數(shù)控銑床二維精密工作臺(tái)設(shè)計(jì)含12張CAD圖
數(shù)控銑床二維精密工作臺(tái)設(shè)計(jì)含12張CAD圖,數(shù)控,銑床,二維,精密,工作臺(tái),設(shè)計(jì),12,十二,cad
一種低成本的7個(gè)自由度機(jī)器手 Morgan Quigley, Alan Asbeck, and Andrew Ng摘要: 我們提出一種新的低成本彈性機(jī)械手的設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)是獨(dú)一無(wú)二的,其性能達(dá)到所設(shè)想的任務(wù)(無(wú)反沖,重復(fù)性動(dòng)作分辨率為3mm,速度1.5米/秒,2公斤的有效載荷),但比同類(lèi)機(jī)器手顯著降低零部件成本。本文探討了為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)我們?cè)趦r(jià)格和性能的組合設(shè)計(jì)中的決策和作出權(quán)衡。這是一個(gè)新的安全的設(shè)計(jì):近端使用步進(jìn)電機(jī)與一系列彈性連接提供四個(gè)自由度,非彈性連接提供遠(yuǎn)端的三自由度。我們尤其是在人類(lèi)的安全和控制性上對(duì)這個(gè)折衷的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。手臂可用于煎餅的烹飪(澆面糊,翻轉(zhuǎn)煎餅),以及使用機(jī)械手進(jìn)行交互動(dòng)作。1 簡(jiǎn)介許多機(jī)器手是非常昂貴的,這主要是因?yàn)椴捎酶呔茯?qū)動(dòng)器和定制加工的組件。我們建議機(jī)器人操縱研究推進(jìn)應(yīng)更迅速,如果采用合理的性能的設(shè)計(jì)將大大降低了價(jià)格。降低成本可以使機(jī)械手臂被廣泛地采用,反過(guò)來(lái)可以導(dǎo)致一個(gè)更快的進(jìn)步,在許多其他領(lǐng)域也是一樣的。然而,大幅降低成本,將導(dǎo)致設(shè)計(jì)權(quán)衡和妥協(xié)。在機(jī)器手設(shè)計(jì)中有諸多因素需要考慮,例如有效載荷,速度,行程,重復(fù)性,人類(lèi)安全和成本,以上僅是舉幾例。在機(jī)器手的研究,這些方面比其他方面更為重要如:抓取與對(duì)對(duì)象的操作,高重復(fù)性和低反沖。必須有足夠的有效載荷抓取所研究的對(duì)象。當(dāng)然如果在靠近工作人員或者在課堂上使用機(jī)器手,人的安全性是至關(guān)重要的。機(jī)器手技術(shù)研究的某些領(lǐng)域,需要高帶寬,高速操控。然而,在許多研究中速度和帶寬可能不那么重要。例如,在對(duì)象的操作,服務(wù)機(jī)器人,或其他利用復(fù)雜的視覺(jué)處理和對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行大量任務(wù)規(guī)劃,通常需要大量的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際機(jī)器手的方案中,要求這結(jié)果占總?cè)蝿?wù)的時(shí)間百分比盡量的小。此外,在許多實(shí)驗(yàn)室設(shè)置,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)往往故意放緩速度給操作員的時(shí)間來(lái)響應(yīng)意外碰撞或無(wú)意的舉動(dòng)。 在本文中,我們提出一個(gè)機(jī)器手設(shè)計(jì),它具有高端研究機(jī)器人所有的性能,但是大大降低單位成本,僅有4135美元。一個(gè)產(chǎn)品花費(fèi)包括設(shè)計(jì)費(fèi)用、測(cè)試費(fèi)用、包裝和可能的技術(shù)支持的話(huà)費(fèi),所以在研究原型上直接比較成本是很困難的。然而,我們記錄了我們的機(jī)械手的成本,主要是為了與目前的商業(yè)化生產(chǎn)者提供一個(gè)粗略的成本對(duì)比。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用毫米級(jí)的重復(fù)性可以顯著實(shí)現(xiàn)低成本,無(wú)需使用3-D加工工序來(lái)構(gòu)建機(jī)械手。圖1 本文中描述的低成本的柔性機(jī)器人。以下為必須確保的因素,用來(lái)保證手臂操縱研究是有益的:宏觀(guān)工作區(qū)7個(gè)自由度至少有2公斤有效載荷(4.4磅的有效載荷)人類(lèi)安全:符合或容易來(lái)回通行飛行質(zhì)量在4公斤下精度3毫米重復(fù)性至少在1.0米/秒的最大速度零背隙為了滿(mǎn)足這些要求,盡可能降低的成本,我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的ARM設(shè)計(jì)。手臂使用成本低步進(jìn)電機(jī)連接同步帶和使用電纜驅(qū)動(dòng)器,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)無(wú)反沖的性能,減少成本,我們將使用結(jié)構(gòu)緊湊的減速機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)人類(lèi)安全,我們使用一系列彈性的設(shè)計(jì),并通過(guò)使電機(jī)接近地面最大限度地減小了機(jī)械手的飛行質(zhì)量。本文的一個(gè)簡(jiǎn)要概述如下。第二章給出其他機(jī)器人研究中使用的機(jī)器人手概述。