上的安装配置，该系绳通过回转轴承机械连接至流动站。三个旋转元件（流动站，系绳臂和线轴）以彩色臂表示轮廓，仅在由电机驱动时才能旋转。悬挂在旋转滑环10厘米腔中的电动机固定在系绳臂上，而其轴则连接到线轴上。为了减少流动站上的扭矩，可手动调节的倾斜臂允许与车辆的质心进行负载平衡。只要有足够的车轮牵引力，该设计就可以使流动站自由旋转而不受施加的张力的影响。

图3 带注释的CAD模型（剖视图）。三个旋转元件包括流动站（绿色），系绳臂（红色）和线轴（蓝色）。仅在电动时才驱动系绳阀芯。主要内部组件均已标记。请注意，系绳臂，激光雷达和流动站轮已被裁剪

图4左：3D建图详情。激光雷达平面由不透明的红色圆盘显示。右图：系绳方向和传感器规格。指示了俯仰，长度和偏航的测量位置。线轴编码器为激光雷达提供旋转测量。

图5提供了建成的系统规格和最终构建的图像。该有效载荷是为Clearpath Husky A200无人地面车量身定制的，因为它已成功在vScout原型中实现。

图5 左：最终系统参数。右：带有主要系统标签的TReX。我们注意到，立体摄像机在移动过程中可能会被束缚臂遮挡。但是，可旋转的系链臂可在压力下使流动站和摄像机重新定位。

图6 Dante II，TRESSA，Axel II和TReX的可操纵性比较（图未按比例绘制） 每行代表系绳机动性的属性：旋转自由度，通过障碍物，攀爬障碍物和覆盖区域（单程）。每列对应于不同的车辆。视图方向按行（例如，顶部和侧面）给出。除TRESSA外，所有车辆均在车上管理系绳。系绳用红色虚线表示，而与障碍物的交互用黄色星号表示。浅蓝色和红色分别表示可行和不可行的旋转/路径。蓝色小箭头指示车辆的前进方向。

实验结果

让我们通过下面的视频来看看实验效果：

点击链接观看视频：https://mp.weixin.qq.com/s/gJKrMkX_69PDO1SlnX5B-w

该视频显示了于2016年6月在加拿大安大略省萨德伯里的一个旧砂石坑进行的现场测试的一些亮点。系绳探险机器人（TReX）旨在通过使用绳索来在陡峭和崎rough的地形上运行，该绳索可以承载部分负荷，提供动力并将数据传输给操作员。我们证明了TReX能够沿着多处悬崖和其他陡峭的地形下降以构建3D模型。 系绳探险机器人（TReX）允许在陡峭的地形和恶劣的环境中进行3D建图，可以用于悬崖探索，大坝安全检查和灾难响应。

论文原文：

McGarey P, Pomerleau F, Barfoot T D. System design of a tethered robotic explorer (TReX) for 3D mapping of steep terrain and harsh environments[C]//Field and Service Robotics. Springer, Cham, 2016: 267-281.