機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)-汽車(chē)變速箱蓋的工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)（通過(guò)答辯全套含CAD圖紙+三維建模）
機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)-汽車(chē)變速箱蓋的工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)（通過(guò)答辯全套含CAD圖紙+三維建模）,機(jī)械,畢業(yè)設(shè)計(jì),汽車(chē),變速箱,工藝,規(guī)程,夾具,設(shè)計(jì),通過(guò),答辯,全套,cad,圖紙,三維,建模
哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
五自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)主要介紹關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的一些知識(shí)和原理，包括工業(yè)機(jī)器人的組成、分類(lèi)、主要技術(shù)性能參數(shù)和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析。本設(shè)計(jì)的總體內(nèi)容是根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳移動(dòng)方式；設(shè)計(jì)一個(gè)五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂，確定五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動(dòng)關(guān)系，并通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算為各部位選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；確定五自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案以及為所設(shè)計(jì)的五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行Pro/E建模。本論文作者在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)的要求，并參考通用型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座組成，同時(shí)用Pro/E對(duì)其進(jìn)行了三維建模，可用于搜索、抓取水下管件、纜線(xiàn)等細(xì)長(zhǎng)物體，也可用于抓取其它形狀的物體，具有一定的通用性。機(jī)器人能自動(dòng)控制，多功能，有五個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞 五自由度；工業(yè)機(jī)器人；三維建模
60
The Design Of Five Degrees Of Freedom Of Rbotic Arm
Abstract
This design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical performance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existing mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves; design a joint manipulator of five degrees, to determine five degrees of freedom of an industrial robot main technical parameters and transmission relations and through various parts of the dynamic calculation of industrial robots to choosing the right drive motor; identified the computer control system programs of the design of five degrees of freedom of industrial robots, as well as build a Pro / E model of the design of five degrees of freedom of industrial robots. The authors in reference to large number of documents on the basis,combination of design requirements, and with reference to the structure of general-purpose robot for five degrees of freedom industrial robot design and design the computer control system. The robotic arm of this article is designed mainly by gripper, wrist, forearm, arm and base composition, while using the Pro / E computer program be a three-dimensional modeling,the robotic arm can be used to search for, capture pipe fittings underwater, cables, and other fine or long objects, it can also be other shapes objects for gripping, a certain versatility. Robot can automatically control, multi-functional, there are five degrees of freedom,it can be fixed or moving, for the related automation systems.
Keywords Five degrees of freedom；Industrial robot；3D modelling
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成 2
1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi) 2
1.4 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù) 3
1.5 課題的總體內(nèi)容 4
1.6 本章小結(jié) 4
第2章 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1 五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù) 5
2.2 五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 5
2.3 五自由度工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算 6
2.4 本章小結(jié) 15
第3章 機(jī)械臂的Pro/E建模 16
3.1 創(chuàng)建零件 16
3.2 裝配 18
3.3 制作裝配動(dòng)畫(huà) 19
3.4 本章小結(jié) 21
結(jié)論 22
致謝 23
參考文獻(xiàn) 24
附錄A 25
附錄B 29
第1章 緒論
1.1 課題背景
機(jī)器人工程是近二十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。
目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類(lèi)也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人作如下定義[1]：