第三章為機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)概述,討論了其獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方案的利弊。第四章,討論了一系列符合要求的規(guī)格。第五章、第六章和第七章討論了檢測(cè),性能和控制,第八章討論了機(jī)器人的應(yīng)用關(guān)于手臂煎餅的任務(wù),其次是一個(gè)結(jié)論。2 相關(guān)研究2.1機(jī)器手研究在機(jī)器人研究中已經(jīng)大量使用的機(jī)器手。它們有許多獨(dú)特的功能和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在這一章,我們討論一些最近被廣泛使用有影響力的機(jī)器人手。Barrett WAM2 3被稱(chēng)為電纜驅(qū)動(dòng)機(jī)器人,它具有高速來(lái)回運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),運(yùn)行速度快。它有高速(3米/秒)的操作和重復(fù)性精度高達(dá)2毫米。Meka A2系列彈性機(jī)械手4,用于與人類(lèi)互動(dòng);當(dāng)然定制機(jī)器人系列彈性武器包括COG,domo,Obrero,Twendy-1,和agile ARM 5 6 7 8 9。 Meka機(jī)械手和Twendy使用諧波傳動(dòng)減速器,同時(shí)使用行星齒輪變速箱。domo,Obrero,agile機(jī)械手使用滾珠絲杠。這些機(jī)器手都使用各自不同的機(jī)制的彈性裝置。這些機(jī)械手有較低的控制帶寬(小于5赫茲),但是似乎沒(méi)有出現(xiàn)操縱性問(wèn)題限制其研究使用。斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)了幾個(gè)使用宏微型驅(qū)動(dòng)的方法的機(jī)械手,結(jié)合系列彈性元件與一個(gè)小馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器用來(lái)增加帶寬10 11。PR2的機(jī)器人12 13有一個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng),采用了被動(dòng)的重力補(bǔ)償機(jī)制,使機(jī)械手浮動(dòng)在任何位置。因?yàn)槭直鄣拇蟛糠仲|(zhì)量被機(jī)構(gòu)支持,使用相對(duì)較小的電機(jī)就可以移機(jī)械手和支承有效載荷。這些小型電機(jī)很安全,因?yàn)樗麄兛梢院苋菀讈?lái)回移動(dòng),并且使用低齒輪傳動(dòng)比。DLRLWR 三型機(jī)械手14,Schunk輕型機(jī)械手15,和Robonaut 16全部采用電機(jī)直接安裝在連接處,通過(guò)諧波傳動(dòng)減速器連接,提供零背隙的快速運(yùn)動(dòng)。這些機(jī)械手著更高有效載荷,對(duì)比在本節(jié)中討論的其他機(jī)械手,有效載荷范圍從3-14公斤。他們沒(méi)有過(guò)多的考慮人類(lèi)安全,有比較大的飛行質(zhì)量(DLRLWR 三型機(jī)械手接近14公斤),雖然DLR-LWR III將遠(yuǎn)端力/力矩傳感器合并,但必須使用手臂的高帶寬才能在檢測(cè)到碰撞迅速停止的時(shí)候。在前面討論過(guò)的機(jī)械臂,都是那些市面上都比較昂貴,終端用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)價(jià)格遠(yuǎn)高于100,000美元。然而,有幾個(gè)例子可以用于低成本的機(jī)器手研究。例如Dynamaid機(jī)器人的手臂17和Robotis Dynamixel機(jī)器人伺服系統(tǒng)構(gòu)建輕便小巧。該機(jī)器人具有安全工作區(qū),但有效載荷較低相對(duì)于其他機(jī)械手臂(1公斤)。其總成本至少為3500美元,這僅是Dynamixel舵機(jī)的價(jià)格。庫(kù)卡youBot手臂是一個(gè)新的5自由度機(jī)器人手臂18。它有一個(gè)比較小的工作區(qū),剛好差不多超過(guò)0:5立方米,0.1毫米的可重復(fù)性,有效載荷0.5公斤。它的定制了緊湊的電機(jī)和減速機(jī),售價(jià)為14000歐元。2.2機(jī)器手使用步進(jìn)馬達(dá)許多機(jī)器人手已使用步進(jìn)電機(jī)。Pierrot 和Dombre 19 20討論如何使用步進(jìn)電機(jī)來(lái)制作更加安全的醫(yī)療機(jī)器手,因?yàn)楫?dāng)發(fā)生電子故障事件,步進(jìn)電機(jī)將保持固定,但是傳統(tǒng)的電機(jī)可能會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。此外,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作時(shí)扭矩相對(duì)接近其最大扭矩,與傳統(tǒng)電機(jī)相比獲得更多的扭矩用于電機(jī)連續(xù)運(yùn)行。 ST機(jī)器人提供了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手,它們具有亞毫米重復(fù)性21。然而,這些并沒(méi)有為人類(lèi)安全考慮。所以成本也相對(duì)成本低,例如R17的手臂(5自由度,0.75米工作區(qū),2公斤的有效載荷)的上市為10,950美元。