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        機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)的模式探討

        2014-04-29 16:36:37高世鑫
        中國(guó)機(jī)械 2014年20期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械系統(tǒng)

        摘要:機(jī)械人的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直是在整體設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn),一般在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中都會(huì)將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在基礎(chǔ)的分析上,從而對(duì)機(jī)械人的機(jī)械系統(tǒng)有具體的探索,本文針對(duì)機(jī)械人機(jī)械系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)中的兩輪模型進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

        關(guān)鍵詞機(jī)械人;機(jī)械系統(tǒng);并行設(shè)計(jì)

        1.前言

        對(duì)于機(jī)械人而言,柔性設(shè)計(jì)個(gè)剛性設(shè)計(jì)都是在設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn),因此是整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的一部分,同時(shí)作為機(jī)械學(xué)科和電子學(xué)科的交叉學(xué)科在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中有著復(fù)雜化的特點(diǎn)。

        2.機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)一般包括機(jī)身、行走系統(tǒng)、操作臂、末端執(zhí)行器及周邊設(shè)備,這是機(jī)器人的重要組成部分,是機(jī)器人系統(tǒng)在工作中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種功能運(yùn)動(dòng)和操作任務(wù)的被控對(duì)象。它與機(jī)器人控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成一個(gè)緊密聯(lián)系的整體。機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、感知系統(tǒng)及其相關(guān)軟、硬件的復(fù)雜程度。另一方面,就其機(jī)械系統(tǒng)本身而言,由于機(jī)器人要求具有高度的能動(dòng)性和靈活性,能在復(fù)雜條件下滿足各種各樣的工作要求和作業(yè)任務(wù),而這些是傳統(tǒng)機(jī)械裝置不能達(dá)到的。因此,機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)有著本質(zhì)的差別。其機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn):

        (1)復(fù)雜性機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)總的來(lái)看是相當(dāng)于一系列懸臂桿件通過關(guān)節(jié)串連起來(lái)的開式鏈。但由于誤差和變形的累積,使得在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),一方面要保證開鏈結(jié)構(gòu)的能動(dòng)性和靈活性,另一方面又要處理這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)傳遞、誤差補(bǔ)償和消除等問題,使機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得較為復(fù)雜。

        (2)依賴性由于機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成機(jī)器人的一個(gè)緊密體,因此機(jī)械系統(tǒng)的總體方案、結(jié)構(gòu)方案依賴于控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)的方式、方法及手段的確立。

        (3)協(xié)調(diào)性機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的形式、實(shí)現(xiàn)手段等將直接影響到控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度,以及其它系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)、安裝、調(diào)控等,因此,機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須與其它系統(tǒng)進(jìn)行不斷的協(xié)調(diào)才能進(jìn)行。

        3.常見的機(jī)械并行模式

        3.1機(jī)器人設(shè)計(jì)的一般模式

        機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)過程:一是概念設(shè)計(jì),即根據(jù)定義的任務(wù)來(lái)確定機(jī)器人的執(zhí)行要求,包括負(fù)荷、操作對(duì)象、精度、速度等,并進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì);二是初步設(shè)計(jì),包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、傳感器與控制策略的確定、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模塊化;三是詳細(xì)設(shè)計(jì),包括詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)、詳細(xì)電子設(shè)計(jì)和系統(tǒng)綜合。

        對(duì)每一過程的評(píng)價(jià)若不通過,則都將返回到該過程的初始點(diǎn)或上一過程中去再設(shè)計(jì)。這種自上而下的串行設(shè)計(jì)方式不利于機(jī)器人系統(tǒng)的整體優(yōu)化,同時(shí)將使設(shè)計(jì)過程變得漫長(zhǎng)。

        3.2機(jī)械系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)的模式

        所謂并行設(shè)計(jì)就是指在產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)階段即考慮產(chǎn)品生命周期中工藝規(guī)劃、制造、裝配、測(cè)試、維護(hù)等其它環(huán)節(jié)的影響,通過各環(huán)節(jié)的并行集成,以縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低產(chǎn)品成本。

        對(duì)于機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)器人來(lái)說,其本身就是機(jī)械、控制、電子和計(jì)算機(jī)等高技術(shù)的集成,因此,機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)、控制理論與方法、電子電氣和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等學(xué)科相互交叉和滲透的技術(shù)支持。針對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn),運(yùn)用并行設(shè)計(jì)的思想。