工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)線(xiàn)和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。
工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。
工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到高級(jí)逐步完善，它的發(fā)展過(guò)程可分為三代：
第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線(xiàn)編程，即通過(guò)示教存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。
第二代機(jī)器人是帶感覺(jué)的機(jī)器人。它具有尋力覺(jué)、觸覺(jué)、視覺(jué)等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980年開(kāi)始進(jìn)入了實(shí)用階段，現(xiàn)在已開(kāi)始普及應(yīng)用。
第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺(jué)、視覺(jué)等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周?chē)沫h(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用[2]。
1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成
機(jī)械加工中使用的機(jī)器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的程序、軌跡和要求進(jìn)行工作。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)組成。
1. 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)等。
(1) 手部：又稱(chēng)手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。
(2) 腕部：又稱(chēng)手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。
(3) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，并把它傳遞到預(yù)定的位置。
(4) 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。
2. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。
3. 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
4. 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求[3]。
1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)
工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)方法很多，這里主要以工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、控制功能、編程方式、控制機(jī)構(gòu)、坐標(biāo)形式、自由度數(shù)以及抓取重量的不同進(jìn)行分類(lèi)。
1. 按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)和電動(dòng)。
2. 按控制功能分為重復(fù)型和智能型。
重復(fù)型機(jī)器人能夠按照事前編制的程序重復(fù)自動(dòng)的工作。目前，機(jī)械加工系統(tǒng)中應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人幾乎都是這種。
智能型機(jī)器人除具有重復(fù)型的功能外，還具有視覺(jué)、觸覺(jué)、識(shí)別和判斷功能等。
3. 按編程方式分為可編程序式和示教再現(xiàn)式。
4. 按控制方式分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。
點(diǎn)位控制是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，只控制空間點(diǎn)的位置，而不控制由一個(gè)定位點(diǎn)到另一個(gè)定位點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡。
連續(xù)軌跡控制是指能控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間任意曲線(xiàn)。
5. 按控制機(jī)構(gòu)分為開(kāi)關(guān)型和佩服型。
開(kāi)關(guān)型機(jī)器人是通過(guò)機(jī)械擋塊、行程開(kāi)關(guān)等電器觸頭的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，得到位置信號(hào)，從而控制運(yùn)動(dòng)部件定位。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只能用于點(diǎn)位控制，難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
佩服型機(jī)器人是根據(jù)連續(xù)輸入指令，經(jīng)過(guò)信號(hào)擴(kuò)大，由佩服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制運(yùn)動(dòng)。通常采用位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件的位置和姿態(tài)變化，以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件的準(zhǔn)確定位。這種機(jī)器人可獲得良好的運(yùn)動(dòng)特性，定位精度高，不僅適于點(diǎn)位控制，而且適于連續(xù)軌跡控制。
6. 按坐標(biāo)形式分為直角坐標(biāo)式機(jī)器人、極坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和多關(guān)節(jié)式機(jī)器人。
7. 按自由度數(shù)分，機(jī)器人的自由度數(shù)越多，能用性就越廣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般4到6個(gè)自由度即能滿(mǎn)足稍復(fù)雜的使用要求了。
8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。
大型機(jī)器人的抓取重量為100kg以上；中型機(jī)器人的抓取重量為10～100kg；小型機(jī)器人的抓取重量為1～10kg；微型機(jī)器人的抓取重量為1kg以下[4]。
1.4 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)
工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是說(shuō)明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下：
1. 抓取重量：
抓取重量是用來(lái)表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項(xiàng)主要參數(shù)。這項(xiàng)參數(shù)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。
2. 抓取工件的極限尺寸：
抓取工件的極限尺寸是用來(lái)表明機(jī)器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。