當(dāng)然在20世紀(jì)80年代到90年代存在著幾種其他小,不符合規(guī)定由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人用于教學(xué)的22。例如,的Armdroid機(jī)械臂是5自由度工作區(qū)達(dá)0.6米,它采用同步帶齒輪,采用電纜連接其他機(jī)械手23。3 整體設(shè)計(jì)機(jī)械手采用一個(gè)近似球形的肩膀和腕,肘相連。機(jī)械手采用聯(lián)合限制和拓?fù)湓O(shè)計(jì),它被安裝在工作臺(tái)高度附近來(lái)執(zhí)行操作任務(wù),與此不同的是類(lèi)人型機(jī)械手,它必須從肩部垂下,并要求該手臂到安裝的工作區(qū)有一定距離。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手擁有近180度的工作范圍,允許手臂觸及在地板上的對(duì)象,也可以適應(yīng)在工作臺(tái)的工作。設(shè)計(jì)的機(jī)械手的性質(zhì)和性能所下所示:到手腕的長(zhǎng)度為 1.0米總重量 11.4公斤飛行質(zhì)量 2.0公斤有效載荷 2.0公斤最大速度 1.5米/秒重復(fù)性 3毫米圖2 近端四自由度的驅(qū)動(dòng)方案3.1驅(qū)動(dòng)方案圖2顯示了近端4個(gè)自由度的方案。這些關(guān)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),采用同步帶和電纜線(xiàn)路,其次是一系列的彈性聯(lián)軸器。采用同步帶與電纜線(xiàn)路是為了實(shí)現(xiàn)低摩擦傳動(dòng),最小的黏附,零背隙。這使機(jī)械手有較好的分辨率(小于0.5mm),以及在施加外力下不宜出現(xiàn)損壞。結(jié)合步進(jìn)電機(jī),它具有高扭矩低轉(zhuǎn)速的特點(diǎn),這使制造一個(gè)低成本,較高的性能驅(qū)動(dòng)方案稱(chēng)為可能。但這個(gè)方案的缺點(diǎn)是占據(jù)了比較大的空間,使機(jī)械手近端部分顯得點(diǎn)大。分兩個(gè)階段使用同步帶以及電纜線(xiàn)路不僅是獲得一個(gè)較大減速比相對(duì)于單一的階段,這也使得電機(jī)接近地面。接近地面電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)自由度,肘部和上臂輥電機(jī)關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度。通過(guò)將相對(duì)較重的步進(jìn)電機(jī)安裝于地面,飛行臂的質(zhì)量大打折扣:第二個(gè)關(guān)節(jié),手臂是2.0公斤。相比較,一個(gè)典型的成人人的手臂是3.4公斤左右24。兩階段的減速連接,意味著1和第2關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)2,3,4之間為耦合連接。非常幸運(yùn)的是,這種耦合是完全線(xiàn)性的,并可以很容易地估計(jì)為在軟件中的反饋量。同步帶路線(xiàn)和電纜圖連接如圖3所示。經(jīng)過(guò)同步帶電纜線(xiàn)路,采用系列彈性接頭連接電纜絞盤(pán)和輸出鏈路,這些將在在第四部分討論。這些部分采用力傳感器進(jìn)行內(nèi)部的控制反饋,這個(gè)將在第五章說(shuō)明。 遠(yuǎn)端的三自由度采用Dynamixel的RX-64舵機(jī)控制。這些關(guān)節(jié)沒(méi)有遵循限制的扭矩。然而,在三維笛卡爾坐標(biāo)中,由于近端四自由度遵循限制的扭矩,這將產(chǎn)生末端效應(yīng),只有兩個(gè)維度是相同的。圖33.2使用步進(jìn)電機(jī)的權(quán)衡使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),是因?yàn)槠渚哂性S多優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)擅長(zhǎng)在低轉(zhuǎn)速下提供大扭矩,這也是機(jī)械手的目標(biāo)。這樣只需要一個(gè)降速比較低的齒輪減速裝置,這樣就可以由同步帶和電纜驅(qū)動(dòng)器完成。圖4 用于緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)端的三個(gè)關(guān)節(jié) 本文所討論的機(jī)械手,前四個(gè)關(guān)節(jié)減速比分別為6,10,13和13。相比之下,直流電機(jī),通常需要通過(guò)齒輪箱提供一個(gè)更大的減速比,同時(shí)間隙更大造價(jià)更為昂貴。步進(jìn)電機(jī)作為電磁離合器,當(dāng)有大的力量作用于輸出軸還具有很高的安全性。如果施加力量,扭矩超過(guò)其最大的轉(zhuǎn)矩,步進(jìn)電機(jī)將滑動(dòng),同時(shí)機(jī)械手將移動(dòng)一段距離,直到足以承載輸出端所受扭矩。步進(jìn)保持轉(zhuǎn)矩為最大的移動(dòng)扭矩約60以上(因此機(jī)械手有較大有效載荷),大的保持轉(zhuǎn)矩避免不必要的打滑。但是,步進(jìn)電機(jī)作為一種電磁離合器有一些缺點(diǎn)。首先,如果一個(gè)步進(jìn)電機(jī)發(fā)生滑動(dòng),那么機(jī)械手可能需要重新校準(zhǔn)。機(jī)械手使用角度編碼器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì),所以閉環(huán)位置可以控制后滑,但力傳感將失效(見(jiàn)第五章)。