        3.3模式分析

        機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的并行設(shè)計(jì)模式主要由方案設(shè)計(jì)、領(lǐng)域技術(shù)分析、綜合與評(píng)價(jià)以及機(jī)械系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)等部分構(gòu)成。不難看出,方案設(shè)計(jì)與領(lǐng)域技術(shù)分析對(duì)應(yīng)于一般意義上的機(jī)械設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)過程,綜合評(píng)價(jià)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于具體設(shè)計(jì)過程。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)涉及到機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、軌跡規(guī)劃、誤差的檢測(cè)辨識(shí)與軟硬件補(bǔ)償技術(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)、振動(dòng)與防治、關(guān)節(jié)柔性等方面的內(nèi)容,因此需要機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(包括傳感、檢測(cè))、電子系統(tǒng)和制造工藝及裝配等方面的技術(shù)支撐,同時(shí),機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)形式也一定程度上決定了上述支撐技術(shù)系統(tǒng)的方式和方法。所以,運(yùn)動(dòng)方案和傳動(dòng)裝置方案的設(shè)計(jì)與各支撐系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)是一種并行設(shè)計(jì)的協(xié)作關(guān)系。這樣才能達(dá)到機(jī)械系統(tǒng)方案與其它系統(tǒng)方案的協(xié)調(diào)、有效、可靠與快捷設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的綜合是對(duì)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)各組成部分的總體協(xié)調(diào),同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。它力求避免方案中各支撐技術(shù)方案的沖突,引導(dǎo)并處理各支撐技術(shù)方案的完善統(tǒng)一,并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案組織具體實(shí)施。

        4.兩輪移動(dòng)式倒立擺機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型

        二級(jí)倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)快速響應(yīng)系統(tǒng),要求執(zhí)行器能根據(jù)控制量變化快速做出動(dòng)作系統(tǒng)主要由車輪車廂擺桿防震輪組成,2個(gè)車輪的軸線在同一直線上,分別由2臺(tái)直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),在車廂的內(nèi)部安裝有蓄電池左右直流力矩電機(jī)編碼器傾角傳感器陀螺儀無(wú)線傳輸模塊等,控制小車的自平衡,測(cè)量左右車輪的旋轉(zhuǎn)角度。系統(tǒng)采用的傳感器包括傾角傳感器陀螺儀編碼器,通過它們可以測(cè)量和計(jì)算出小車的狀態(tài)參數(shù),其中,車體傾角速度分別由傾角傳感器陀螺儀直接測(cè)量,左右車輪旋轉(zhuǎn)角度可由編碼器測(cè)量,通過微分可以計(jì)算左右車輪的角速度,進(jìn)而推算出左右車輪的行駛速度,車體的前進(jìn)速度,小車在地面的旋轉(zhuǎn)角速度。

        輪式機(jī)器人因其具有良好的移動(dòng)性能一直備受關(guān)注,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從理論方面研究了它的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軌跡跟蹤控制方法,并取得了很多成果。

        兩輪式機(jī)器人,同時(shí)也是一個(gè)倒立擺系統(tǒng),對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)需要保持系統(tǒng)的平衡狀態(tài)機(jī)器人跟蹤目標(biāo),首先要由視覺部分作為機(jī)器人的眼睛,完成識(shí)別目標(biāo)的位置速度方向等信息的任務(wù),這些信息是做出正確決策的基礎(chǔ)視覺系統(tǒng)需要圖像采集設(shè)備,包括攝像頭和采集卡等兩輪式移動(dòng)倒立擺機(jī)器人還沒有裝備視覺系統(tǒng),為了檢測(cè)倒立擺機(jī)器人跟蹤能力,模擬了一個(gè)虛擬的跟蹤目標(biāo),PC機(jī)通過無(wú)線模塊不斷將目標(biāo)位置發(fā)送給機(jī)器人,供機(jī)器人決策倒立擺機(jī)器人的位置可以通過自身的傳感器獲取。

        5.結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,在進(jìn)行機(jī)械并行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì),防止,由于設(shè)計(jì)過程中的背不當(dāng)導(dǎo)致了后期機(jī)械人在施工過程中帶來(lái)的諸多問題,發(fā)揮設(shè)計(jì)者的作用。

        參考文獻(xiàn):

        [1]宋昌統(tǒng).兩輪移動(dòng)式倒立擺機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型設(shè)計(jì)[J].鎮(zhèn)江高專學(xué)報(bào)2014(1).

        [2]張葛.基于運(yùn)動(dòng)控制器的微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備.2013(12).

        [3]許真珍,閆志斌,胡志強(qiáng)等.基于B/S模式的AUV協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件

        作者簡(jiǎn)介

        高世鑫(1992.02.16-),本科,邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械系。

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