3. 坐標(biāo)形式和自由度：
說(shuō)明機(jī)器人機(jī)身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。
4. 運(yùn)動(dòng)行程范圍：
指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線(xiàn)移動(dòng)距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)量。根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。
5. 運(yùn)動(dòng)速度：
是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的最大直線(xiàn)移動(dòng)速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180o/s，一般為50o/s。
6. 定位精度和重復(fù)定位精度：
定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。
1.5 課題的總體內(nèi)容
1.根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳移動(dòng)方式。
2.設(shè)計(jì)一個(gè)五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。確定五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動(dòng)關(guān)系，并通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算為各部位選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
3.確定五自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案。
4.為所設(shè)計(jì)的五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行Pro/E建模。
1.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了本設(shè)計(jì)的課題背景，工業(yè)機(jī)器人的組成、分類(lèi)和主要技術(shù)性能參數(shù)以及本設(shè)計(jì)的總體內(nèi)容。
第2章 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)
1. 自由度數(shù)：N＝5
2. 抓取重量：P＝250N
3. 手臂伸縮：L＝500mm，v=0.5m/s
4. 手臂俯仰：β＝±45o，ωβ＝30o/s
5. 手臂回轉(zhuǎn)：α＝220o，ωα＝30o/s
6. 手腕擺動(dòng)：γ＝±90o，ωγ＝60o/s
7. 手腕回轉(zhuǎn)：ε＝300o，ωε＝120o/s
2.2 五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
以KUKA IR-662/100型機(jī)器人為參照，具有五個(gè)自由度，有六個(gè)控制軸，采用直流伺服控制。圖紙A1-04為其傳動(dòng)原理圖：
1. 主要技術(shù)參數(shù)
表2-1 技術(shù)參數(shù)
項(xiàng)目
技術(shù)參數(shù)
結(jié)構(gòu)型式
空間多關(guān)節(jié)式
自由度數(shù)
5個(gè)
驅(qū)動(dòng)方式
直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)
腕部最大重量(抓取重量)
250N
操作方式
示教再現(xiàn)/脫線(xiàn)編程
(1) 采用空間多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，工作范圍比其它結(jié)構(gòu)形式要大；
(2) Ⅰ軸控制機(jī)器人腰座旋轉(zhuǎn)，伺服電動(dòng)機(jī)軸上的小齒輪旋動(dòng)腰部軸承帶輪齒的內(nèi)環(huán)完成運(yùn)動(dòng)；Ⅱ軸、Ⅲ軸分別控制大小臂的運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)是通過(guò)滾珠絲杠螺母副來(lái)完成，傳動(dòng)剛度高；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ軸控制腕部運(yùn)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)(Ⅵ軸除外)齒形帶輪、齒形帶輪副、諧波減速器等來(lái)完成腕部運(yùn)動(dòng)；
(3) 對(duì)影響精度的主要傳動(dòng)部分均采用錐滾子軸承，向心推力球軸承；
(4) 腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)比分配采用先小后大的原則，諧波減速器放在最末一級(jí)，減少傳動(dòng)零件的尺寸和重量；
(5) 對(duì)細(xì)長(zhǎng)管軸，大量采用焊接工藝，以減少機(jī)械加工量，降低成本；
(6) 對(duì)大質(zhì)量零件均采用鋁材，如腕部全部采用高強(qiáng)度鑄鋁材料，從而大大減輕整機(jī)重量[5]。
表2-2 傳動(dòng)關(guān)系
軸號(hào)
傳動(dòng)級(jí)數(shù)
第一級(jí)
第二級(jí)
第三級(jí)
第四級(jí)
第五級(jí)
Ⅰ
2
諧波減速器(i1)
齒輪副(Z1/Z2)
_
_
_
Ⅱ
1
滾珠絲杠螺母副
_
_
_
_
Ⅲ
1
滾珠絲杠螺母副
_
_
_
_
Ⅳ
5
同步帶(Z3/Z4)
齒輪副(Z11/Z12)
同步帶(Z13/Z14)
齒輪副(Z15/Z16)
蝸輪蝸桿(Z17/Z18)
Ⅴ
3
同步帶(Z5/Z6)
齒輪副(Z9/Z10)
諧波減速器(i3)
_
_
Ⅵ
2
同步帶(Z7/Z8)
諧波減速器(i2)
_
_
_
2. 平衡系統(tǒng)
由于自重、承重較大，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動(dòng)機(jī)組件、齒形帶輪等大質(zhì)量零部件布置在與腕部相對(duì)的另一端。在此質(zhì)量靜平衡的基礎(chǔ)上，機(jī)器人還配置氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，用兩組平衡氣缸分別對(duì)大臂、小臂進(jìn)行平衡。通過(guò)改變氣缸壓力來(lái)補(bǔ)償負(fù)荷變化對(duì)平衡的影響。氣動(dòng)平衡系統(tǒng)除氣包外均放置在機(jī)器人外部。
2.3 五自由度工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算
1. 手部夾緊力的計(jì)算
N ≥ 9.8 k1 k2 k3G ( N ) (2-1)
G —— 抓取工件的重量（kg）
k1 —— 安全系數(shù)，取1.2~2.0
k2 —— 工作狀況系數(shù)，可按k2=1+計(jì)算
a為機(jī)器人托運(yùn)工件過(guò)程中的加速度的絕對(duì)值。
k3 —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選擇，這里選k3=1.03
所以：
N≥9.8 k1 k2 k3 G
=2501.21.21.03＝370.8 ( N )
2. 手指驅(qū)動(dòng)力
P＝ (2-2)
＝＝1991.7（N）
蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率η1＝0.97
銷(xiāo)的傳動(dòng)效率η2＝0.9
總傳動(dòng)效率η＝η1η2＝0.970.9＝0.873
實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 P實(shí)＝＝＝2281.4（N）
圖2-2 手指?jìng)鲃?dòng)示意圖
3. 手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