第二,機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)滑后突然移動(dòng)。如果輸出端負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大,后滑發(fā)生后的的步進(jìn)電機(jī)最初提供阻力小,那么機(jī)械手可能與其他物體或人碰撞。添加編碼器步進(jìn)電機(jī)啟用跟蹤轉(zhuǎn)子的位置,能夠更快地停止打滑的電機(jī)。關(guān)于是否采用額外的編碼器是否合理,取決于任務(wù)和關(guān)于意外的高速碰撞的預(yù)期頻率。按照設(shè)想,步進(jìn)電機(jī)滑動(dòng)只是作為最后一層安全性考慮,因此不預(yù)計(jì)這是一個(gè)頻繁運(yùn)作模式。3.3混合sea/no-sea驅(qū)動(dòng)方案建議機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案在近端4個(gè)自由度采用一系列彈性的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(SEA),但遠(yuǎn)端的三自由度采用非彈性系列的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。遠(yuǎn)端的三自由度比近端4個(gè)自由度的帶寬要高,允許有限的高頻動(dòng)作。這是所描述的類(lèi)似25,它采用了宏觀(guān)微型驅(qū)動(dòng)方案提供近端的自由度并采用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器更遠(yuǎn)端自由度。在我們的計(jì)劃中,遠(yuǎn)端三自由度從近端一系列彈性執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到好處,包括調(diào)節(jié)位置來(lái)控制力量的能力。這種方法的缺點(diǎn),一個(gè)完整的系列彈性執(zhí)行機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)端自由度齒輪更受更多沖擊負(fù)載的影響,因?yàn)檎麄€(gè)手臂的質(zhì)量是有可能超過(guò)設(shè)計(jì)的預(yù)期。3.4機(jī)械手慣性和系列彈性剛度系列彈性的機(jī)器手的一個(gè)重要的考量就是臂慣性和系列彈性剛度??紤]一自由度手臂瞬間慣性Ikg.m2由一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)剛度k N.m/radian。機(jī)械手的固有頻率。如果機(jī)械手采用低慣性或彈性聯(lián)軸器,機(jī)械手采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng),可能沒(méi)有足夠的扭矩或帶寬,以彌補(bǔ)這種振蕩。普拉特和威廉姆森建議增加手臂的慣性,以消除這種效應(yīng)26其他選項(xiàng)包括系列彈性聯(lián)軸器阻尼,保持不變;提高帶寬,降低電機(jī)齒輪減速,在成本較低的有效載荷。對(duì)于人類(lèi)安全的機(jī)器人手臂降低慣量,這個(gè)問(wèn)題得以解決的。在我們的機(jī)械手,考慮到關(guān)節(jié),固有頻率f0 = 5.1hz,與K= 86 N.m/radius= 0.083 kgm2。這是符合設(shè)計(jì)對(duì)帶寬的要求以及符合當(dāng)前的使用的齒輪減速電機(jī)。3.5低成本制造用幾種方法實(shí)現(xiàn)了低成本的設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)的總成本是700美元。如下所示:踏步機(jī) $ 700機(jī)器人舵機(jī) $1335電子產(chǎn)品 $ 750硬件 $ 960編碼器 $ 390總額為 $4135另一種是使用具有相同速度/轉(zhuǎn)矩性能的直流有刷電機(jī),并使用行星齒輪減速。雖然他們的價(jià)格更低,但是直流有刷電機(jī)采用廉價(jià)的減速機(jī)性能并不良好,反沖度超過(guò)1度。如果采用高性能減速機(jī)將會(huì)增加成本。例如,一個(gè)零隙諧波傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的成本超過(guò)1000美元,提供足夠的扭矩?zé)o刷行星減速器和0.75度反彈將花費(fèi)500美元。5層膠合板用于現(xiàn)在的原型機(jī)械。這種膠合板生產(chǎn)公差為0.025mm,在激光切割機(jī)(45瓦)取得了優(yōu)異的成績(jī)。木塊銜接,使他們緊密結(jié)合在一起,法蘭軸承和軸也可以安放在這些孔中。如何使這樣的結(jié)構(gòu)適應(yīng)溫度和濕度變化,這種變化是未知的,但在一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,這些都是是相對(duì)恒定的。木材是一種快速的優(yōu)良材料原型,是剛性的,足以滿(mǎn)足重復(fù)性設(shè)計(jì)要求。在今后,我們打算使用折疊鈑金結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固耐用的。這種低成本的機(jī)器手將使用鈑金件,是這個(gè)方向的第一步。折疊金屬件制造精度不算太高,但校準(zhǔn)技術(shù)可以用來(lái)制造誤差的補(bǔ)償。其他技術(shù)來(lái)保持成本低,是為了避免使用定制件。零部件成本如前面所思所示。當(dāng)然還沒(méi)有包括在激光切割機(jī)的時(shí)間和裝配時(shí)間的費(fèi)用;激光切需要2.5小時(shí),整體制作裝配一個(gè)手臂大約需要15個(gè)小時(shí)。