展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì),展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì),展館,導(dǎo)游,機(jī)器人,輪式,行走,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 外文資料翻譯 學(xué)院 (系)： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 外文出處：Proceedings of the American Control Conference Seattle Washington June 1995 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語： 譯文的意思基本正確，語句較通順。專業(yè)性術(shù)語的翻譯也較為得當(dāng)。譯文的數(shù)量已達(dá)到學(xué)校規(guī)定的要求。這說明該生具有較強(qiáng)的科技文獻(xiàn)的閱讀理解與翻譯能力。 簽名： 2011年 3 月 11 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 有效控制的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng) J.M. Lee’, M.C. Lee2, K. Son2,D.S. Ah3, S.H. Han4, and M.H. Lee2 摘要 一個(gè)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人控制的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)局部機(jī)器人之間的動(dòng)力耦合，即：一個(gè)作業(yè)機(jī)器人和一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人。移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人是一種由兩個(gè)機(jī)器人串行聯(lián)接形成的冗余機(jī)器人，這樣可以使機(jī)器人在工作區(qū)內(nèi)沒有任何限制，適用于多任務(wù)的執(zhí)行。當(dāng)位移和靜應(yīng)力被明確的描述時(shí)，耦合過程就可以被啟動(dòng)。在本文中，我們證明了一個(gè)冗余機(jī)器人在兩個(gè)獨(dú)立控制器的合作下，實(shí)現(xiàn)共同作業(yè)的控制系統(tǒng)的性能。通過使用兩個(gè)獨(dú)立的控制器，我們可以實(shí)現(xiàn)高速，高精度的末端機(jī)器人作業(yè)指派。作業(yè)分配的一個(gè)典型例子是：快速和粗略的位移，主要分配給移動(dòng)機(jī)器人，而緩慢和準(zhǔn)確位移，主要分配給作業(yè)機(jī)器人。利用獨(dú)立控制器分配作業(yè)和控制每一個(gè)局部機(jī)器人，解耦兩個(gè)機(jī)器人的動(dòng)力，形成由兩個(gè)機(jī)器人串行聯(lián)接的冗余機(jī)械手，是一個(gè)高性能模擬機(jī)器人設(shè)計(jì)/控制的方法。 1 簡介 ?一個(gè)傳統(tǒng)的機(jī)械手有6個(gè)關(guān)節(jié)，可以提供在一個(gè)固定基面上的六個(gè)自由度的位移。有了這6個(gè)自由度的機(jī)械手，終端裝置就可以在自己的工作空間被定為于任何位置/方向上。然而，實(shí)際上有一些幾何約束，即奇點(diǎn)和/或障礙回避，這可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手不能夠完成既定任務(wù)或可能導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行速度非常緩慢。特別是，當(dāng)某個(gè)給定任務(wù)，通過奇異回避的軌跡時(shí)，在位置控制上誤差會(huì)變大。關(guān)節(jié)力矩需要很大，這同時(shí)也導(dǎo)致了控制的不穩(wěn)定。為了克服這些種類的限制，冗余機(jī)械手被很多研究人員引用[3,4]。在設(shè)計(jì)冗余度機(jī)器人時(shí)，有很多因素需要被添加到幾何約束：1、在被引導(dǎo)位移時(shí)，機(jī)械手可能接觸未知的環(huán)境。 2、機(jī)械手必須執(zhí)行多種多樣的任務(wù)。 3、機(jī)械手在執(zhí)行任務(wù)時(shí)必須保持高的精度和速度感。 4、機(jī)械手應(yīng)該很容易被操控和維修。這些類型的冗余度機(jī)械手還可以被改造成各種各樣的機(jī)械手，例如：通過在傳統(tǒng)的機(jī)械手上增加一個(gè)關(guān)節(jié)（可以是柱狀或旋轉(zhuǎn)接頭）或并聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu) [11]，例如：史都華平臺(tái)。 最近，運(yùn)動(dòng)基座機(jī)器人取代了固定基座機(jī)器人，吸引了更多人的興趣。因?yàn)檫@些種類的機(jī)器人相比固定基座機(jī)器人很多優(yōu)勢。首先，動(dòng)基座機(jī)器人的工作空間不受限制，甚至連底座也可以隨意移動(dòng)。同時(shí)，由于基座的運(yùn)動(dòng)，奇點(diǎn)也可以被避免。然而，在這些優(yōu)勢的背后，我們要付出額外的工作，就是控制機(jī)器人的機(jī)座。即：當(dāng)我們使用靠機(jī)座機(jī)器人輔助的移動(dòng)機(jī)器人時(shí)，我們把用來完成任務(wù)的高級機(jī)器人稱作“作業(yè)機(jī)器人”，把用來移動(dòng)機(jī)座的低級機(jī)器人稱作“移動(dòng)機(jī)器人”。這兩個(gè)局部機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)，是控制移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。關(guān)于移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的概念有很多[1,6]。兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)器人通過一系列的連接形成冗余機(jī)器人，而這一系列的連接是冗余機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)新的考驗(yàn)。這樣可以節(jié)省大量設(shè)計(jì)冗余機(jī)器人的成本。另外，我們也可以為確定類型的容易任務(wù)更改作業(yè)機(jī)器人。在本文中，我們將向你展示移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)程序，并最終證明移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的性能。 2、運(yùn)動(dòng)學(xué)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人 ?? 現(xiàn)一個(gè)共同的作業(yè)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該在一個(gè)共同的框架內(nèi)加以分析和控制，因?yàn)榻?jīng)過一系列連接連接起來的移動(dòng)機(jī)器人和作業(yè)機(jī)器人都有自己單獨(dú)的控制器。圖1展示了由本研究開發(fā)的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。 圖1 由兩個(gè)獨(dú)立機(jī)器人連接而成的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng) 圖2 顯示的連接框架被分配到移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，并且有一個(gè)地面框架被分配給地面。 圖2 移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的連接框架 正如圖2所示，此移動(dòng)機(jī)器人可以被看作是一個(gè)3 維運(yùn)動(dòng)機(jī)器人（X，Y和Z方向直線運(yùn)動(dòng)）。盡管每個(gè)關(guān)節(jié)都有其自己的控制器，X-Y平面的運(yùn)動(dòng)是由左右兩個(gè)輪子在X-Y平面的運(yùn)動(dòng)控制的 ，這是一個(gè)封閉的不完整系統(tǒng)，無法獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)平衡。相反，每個(gè)車輪的關(guān)節(jié)角度在地面框架中的位置變化，可以用下面的方程來約束。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 其中r為車輪的半徑。 我們在移動(dòng)機(jī)器人的末端平板中指定一個(gè)框架{1}來作為作業(yè)機(jī)器人的基座。從框架{1}到地面框架的位移矢量，=[PX PY PZ] T，將以一種復(fù)雜的形式被表示為關(guān)節(jié)變量，、、。我們不在這里處理這些問題，因?yàn)檫@些內(nèi)容在參考文獻(xiàn)[10]已被完整分析。 我們使用了傳統(tǒng)的5軸機(jī)械手（型號(hào)：專業(yè)型臂RS2200），作為我們的作業(yè)機(jī)器人。表1中列出了各個(gè)軸的連接限制。在表中，個(gè)別關(guān)節(jié)限制顯示在最后一欄。 Joint a d Joint Limts 1 0 0 16cm -120° < <120° 2 90° 20cm 0 -18° < <126° 3 0 15cm 0 -100° < <-10° 4 0 0 0 -90° < <90° 5 90° 0 9cm -720° < <720° 表1 迪納維特-哈坦伯格參數(shù)和作業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)限制 在表中，正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以計(jì)算出來。也就是說，在笛卡爾坐標(biāo)系中的一點(diǎn)，=[P x ，P y ， P z ，α ，β ，γ ]T，可以表示為關(guān)節(jié)變量函數(shù)， = [θ1 ，θ2 ，θ3 ，θ4 ，θ5] T。一般表示為 （4） 矢量的方向可以表示成基于歐拉角度的[α ，β ，γ] ［5］。從方程（4）中，我們也可以得到一個(gè)函列式矩陣。 3.移動(dòng)機(jī)器人和作業(yè)機(jī)器人的解耦. 移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的末端受動(dòng)器位移可以由兩個(gè)局部機(jī)器人的位移相加而得到： （5） 式中的 是移動(dòng)機(jī)器人在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的位移，是雅可比函列式矩陣, 是作業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)速度。作業(yè)機(jī)器人的位移可以由和 單獨(dú)得到。如何協(xié)調(diào)兩個(gè)局部機(jī)器人去完成一個(gè)共同的任務(wù)是一個(gè)長期問題。下面列舉了三個(gè)協(xié)調(diào)的方法: 1. 讓移動(dòng)機(jī)器人和作業(yè)機(jī)器人不間斷的執(zhí)行一個(gè)作業(yè)。 2. 利用移動(dòng)機(jī)器人的定位讓作業(yè)機(jī)器人更好的執(zhí)行作業(yè)。3. 以一個(gè)適當(dāng)?shù)淖藙莨潭ㄗ鳂I(yè)機(jī)器人，而任務(wù)留給移動(dòng)機(jī)器人來執(zhí)行。任務(wù)的分配在（3）中被相對較好的描述。通過任務(wù)分配，作業(yè)機(jī)器人的基座運(yùn)動(dòng)軌道就被確定了。 這個(gè)任務(wù)的描述圖表在公式[3]中已被相對較好的描述。作業(yè)機(jī)器人的基座運(yùn)動(dòng)軌跡被確定。 為了獲得作業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力，可以用遞歸的牛頓-歐拉方法, 把這個(gè)預(yù)設(shè)的速度 ( 作業(yè)機(jī)器人基座的加速度可以被直接熱拔插)代入作業(yè)機(jī)器人第一個(gè)關(guān)節(jié)的速度衍生方程。 ( 6 ) ( 7 ) 式中的是指定給移動(dòng)機(jī)器人的任務(wù)，是移動(dòng)機(jī)器人末端平板到作業(yè)機(jī)器人第一關(guān)節(jié)處的位置矢量，是模型從框架{1}到框架 {0}的旋轉(zhuǎn)量。 為了獲得移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，反應(yīng)力可以從前面確定的作業(yè)機(jī)器人基座的運(yùn)動(dòng)軌跡方程中直接得到。如下所示： (8) (9) (10) 式中的是作業(yè)機(jī)器人在第一關(guān)節(jié)處的六個(gè)自由度的合力，移動(dòng)機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)所需求的扭矩。 因此，雖然我們是結(jié)合兩個(gè)局部機(jī)器人來形成一個(gè)冗余機(jī)器人，我們也能對這個(gè)冗余機(jī)器人實(shí)行高速控制，正如在我們的計(jì)劃中，用動(dòng)力學(xué)解耦兩個(gè)局部機(jī)器人的控制器。 4。移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的組成 該控制系統(tǒng)具有層次結(jié)構(gòu)：1、主控制器支配兩個(gè)局部機(jī)器人的高級別的進(jìn)程例如，軌跡規(guī)劃，障礙回避和協(xié)調(diào)（任務(wù)分配）兩個(gè)機(jī)器人。2、移動(dòng)作業(yè)機(jī)器系統(tǒng)的層次控制如圖3所示。 圖3 移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的層次 主控制器（IBM - PC）計(jì)算關(guān)節(jié)角度（使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程），從而確定移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人的每一個(gè)關(guān)節(jié)末端受動(dòng)器需要的位置或方向，并將結(jié)果發(fā)送給每一個(gè)關(guān)節(jié)控制器。注意，移動(dòng)機(jī)器人的末端平板也是作業(yè)機(jī)器人的基座。作業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)限制和作業(yè)執(zhí)行性能由主控制器監(jiān)控，必要時(shí)協(xié)調(diào)它與移動(dòng)機(jī)器人之間的連接。考慮到關(guān)節(jié)控制器的執(zhí)行能力，在前面提到的幾種情況下，主控制器也執(zhí)行一些給定的軌跡規(guī)劃。為了響應(yīng)瞬時(shí)速度命令，關(guān)節(jié)角度的變化值最終會(huì)被發(fā)送到關(guān)節(jié)控制器。 由于作業(yè)機(jī)器人是靠一個(gè)控制單元中的五個(gè)步進(jìn)電機(jī)激活，主控制器通過雙向數(shù)據(jù)總線將到作業(yè)臨界點(diǎn)所需的步數(shù)發(fā)送給作業(yè)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人由三個(gè)控制X,Y,Z方向直線運(yùn)動(dòng)的直流伺服電機(jī)組成。每一個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都是通過實(shí)時(shí)調(diào)度算法由主控制器在每一個(gè)毫秒周期通過雙向數(shù)據(jù)總線傳輸過來的軌道速度值控制。由解碼器讀取的關(guān)節(jié)角度值被發(fā)送回主控制器以監(jiān)測移動(dòng)機(jī)器人的控制性能，也可以在軌道偏差的基礎(chǔ)上修改作業(yè)軌道。因此，主控制器為整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)控制循環(huán)。 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)由四個(gè)主要部分組成：控制箱單元、機(jī)械機(jī)器人、接口單元和主控制器。圖4以框圖的形式闡述了移動(dòng)機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)。 圖4 移動(dòng)模擬機(jī)器人學(xué)框圖 驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)部分組成：1、兩個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右輪在X-Y平面各自獲得的位移。2、一個(gè)電機(jī)通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置控制Z軸方向的直線運(yùn)動(dòng)。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人力學(xué)的詳細(xì)分析已經(jīng)在參考文獻(xiàn)[10]給出。三個(gè)關(guān)節(jié)控制器中的每一個(gè)都被合成為一個(gè)單獨(dú)模塊，再被嵌入到為關(guān)節(jié)控制器連接而設(shè)計(jì)的主電路板，然后和具有高擴(kuò)展性的IBM-PC總線連接[6-9]。 正如圖4所示，每個(gè)電動(dòng)機(jī)都配有一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，增量解碼器用來讀取每個(gè)電動(dòng)機(jī)的關(guān)節(jié)角度。關(guān)節(jié)控制器分享總線接口，使得數(shù)據(jù)可以在主控制器和關(guān)節(jié)控制器之間交流。作為這些部件的附加部分，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力單元和數(shù)字電路也是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的組成部分。