手指夾開(kāi)的速度為60o/s，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為29：1
(1) 考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動(dòng)，精度8c GB10089-88，蝸桿用35CrMo，表面淬火，硬度為45-85HRC，表面粗糙度Ra≤1.6 um，蝸輪輪緣選用ZCaSn10P1金屬鑄造。
(2) 傳動(dòng)比
i==
參考表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷 表35.5-5，取Z1=1，Z2=iZ1=29
查表35.5-6選取
a=40,i=29,m=2
d1=22.4,Z1=1,Z2=29
蝸輪分度圓直徑：d2=mZ2=2×29=58
導(dǎo)程角r=arctan (2-3)
=arctan=5.1o
蝸桿轉(zhuǎn)矩：
P1＝P實(shí)tgγ (2-4)
＝2281.4tg5.1o＝203.6 N
T＝＝＝2.28N·m
圖2-3 蝸桿轉(zhuǎn)矩受力分析
蝸桿轉(zhuǎn)速v1＝60o/s=1740o/s＝290 r/min＝30.35 rad/s
電動(dòng)機(jī)功率：
Pm≈（1.5 ~ 2.5）
MLP—— 負(fù)載峰值力矩（N·m）
ΩLP —— 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s）
η —— 傳動(dòng)裝置的效率，取0.7~0.9
∴Pm＝2 (2-5)
而MLP＝T，ΩLP＝v1，η＝0.8
Pm＝2＝173 W
所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè)》電機(jī)篇表13－15選伺服電機(jī)型號(hào)為：110SZ52,185W,1500r/min，220V
選取同步帶的傳動(dòng)比為=1.875
齒輪副的傳動(dòng)比為=1.5
同步帶的傳動(dòng)比為=1
齒輪副的傳動(dòng)比為==1.84
4. 腕擺電機(jī)的選擇
腕擺轉(zhuǎn)速ωγ＝60o/s＝10 r/min
估計(jì)腕重為50kg
總重G＝(50+25.5)g
＝75.59.8＝739.9 N
F＝＝8.7N
F實(shí)＝＝＝10.88N
η—諧波效率
T＝T實(shí)
＝10.88＝282.88N·mm＝0.28N·mm
圖2-4 腕擺力矩分析示意圖
腕擺ΩLP＝1085＝850r/min＝88.97rad/s
Pm＝2＝2＝62.28W
(MLP＝T，ΩLP＝v1，η＝0.8)
所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè)》電機(jī)篇表13－15選伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)：90SZ52，1500 r/min，80W，220V
選取齒輪副的傳動(dòng)比為=1
諧波減速器i3的傳動(dòng)比為i3=80
同步帶的傳動(dòng)比為==1.875
5. 手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇：
手腕回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ωε＝120o/s＝20 r/min
回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：Mc＝Mga+Mf
Mga — 啟動(dòng)（制動(dòng)）的過(guò)程中的慣性力矩
Mga＝J0
w—手臂回轉(zhuǎn)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，就是工作角速度，w＝w (rad/s)
t — 啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間( s )
J0 — 手部、腕部、臂部、機(jī)身及工件等回轉(zhuǎn)部件對(duì)機(jī)身回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2 )
Mf — 密封裝置處的摩擦阻力矩(N·m)
Mf＝ (2-6)
η —效率，取η＝0.85～0.9
J0=
＝＝0.096kg·m2
Mga＝J0
＝0.096＝0.672N·m
Mc＝Mga+Mf (2-7)
＝Mga+＝0.672+＝1.42N·m
ΩLP＝20r/min＝136.5rad/s
Pm＝2
＝2＝484.6 w
所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè)》電機(jī)篇表13－15選取伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)：130SZ04，3000r/min，600W，200V
選取諧波減速器i3的傳動(dòng)比為i2=80
同步帶的傳動(dòng)比為==1.875
6. 手臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇：
回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：ωα＝30o/s＝5 r/min
選取諧波減速器i1的傳動(dòng)比為i2=80
漸開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪，模數(shù)(法面模數(shù))m=1.5
齒數(shù)Z1=40，Z2=150
圖2-5 手臂回轉(zhuǎn)示意圖
F摩擦＝G·f＝550gf＝5509.80.1＝539N
r =＝＝＝30
MLP＝F摩擦 ·r
＝＝16.17N·m
ΩLP＝5 r/min
＝0.52 rad/s＝1.95rad/s
Pm＝2
＝2＝78.8w
所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè)》電機(jī)篇表13－15選伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)：90SZ52，1500 r/min，80W，220V
電機(jī)轉(zhuǎn)速為n電=ωαi1 (2-8)
= 580=1500r/min符合要求
7. 同步帶設(shè)計(jì)：(P=300W,n=3000 r/min)
Pc=KA·P=1.6600＝960W=0.96kW
參考表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，第四卷表33.1-50取載荷修正KA=1.6
選取L型，節(jié)距Pb＝9.525mm，Zmin＝16
查表得：
小帶輪齒數(shù)：Z1＝17
小帶輪節(jié)徑：d1===51.54mm
小帶輪外徑：查得d01＝50.78 mm
大帶輪齒數(shù)：Z2=iZ1=1.87517=31.875，取Z2＝32
大帶輪節(jié)徑：d2===97.02 mm
大帶輪外徑：查得d02＝96.26mm,
初定中心矩a0=110mm
選同步帶長(zhǎng)及齒數(shù)：
LP0＝2a0++
＝2110++＝457.94mm
查表33.1-47：選LP＝476.25 mm，Zb＝50，代號(hào)：187
理論中心距 a≈a0 +
＝110＋＝119.2mm
故，選取中心距a0=120mm
小帶嚙合齒數(shù)：Zn ≈ (2-9)
＝＝7.43＞Znmin＝6
基本額定功率：
查表33.1-53得Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm
帶速v===4.05m/s
P0===0.99Kw
所需帶寬bs
bs=bs0
由表33.1-52 查得，L型帶bs0=25.4mm,Kz=1
bs=25.4=24.72mm
由表33.1-48查得，選帶寬代號(hào)為100的L型帶，bs=25.4mm
查表選雙邊擋圈，bf=26.7mm,t=1.5mm
帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸：
傳動(dòng)選用的同步帶為187L100
小帶輪：Z1=17，d1=51.54mm
da1=50.78mm
大帶輪：：Z2=32，d2=97.02mm
da2=96.26mm
圖2-6 雙邊擋圈示意圖
8. 大臂驅(qū)動(dòng)絲桿的設(shè)計(jì)