4 系列規(guī)格機(jī)器手在近端四個(gè)自由度使用兼容的耦合關(guān)節(jié)。主要是提高安全性,讓手臂步進(jìn)電機(jī)即不能來(lái)回移動(dòng),也可以使用力傳感器進(jìn)行測(cè)量。一個(gè)耦合連接如圖5所示。它主要是用類(lèi)似的彈性聯(lián)軸器來(lái)連接27 2829。在關(guān)節(jié)處,電纜電路(1)通過(guò)軸承輸出連接在輸出軸上(2)。在絞盤(pán)上采用聚氨酯材料的管穿過(guò)。通過(guò)中間有兩個(gè)孔的絞盤(pán),減少中間兩個(gè)板塊連接到輸出鏈路。 每孔含有聚氨酯管(3),這是在絞盤(pán)壓縮板和側(cè)孔之間的輸出鏈路。在圖5(右),絞盤(pán)(4)固定的,有外部力量(F)作用于他。這導(dǎo)致聚氨酯管(5)壓縮,而其他(6)擴(kuò)大。聚氨酯管最初預(yù)壓縮略大約為其最大可能的壓縮一半,他們將在絞盤(pán)上保持壓縮狀態(tài)。圖5。左,符合耦合任何外部作用;右,作用力導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)。圖6 通過(guò)其正常運(yùn)行范圍的70聚氨酯提供一些機(jī)械阻尼,從而使手臂動(dòng)作表現(xiàn)有些滯后,但有助于消除振蕩。當(dāng)然,彈簧也可以使用在這些位置。聚氨酯在連接方向上有4度左右的活動(dòng)范圍,這就要求有幾毫米的間隙。圖6顯示了在肘關(guān)節(jié)的耦合連接時(shí)剛度和滯后的關(guān)系。5 傳感器如前所述,近端四個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)主要是步進(jìn)電機(jī)嵌在底部和連接處。關(guān)于傳感器的一個(gè)關(guān)鍵方面是步進(jìn)電機(jī)內(nèi)在穩(wěn)定性,首先這有一個(gè)假設(shè):步進(jìn)電機(jī)不滑,步進(jìn)電機(jī)可以接受精確的輸入并給出準(zhǔn)確位移,當(dāng)然這需要直接使用光學(xué)編碼器測(cè)量角度。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)元素的偏轉(zhuǎn)的對(duì)比,從而可以衡量的電機(jī)位置和關(guān)節(jié)角度的差異,從而得以判斷。電機(jī)步進(jìn)數(shù)的整合主要由嵌入式微控制器控制。當(dāng)傳感器開(kāi)始上電,從而步進(jìn)電機(jī)作為一個(gè)相對(duì)位置開(kāi)始初始化。關(guān)于對(duì)估計(jì)的位置偏移,使與絕對(duì)聯(lián)合角編碼器比較(索引),機(jī)器人帶動(dòng)指數(shù)脈沖,并保持固定。步進(jìn)計(jì)算時(shí),機(jī)器手是固定的,此時(shí)所有編碼器指數(shù)脈沖可以被視為一個(gè)靜態(tài)偏移,這時(shí)允許力傳感校準(zhǔn),當(dāng)然排除滯后或塑性變形的影響。遠(yuǎn)端三個(gè)自由度采用Robotis Dynamixel,RX - 64舵機(jī),它有一個(gè)內(nèi)部300度的使用范圍。電位器電壓由伺服內(nèi)部采樣。為了簡(jiǎn)化操縱布線(xiàn),步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服系統(tǒng)共用一個(gè)共同的RS-485總線(xiàn)。傳感器采樣和驅(qū)動(dòng)器在100赫茲下工作。在未來(lái),初始靜態(tài)姿態(tài)估計(jì)由加速度計(jì)提供30,使新一代安全軌跡到達(dá)編碼器索引脈沖。6 性能ARM的性能主要通過(guò)幾個(gè)指標(biāo)來(lái)表現(xiàn)。閉環(huán)重復(fù)性,測(cè)試移動(dòng)交替之間的位置誤差和工作區(qū)周?chē)陌藗€(gè)點(diǎn)。如圖7所示,手臂的位置被記錄后,它返回然后在次前往那個(gè)位置,光電跟蹤系統(tǒng)測(cè)量位置的重復(fù)性。 編碼器記錄檢測(cè)0.036度的變化,對(duì)應(yīng)到機(jī)械手上可以檢測(cè)到0.64mm的變化。步進(jìn)電機(jī)可以在控制下實(shí)現(xiàn)末端0.52毫米變化。向下移動(dòng)機(jī)械手,采用有效的齒輪比和較短的距離卡盤(pán)可以使電機(jī)可以完成更精細(xì)的連續(xù)動(dòng)作。有效載荷是衡量慢慢地增加重量直到步進(jìn)滑動(dòng)時(shí)最壞情況。最大速度由系統(tǒng)控制機(jī)械手完全伸出向上移動(dòng)最高速率,同時(shí)觀(guān)察光電跟蹤系統(tǒng)的速度。這些實(shí)驗(yàn)證明最大有效載荷為2.0公斤,最大速度1.5米/秒。由于編碼器的能力,可以進(jìn)行很小的位移,力傳感可以相當(dāng)準(zhǔn)確地完成測(cè)量位移。 圖7可重復(fù)性的測(cè)試結(jié)果在工作區(qū)內(nèi)反復(fù)移動(dòng)機(jī)器人之間的位置和8個(gè)地點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)。此圖顯示了每個(gè)來(lái)回后到終點(diǎn)位置相應(yīng)的位置,由一個(gè)光電跟蹤系統(tǒng)測(cè)量。測(cè)量精度為0.1毫米。7 控制和軟件機(jī)械手的控制使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù):基于空間的PID閉環(huán)控制,使用聯(lián)合編碼。