估算：等效載荷Fm=1000N,絲桿有效行程270mm,等效轉(zhuǎn)速nm=1500r/min,要求使用壽命Lh =15000h左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級(jí)精度。
(1) 計(jì)算載荷
Fc= (2-10)
查《機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè)》上冊(cè)，表15-21得
=1.1，=1.0，=1.61，=1
Fc=
=1.11.01.6111000=1771N
=
= =19559N
(2) 選擇滾珠絲桿副的型號(hào)
主要尺寸為：
按=19559N，查表15-24，選用FF3206-5列
=32mm,=6mm,=4mm,d=30.9mm
≤27 mm,=24000N ,=1880N
螺旋導(dǎo)程角γ= arctan=arctan=3o25′1″
螺桿不長(zhǎng)，無(wú)需驗(yàn)算穩(wěn)定性。
(3) 剛度驗(yàn)算
按最不利情況考慮，即在螺距(導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為：
=+ (2-11)
式中T1=··tan(γ+)
=1000tan(+)=996N·mm
磨擦系數(shù)f=0.025,當(dāng)量磨擦角=，
剪切彈性模量G=8.33N/mm2
所以：=+=0.0107μm
其中，危險(xiǎn)截面=28.45，E=2.06
每米螺桿長(zhǎng)度上的螺矩的彈性變形
==1.78/m<()p=15/m
因?yàn)闈L球絲桿精度要求為3級(jí)精度，由表15-8查得
()p=15/m
(4) 計(jì)算效率
η===0.960=96%
9. 絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須滿(mǎn)足絲桿的等效轉(zhuǎn)速1500 r/min,選擇電機(jī)型號(hào)為：130SZ01，2.26N·m，1500r/min，350W
10. 小臂絲桿和電機(jī)的選擇
設(shè)計(jì)原理與要求和大臂絲桿及電機(jī)相同，絲桿型號(hào)為：FF3206-5列，電機(jī)型號(hào)為：130SZ01[6]
2.4 本章小結(jié)
本章內(nèi)容主要確定了五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)，對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并完成了五自由度工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算。
第3章 機(jī)械臂的Pro/E建模
Pro/ENGINEER是世界上擁有用戶(hù)最多的三維CAD軟件，由美國(guó)PTC公司出品，其軟件產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)了MDA（Mechanical Design Automation）軟件的新發(fā)展，Pro/ENGINEER是一套又設(shè)計(jì)至生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能。
Pro/ENGINEER其強(qiáng)大完美的功能，使其在工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、工程圖的輸出甚至加工成產(chǎn)品等各個(gè)方面都有所應(yīng)用[11]。
三維建模的過(guò)程大致如下圖3-1：
圖3-1 建模過(guò)程
3.1 創(chuàng)建零件
1.運(yùn)行Pro/E程序。
2.單擊“新建”按鈕（圖3-2），在“新建”對(duì)話(huà)框中的“類(lèi)型”單選框中選取“零件”,在“名稱(chēng)”一欄出輸入零件名稱(chēng)，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，單擊“確定”(圖3-3)。選擇“mmns_part_solid”,然后單擊“確定”（圖3-4）。
圖3-2 文件 圖3-3 新建
圖3-4 新文件選項(xiàng)
3.單擊“拉伸”按鈕，點(diǎn)選“放置”→“定義”（圖3-5）,選擇FRONT面，單擊“草繪”（圖3-6）,進(jìn)入草繪平面。
圖3-5 草繪選項(xiàng) 圖3-6 放置
4.單擊“創(chuàng)建圓”按鈕，在草繪平面內(nèi)分別畫(huà)2個(gè)圓（圖3-7），單擊“確認(rèn)”按鈕。
圖3-7 草繪圖
5.在“深度值”處輸入3（圖3-8），單擊“確認(rèn)”。
圖3-8 設(shè)置深度值
6.保存文件，完成建模。
3.2 裝配
1.運(yùn)行Pro/E程序。
2.單擊“新建”按鈕（圖3-2），在“新建”對(duì)話(huà)框中的“類(lèi)型”單選框中選取“組件”,在“名稱(chēng)”一欄出輸入零件名稱(chēng)，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，單擊“確定”(圖3-3)。選擇“mmns_asm_design”,然后單擊“確定”（圖3-9）。
3.單擊“將元件添加到組件”按鈕，選擇零件。
4．單擊“放置”,選擇“缺省”（圖3-10），確定。
圖3-9 新文件選項(xiàng)
圖3-10 放置定義
5．重復(fù)第3步，添加零件。
6．使用約束將第2個(gè)零件裝配到第一個(gè)零件上。
7．重復(fù)第3步與第6步，將所有零件都裝配在一起。
8．保存文件，完成裝配。
3.3 制作裝配動(dòng)畫(huà)
1.運(yùn)行Pro/E程序，打開(kāi)已經(jīng)裝配好的文件。
2.選擇“應(yīng)用程序”下的“動(dòng)畫(huà)”，進(jìn)入動(dòng)畫(huà)制作界面。
3.單擊“主體定義”按鈕，選擇“每個(gè)主體一個(gè)零件”（圖3-11）
圖3-11 創(chuàng)建主體
4.單擊“創(chuàng)建新關(guān)鍵幀序列”按鈕，在單擊“編輯或創(chuàng)建快照”（圖3-12），用“主體拖動(dòng)”對(duì)個(gè)別零件進(jìn)行移動(dòng)。然后點(diǎn)擊拍照按鈕，重復(fù)移動(dòng)和拍照（圖3-13）。
5.單擊“啟動(dòng)動(dòng)畫(huà)” ，運(yùn)行動(dòng)畫(huà)。
6．單擊“回放” ，選擇“捕捉”→“確定”,動(dòng)畫(huà)被保存到組件所在的目錄下，完成。
圖3-12 關(guān)鍵幀 圖3-13 拖動(dòng)
圖3-14機(jī)械臂裝配圖
3.4 本章小結(jié)
建立了機(jī)械手的三維模型，對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究，分析了運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)關(guān)系，完成了機(jī)械手抓取不同目標(biāo)物時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真；機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程模型。又通過(guò)五自由度工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算、建立計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案和對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行Pro/E三維建模，得到了如下一些結(jié)果：
1．五自由度機(jī)械臂可用于搜索、抓取水下管件、纜線(xiàn)等細(xì)長(zhǎng)物體,也可用于抓取其它形狀的物體,具有一定的通用性。
2．機(jī)器人能自動(dòng)控制，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。
3．可編程控制器控制系統(tǒng)主要是針對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)器人的控制?？删幊炭刂破魇峭ㄟ^(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，只需改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制要求。