在笛卡爾坐標(biāo)系下的控制使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的OROCOS-KDL庫(kù)31聯(lián)合控制。采用C+進(jìn)行零空間控制數(shù)值計(jì)算,32。一些連接由于重型電機(jī)的位置更接近地面。線(xiàn)性前饋?lái)?xiàng)被添加到關(guān)節(jié)空間控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。在Linux下采用系統(tǒng)集成和可視化機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)33,以紓緩調(diào)試。 ROS的支持熱插拔的軟件模塊,和信息導(dǎo)致設(shè)置同行插入和刪除數(shù)據(jù)連接。因此,這是可以輕松地交換基本控制器,以支持附加功能,例如,改善力傳感或模擬遵守。本文中使用的所有軟件和固件作為BSD許可的開(kāi)源軟件:http:/stanford-ros-pkg.googlecode.com以下展示機(jī)器人的能力,執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù),我們創(chuàng)建了一個(gè)低成本的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)34中描述的類(lèi)似。結(jié)構(gòu)緊湊,采用價(jià)格低廉的USB設(shè)備還使用MEMS慣性傳感器和磁力計(jì)貼。圖8 每個(gè)機(jī)器人執(zhí)行器的主要類(lèi)型的反應(yīng)。8 應(yīng)用要探索現(xiàn)實(shí)世界中使用的可行性機(jī)械手,我們創(chuàng)建了一個(gè)演示應(yīng)用程序來(lái)烹飪煎餅。為了實(shí)現(xiàn)這一功能,機(jī)械手遠(yuǎn)端與材料連接的組成鍋鏟和勺子。機(jī)器手通過(guò)軌跡移動(dòng),挖出一勺煎餅面糊,倒入兩個(gè)煎餅,翻轉(zhuǎn)他們,并最終沉積在板(圖11)。關(guān)鍵位置信息將被記錄。機(jī)械手遵循必要的操作特性以簡(jiǎn)化必要的編程:為了獲得可靠的自主完成任務(wù),聯(lián)合線(xiàn)性空間插值移動(dòng)設(shè)定與控制是必要的,在本文提供的視頻顯示。在刮操作過(guò)程中,鍋鏟和燒烤表面保持接觸,憑借與遵守鍋鏟相結(jié)合的一系列彈性的關(guān)節(jié)。當(dāng)然這只是一個(gè)結(jié)果,既不是高帶寬的控制,也不需要為了避免末端效應(yīng)采用準(zhǔn)確的力/力矩傳感器 。圖9 遙控機(jī)器人的軀干采用低成本的MEMS慣性傳感器圖10 通過(guò)遙玩國(guó)際象棋圖11。示范任務(wù):煎餅(見(jiàn)視頻)9結(jié)論與展望9.1結(jié)論我們已經(jīng)提出了一個(gè)低成本的機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)的操縱研究。我們準(zhǔn)備工作空間、同步帶、一個(gè)零背隙由電纜驅(qū)動(dòng)電路減速機(jī)。在電機(jī)的選擇上,我們用步進(jìn)電機(jī),因?yàn)樗麄兙哂械娃D(zhuǎn)速高扭矩,沒(méi)有使用無(wú)刷或有刷交流電機(jī)。機(jī)器人設(shè)想的目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境在典型的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的交互在家中或工作場(chǎng)所。在這個(gè)在設(shè)計(jì)中被權(quán)衡,其中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮遵守內(nèi)在的機(jī)械安全。本設(shè)計(jì)對(duì)所描述的成本控制權(quán)衡作出了很大努力,采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造,我們建議可以通過(guò)機(jī)器人的速度上控制,這將對(duì)典型的家庭和工作場(chǎng)所有很大的影響。9.2今后的工作我們打算繼續(xù)將簡(jiǎn)化機(jī)制引入,以實(shí)現(xiàn)低成本的目標(biāo)生產(chǎn)合理的高性能機(jī)器人。我們打算繼續(xù)探索低成本的制造技術(shù)功能部件,并期待許多采用更多用低成本金屬技術(shù),允許快速裝配和維修方便,以及減輕重量和增加剛度。REFERENCES1 C. Christensen, The innovators dilemma: when new technologies cause great firms to fail. Harvard Business Press, 1997.2 B. Rooks, “The harmonious robot,” Industrial Robot: An International Journal, vol. 33, no. 2, pp. 125130, 2006.3 Barrett Technology, Inc., “WAM Arm,” 2010. Online. Available:http:/www.barrett.com/robot/products-arm-specifications.htm4 Meka Robotics, “A2 compliant arm,” 2009. Online. Available:http:/www.mekabot.com/arm.html5 R. Brooks, C. Breazeal, M. Marjanovic, B. Scassellati, and M. Williamson, “The Cog project: Building a humanoid robot,” Computation for metaphors, analogy, and agents, pp. 5287, 1999.6 A. Edsinger-Gonzales and J. Weber, “Domo: A force sensing humanoid robot for manipulation research,” in 2004 4th IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robots, 2004, pp. 273291.7 E. Torres-Jara, “Obrero: A platform for sensitive manipulation,” in 2005 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, 2005, pp. 327332.8 H. Iwata, S. Kobashi, T. Aono, and S. Sugano, “Design of anthropomorphic 4-dof tactile interaction manipulator with passive joints,” Intelligent Robots and Systems, 2005 (IROS 2005), pp. 1785 1790, Aug. 2005.9 J. Pratt, B. Krupp, and C. Morse, “Series elastic actuators for high fidelity force control,” Industrial Robot: An International Journal, vol. 29, no. 3, pp. 234241, 2002.10 M. Zinn, B. Roth, O. Khatib, and J. Salisbury, “A new actuation approach for human friendly robot design,” The international journal of robotics research, vol. 23, no. 4-5, p. 379, 2004.11 D. Shin, I. Sardellitti, and O. Khatib, “A hybrid actuation approach for human-friendly robot design,” in IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA 2008), Pasadena, USA, 2008, pp. 17411746.12 K. Wyrobek, E. Berger, H. der Loos, and J. Salisbury, “Towards a personal robotics development platform: Rationale and design of an intrinsically safe personal robot,” in Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 2008, pp. 21652170.13 Willow Garage, “PR2,” 2010. Online. Available: http:/www.willowgarage.com/pages/pr2/specs14 G. Hirzinger, N. Sporer, A. Albu-Schaffer, M. Hahnle, R. Krenn, A. Pascucci, and M. Schedl, “DLRs torque-controlled light weight robot III- Are we reaching the technological limits now?” in Proceedings- IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 2, 2002, pp. 17101716.15 Schunk, “7-DOF LWA Manipulator,” 2010. Online.Available: http:/www.schunk-modular-robotics.com/left-navigation/service-robotics/components/manipulators.html16 R. Ambrose, H. Aldridge, R. Askew, R. Burridge, W. Bluethmann, M. Diftler, C. Lovchik, D. Magruder, and F. Rehnmark, “Robonaut: NASAs space humanoid,” IEEE Intelligent Systems and Their Applications, vol. 15, no. 4, pp. 5763, 2000.17 J. Stuckler, M. Schreiber, and S. Behnke, “Dynamaid, an anthropomorphic robot for research on domestic service applications,” in Proc. of the 4th European Conference on Mobile Robots (ECMR), 2009.18 KUKA, “youbot arm,” 2010. Online. Available: http:/www. kuka-youbot.com19 