在本文結(jié)束之際，總結(jié)自己所做的工作，受時(shí)間和研究水平所限，認(rèn)為在對(duì)機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)與應(yīng)用還應(yīng)進(jìn)一步深入研究，使機(jī)器人具備自動(dòng)控制工作和機(jī)體在外部障礙的影響下進(jìn)行自動(dòng)修正的功能。
致謝
本文是在導(dǎo)師焦波老師的精心指導(dǎo)下和熱情關(guān)懷下完成的。在論文的整個(gè)過(guò)程中無(wú)不滲透著焦波老師的大量心血。幾個(gè)月來(lái)，焦老師那嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開(kāi)拓創(chuàng)新的科研作風(fēng)，忘我的工作精神和對(duì)學(xué)生的關(guān)愛(ài)，無(wú)一不讓我感動(dòng)和欽佩，這將使我在今后的工作和學(xué)習(xí)中受益終身。在此表示衷心的感謝，并致以最崇高的敬意。
參考文獻(xiàn)
1 蔡自興．機(jī)器人學(xué)．清華大學(xué)出版社，2000：4~7
2 (法)科依費(fèi)特，(法)奇羅茲．機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論．匡興華，陳元興 譯．國(guó)防科技大學(xué)出版社，1991年5月：15~17
3 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，第4卷．化學(xué)工業(yè)出版社，2002：6~7
4 鐘約先，林享．機(jī)械系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制．清華大學(xué)出版社，2001：8~10
5 李元宗．機(jī)器人學(xué)講義．太原工業(yè)大學(xué)，1991：10~18
6 淮良貴，紀(jì)各剛．機(jī)械設(shè)計(jì)．高等教育出版社，1996：10~18
7 余達(dá)太，馬香峰．業(yè)機(jī)器人應(yīng)用．冶金工業(yè)出版社，2001：11~19
8 蔡自興，張鐘俊．機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展．機(jī)器人，1987：58~62
9 徐元呂．工業(yè)機(jī)器人．中國(guó)輕工業(yè)山版社，1995：20~23
10 周伯英．工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)．北京機(jī)械工業(yè)出版社，1995：20~23
11 徐元呂．機(jī)械電子技術(shù)．上海同濟(jì)大學(xué)出版社，1995：20~23
12 振邦，汪勤澎，陳晉華．機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)．電子工業(yè)出版社，1995：20~23
13 張福學(xué)．機(jī)器人學(xué)一智能機(jī)器人傳感技術(shù)．電子工業(yè)出版社，1995：20~23
14 郭巧．現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)．北京理工大學(xué)出版社，1999：20~23
15 蔣新松．國(guó)外機(jī)器人的發(fā)展及我們的對(duì)策研究．機(jī)器人，1987：3~10
16 李真，李志強(qiáng)．協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．機(jī)器人，1999：23~25
17 馬宏緒．兩足步行機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行研究．國(guó)防科大博士學(xué)位論文，1995：13~15
18 馬香峰．機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)．機(jī)械工業(yè)出版社，1991：16~20
19 彭慧，封錫盛．“探索者”號(hào)白治式無(wú)纜水下機(jī)器人控制軟體系結(jié)構(gòu)．機(jī)器人，1995：3~5
20 張鐘俊，蔡白興．機(jī)器人自動(dòng)化的新趨勢(shì)自動(dòng)化，1986：2~3
21 諸靜．機(jī)器人與控制技術(shù)．浙江大學(xué)出版社，1992：23~35
22 Fuzzy PID Control of a Five DOF Robot Arm Journal of Intelligent and Robotic Systems ，Springer Netherlands：2004：57~68
23 DewitC. Trends of control for mobile robotsand vehicles. Procof Control Problemsin Roboticsnad Automation.1998,12：151~175
24 Hamilton J F.Cipra RJ.Design and Analysis of Robot Manipulators,ME-597T,Purdue University.2000：78~89
附錄A
圖A-1為底座尺寸示意圖
圖A-1底座尺寸示意圖
圖A-2為腰關(guān)節(jié)尺寸示意圖
圖A-2腰關(guān)節(jié)尺寸示意圖
圖A-3為小臂連桿尺寸示意圖
圖A-3小臂連桿尺寸示意圖
圖A-4為鐘形連桿尺寸示意圖
圖A-4鐘形連桿尺寸示意圖
圖A-5為腕部連接桿尺寸示意圖
圖A-5腕部連桿尺寸示意圖
圖A-6為電動(dòng)機(jī)托架尺寸示意圖
圖A-6電動(dòng)機(jī)托架尺寸示意圖
圖A-7為腕部齒輪箱尺寸示意圖
圖A-7腕部齒輪箱尺寸示意圖
附錄B
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
C.Comopetitive Dynamics
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
(23)
(24)
The size of the change in direction of the tool is then calculated as
(25)
(26)
(27)
(28)
WithSumming up over all obstacles the total contribution becomes
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
2009年IEEE國(guó)際機(jī)器人和自動(dòng)化會(huì)議
神戶(hù)國(guó)際會(huì)議中心
日本神戶(hù)12-17，2009
機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與控制的研究
拉斯彼得Ellekilde
摘要
操作器和移動(dòng)平臺(tái)的組合提供了一種可用于廣泛應(yīng)用程序高效靈活的操作系統(tǒng)，特別是在服務(wù)性機(jī)器人領(lǐng)域。在機(jī)械臂眾多挑戰(zhàn)中其中之一是確保機(jī)器人在潛在的動(dòng)態(tài)環(huán)境中安全工作控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在本文中,我們將介紹移動(dòng)機(jī)械臂用動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)方法被控制的使用方法。該方法是一種二級(jí)方法，是使用競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)優(yōu)化移動(dòng)平臺(tái)以及較低層次的融合避障和目標(biāo)捕獲行為的方法。
I介紹
在過(guò)去的幾十年里大多數(shù)機(jī)器人的研究主要關(guān)注在移動(dòng)平臺(tái)或操作系統(tǒng)，并且在這兩個(gè)領(lǐng)域取得了許多可喜的成績(jī)。今天的新挑戰(zhàn)之一是將這兩個(gè)領(lǐng)域組合在一起形成具有高效移動(dòng)和有能力操作環(huán)境的系統(tǒng)。特別是服務(wù)性機(jī)器人將會(huì)在這一方面系統(tǒng)需求的增加。大多數(shù)西方國(guó)家的人口統(tǒng)計(jì)數(shù)量顯示需要照顧的老人在不斷增加,盡管將有很少的工作實(shí)際的支持他們。這就需要增強(qiáng)服務(wù)業(yè)的自動(dòng)化程度，因此機(jī)器人能夠在室內(nèi)動(dòng)態(tài)環(huán)境中安全的工作是最基本的。
圖.1 一臺(tái)由賽格威RMP200和輕重量型庫(kù)卡機(jī)器人組成的平臺(tái)
這項(xiàng)工作平臺(tái)用于如圖1所示，是由一個(gè)Segway與一家機(jī)器人制造商制造的RMP200輕機(jī)器人。其有一個(gè)相對(duì)較小的軌跡和高機(jī)動(dòng)性能的平臺(tái)使它適應(yīng)在室內(nèi)環(huán)境移動(dòng)。庫(kù)卡工業(yè)機(jī)器人具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)臂和高有效載荷比自身的重量,從而使其適合移動(dòng)操作。
當(dāng)控制移動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)時(shí)，有一個(gè)選擇是是否考慮一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)的實(shí)體。在參考文獻(xiàn)[1]和[2]中是根據(jù)雅可比理論將機(jī)械手末端和移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合在一起形成一個(gè)單一的控制系統(tǒng)。另一方面，這項(xiàng)研究發(fā)表在[3]和[4],認(rèn)為它們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)是獨(dú)立的實(shí)體，但不包括兩者之間的限制條件,如延伸能力和穩(wěn)定性。
這種控制系統(tǒng)的提出是基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)方法[5], [6]。它分為兩個(gè)層次，其中我們?cè)谳^低的水平，并考慮到移動(dòng)平臺(tái)作為兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，然后再以安全的方式結(jié)合在上層操縱者。在本文中主要的研究目的是展現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)方法可以應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)械臂和使用各級(jí)協(xié)調(diào)行為的控制。
本文剩下的安排如下。第二部分介紹系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其次是機(jī)械手末端移動(dòng)平臺(tái)的控制在第三第四部分講述。在第五部分我們?cè)诮Y(jié)束本文之前將顯示一作實(shí)驗(yàn)。然而, 首先與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)有關(guān)工作總結(jié)與方法將在在部分I-A提供。
A.相關(guān)工作
動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)接近[5]，[6]為控制機(jī)器人提供一套動(dòng)作的框架，例如障礙退避和目標(biāo)捕捉。每個(gè)動(dòng)作通過(guò)一套一個(gè)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的attractors和repellors來(lái)完成。這些通過(guò)向量場(chǎng)的簡(jiǎn)單的加法被結(jié)合在一起來(lái)完成系統(tǒng)的整體動(dòng)作。動(dòng)力系統(tǒng)的方法涉及到更廣泛的應(yīng)用勢(shì)場(chǎng)法[7],但具有一定的優(yōu)勢(shì)。這里勢(shì)場(chǎng)法的行為是由后場(chǎng)梯度形成的結(jié)果，行為變量，如航向和速度，可直接運(yùn)用動(dòng)力系統(tǒng)控制的方法。
成本相對(duì)較低的計(jì)算與方法有關(guān)，使得它在動(dòng)態(tài)環(huán)境中在線(xiàn)控制適宜，允許它即使在相當(dāng)?shù)偷乃接邢薜挠?jì)算能力平臺(tái)[8]實(shí)施。傳感器的魯棒性在人聲嘈雜中顯示[9]和[10]其中一個(gè)是由紅外傳感器和麥克風(fēng)的結(jié)合，當(dāng)避障和目標(biāo)獲取時(shí)使用。盡管能解決各種各樣的任務(wù)，但它僅是一個(gè)局部的方法，為了其他的任務(wù)和使命級(jí)計(jì)劃(即參見(jiàn)[11])其他的方法應(yīng)該被釆用。
當(dāng)多行為被結(jié)合時(shí)，在[5]和[6]的缺點(diǎn)是由潛在的假的因子引起的。為了克服這個(gè)問(wèn)題[12]介紹了一種基于競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)的行為比重。每個(gè)行為的影響是控制使用一個(gè)相關(guān)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，再加上定義的行為之間有競(jìng)爭(zhēng)力的相互作用，控制重物。如果所有的行為之間的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用是必需的，這種方法可以推廣到任意數(shù)n,行為，除了這樣一個(gè)最壞情況的復(fù)雜度v(n2)
在現(xiàn)實(shí)世界中使用這種方法的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中可以找到[13]，[14]。[13]是只在有標(biāo)題方向的車(chē)輛上使用，而在[14]中航向和速度均得到控制。[15]提供了一個(gè)為速度性能簡(jiǎn)短的策略討論。
在[16]中提到動(dòng)力系統(tǒng)的方法不僅被用于平面移動(dòng)機(jī)器人，同時(shí)也可以作為控制機(jī)械手工具。另外運(yùn)用產(chǎn)生極限環(huán)Hopf振蕩器動(dòng)力系統(tǒng)的更復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)也可被使用。 [17]展現(xiàn)出不同形狀的極限環(huán)是如何產(chǎn)生的，其可運(yùn)用于避障軌跡的生成。[18]中介紹到使用Hopf振蕩器產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)的軌跡,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手可以接住從桌子上面滾下來(lái)的球。 動(dòng)力系統(tǒng)的方法不僅可以用于控制的工具，也可以控制7自由度機(jī)械手多余的動(dòng)作這一 點(diǎn)在[19 ]中得到論證。
II.總體結(jié)構(gòu)
我們整個(gè)系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。在賽格威平臺(tái)中為了控制移動(dòng)平臺(tái)，兩個(gè)低級(jí)別的性能被使用：一個(gè)用于目標(biāo)捕獲和另一個(gè)是避障。運(yùn)用競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)的動(dòng)作被混合在一起是為了做出移動(dòng)平臺(tái)希望得到的指定的移動(dòng)動(dòng)作。同樣，在競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上目標(biāo)捕獲和機(jī)械手避障行為的融合給機(jī)器人收縮下達(dá)指令。當(dāng)目標(biāo)不在范圍內(nèi)，應(yīng)收回機(jī)械手到一個(gè)安全的位置，這是機(jī)械手縮回行為的目的。最后融合是以一個(gè)安全的方式把所有的控制結(jié)合在一起，這樣一來(lái)目標(biāo)捕獲和收回行為不互相干擾，另外移動(dòng)平臺(tái)在不開(kāi)始朝著新的目標(biāo)之前，移動(dòng)機(jī)械手巳被收回。