F. Pierrot, E. Dombre, E. Degoulange, L. Urbain, P. Caron, S. Boudet, J. Gariepy, and J. Megnien, “Hippocrate: a safe robot arm for medical applications with force feedback,” Medical Image Analysis, vol. 3, no. 3, pp. 285300, 1999.20 E. Dombre, G. Duchemin, P. Poignet, and F. Pierrot, “Dermarob: a safe robot for reconstructive surgery,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 19, no. 5, pp. 876884, 2003.21 S. Robotics, “R17 5-axis robot arm,” 2010. Online. Available:http:/www.strobotics.com/22 , “The Old Robots Web Site,” 2010. Online. Available: http:/www.theoldrobots.com/robot-robot.html23 Colne Robotics, “Armdroid,” 1981. Online. Available: http:/www.senster.com/alex zivanovic/armdroid/index.htm24 R. Chandler, C. Clauser, J. McConville, H. Reynolds, and J. Young, Investigation of inertial properties of the human body. NTIS, National Technical Information Service, 1975.25 M. Zinn, O. Khatib, B. Roth, and J. Salisbury, “Playing it safe: A new actuation concept for human-friendly robot design,” IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 11, no. 2, pp. 1221, 2004.26 G. Pratt and M. Williamson, “Series elastic actuators,” in Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS-95), vol. 1, 1995, pp. 399406.27 A. Kumpf, “Explorations in low-cost compliant robotics,” Masters thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2007.28 Y. Bar-Cohen and C. Breazeal, Biologically inspired intelligent robots. Society of Photo Optical, 2003.29 N. Tsagarakis, M. Laffranchi, B. Vanderborght, and D. Caldwell, “A compact soft actuator unit for small scale human friendly robots,” in IEEE International Conference on Robotics and Automation Conference (ICRA), 2009, pp. 43564362.30 M. Quigley, R. Brewer, S. Soundararaj, V. Pradeep, Q. Le, and A. Ng, “Low-cost Accelerometers for Robotic Manipulator Perception.”31 H. Bruyninckx, “Open Robot Control Software: the OROCOS Project,” in IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2001, pp. 25232528.32 G. Guennebaud, B. Jacob, et al., “Eigen v3,” http:/eigen.tuxfamily.org, 2010.33 M. Quigley, B. Gerkey, K. Conley, J. Faust, T. Foote, J. Leibs, E. Berger, R. Wheeler, and A. Ng, “ROS: an open-source Robot Operating System,” in Open-source Software Workshop of the International Conference on Robotics and Automation, 2009.34 N. Miller, O. Jenkins, M. Kallmann, and M. Mataric, “Motion capture from inertial sensing for untethered humanoid teleoperation,” in 2004 4th IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robots, 2004, pp. 547565.
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