用、和分別代表機(jī)械手移動(dòng)、機(jī)械手捕獲和機(jī)械手收縮行為的影響，控制信號(hào)和通過(guò)(1)(2)移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手。
(1)
(2)
其中( )是指控制輸入信號(hào)以控制在第三節(jié)中描述的平臺(tái)的左，右側(cè)車(chē)輪;和是在第四節(jié)描述的機(jī)械手關(guān)節(jié)速度。
障礙
動(dòng)作
運(yùn)動(dòng)結(jié)合
結(jié)合
目標(biāo)
設(shè)備
賽格威
障礙
操作結(jié)合
結(jié)合
目標(biāo)
庫(kù)卡
機(jī)器人
操作收回
圖.2.控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
A. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)
這種競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)釆用的方法是以[12]為基礎(chǔ)的，除了附加參數(shù)Tb用于控制在[14]中的轉(zhuǎn)換率。動(dòng)力系統(tǒng)釆用(3)因此給予:
(3)
其中ab是b和rb競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的參數(shù)，b是和b相互競(jìng)爭(zhēng)作用的參數(shù)。
1) 移動(dòng)：在移動(dòng)平臺(tái)遠(yuǎn)離目標(biāo)時(shí)它的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)該被加強(qiáng)；標(biāo)被捕獲時(shí)移動(dòng)平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)應(yīng)該被降低。這是通過(guò)(4)實(shí)現(xiàn)的。
(4)
其中,決定如何迅速的改變這種優(yōu)勢(shì)，是指到目標(biāo)的距離和是指移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)目標(biāo)所需的最小距離。
移動(dòng)的行為，沒(méi)有能力進(jìn)行互動(dòng)，并抑制其他行為，因此它的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用被設(shè)置為0。
2) 機(jī)械手捕獲目標(biāo)：A移動(dòng)平臺(tái)接近他的目標(biāo)時(shí)，機(jī)械手捕獲目標(biāo)的動(dòng)作應(yīng)該別加強(qiáng)。這樣的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將被定義為：
(5)
激活距離必須大于來(lái)確保其行為被激活。此動(dòng)作沒(méi)有和其他的動(dòng)作有直接聯(lián)系，因此它的相互作用參數(shù)設(shè)置為0。
3) 機(jī)械手收縮：收回動(dòng)作應(yīng)該被激活當(dāng)對(duì)面目標(biāo)被捕獲之后，因此
(6)
要有一個(gè)非常小的過(guò)渡時(shí)間，這可以防止在同一時(shí)間活動(dòng)的機(jī)械臂捕獲和收縮動(dòng)作,因此，我們可以設(shè)置由于機(jī)械手收縮和移動(dòng)動(dòng)作的聯(lián)系，當(dāng)機(jī)械手原理自動(dòng)巡航裝置時(shí)我們希望能夠取消停止移動(dòng)。因此這種相互作用定義為：
(7)
其中和，是機(jī)械手當(dāng)前和原始配置參數(shù)，是指目標(biāo)最近的距離和指定如何使相互作用迅速變化的參數(shù)。
III.移動(dòng)平臺(tái)的控制
該移動(dòng)平臺(tái)的控制，結(jié)構(gòu)與參考文獻(xiàn)[14]中表述的非常相似，但也有一些不同。剛開(kāi)始時(shí)目標(biāo)捕獲和避障指令被使用。緊接著除走廊和墻壁避障不包括在內(nèi)，伹將沿直線(xiàn)擴(kuò)展。第二個(gè)領(lǐng)域，不同的是這項(xiàng)工作的障礙是如何找出障礙密度的計(jì)算方法。具體的論述在III-D部分。
為了使控制系統(tǒng)能夠根據(jù)具體的環(huán)境進(jìn)行導(dǎo)航。我們所使用的方法是基于參考文獻(xiàn)[20]中論述的方法，它運(yùn)用里程計(jì)和激光測(cè)距相結(jié)合對(duì)所在環(huán)境中地圖的主導(dǎo)線(xiàn)匹配測(cè)量。
該平臺(tái)控制編碼的使用方向：；速度：V，它在一個(gè)控制輸入系統(tǒng)的結(jié)果數(shù)的值是由兩部分組成，和，這里合并為
(8)
其中和是被Eq限制的。(3)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和相互作用在III-C中有詳細(xì)的描述。
作為控制輸入我們需要一個(gè)表達(dá)式對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的左右輪進(jìn)行控制，這里用和分別作為左，右側(cè)車(chē)輪的表達(dá)參數(shù)。要使獲得這些數(shù)據(jù)集成得到v，連同所需的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，車(chē)輪直徑和車(chē)輪之間的距離可以用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)計(jì)算控制輸入：
(9)
(10)
這里車(chē)輪需要的速度差被定義為:
(12)
A. 動(dòng)態(tài)目標(biāo)：
捕獲目標(biāo)動(dòng)作的基本動(dòng)力是:
(13)
(14)
其中和是吸引子的優(yōu)勢(shì)參數(shù)和表示運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)的方向。常數(shù)表達(dá)出機(jī)械手到目標(biāo)之間的距離和所需的速度關(guān)系。最后最大速度是指移動(dòng)平臺(tái)所允許的最大速度。
B. 障礙動(dòng)態(tài)
假定一個(gè)距離，方句參數(shù)表示機(jī)械手到第i個(gè)障礙的方向，在避障的動(dòng)力學(xué)中用公式（15) (16)表不如下：
(15)
(16)
其中
動(dòng)態(tài)參數(shù)包括三個(gè)要素：(一)障礙物的相對(duì)方向，(二)例系數(shù),其中根據(jù)距離決定衰減的程度。(三)另一個(gè)比例系數(shù)根據(jù)到障礙的方向而定的，并運(yùn)用保兩障礙間的attractor產(chǎn)生，如果機(jī)器人可以在確保安全距離DS下通過(guò)。我們可以在參考文獻(xiàn)[14]中看到具體的描述。
對(duì)于是表示調(diào)整速度轉(zhuǎn)向,但確保最小速度是被保留的。
運(yùn)用公式(17)獲取我們總結(jié)所有障礙的值：
(17)
C. 競(jìng)爭(zhēng)動(dòng)態(tài)
在競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的運(yùn)算如上面所述公式(3)控制的。下面是最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和兩種動(dòng)作的相互作用。
1) 目標(biāo)：每當(dāng)一個(gè)目標(biāo)是存在的，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的參數(shù)就被設(shè)置為，否則設(shè)置為。
目標(biāo)動(dòng)作有能力影響和抑制避障動(dòng)作，目標(biāo)之間的距離和最近的目標(biāo)之間的比例足以確保向目標(biāo)移動(dòng)的動(dòng)作是無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)。這時(shí)建模為：
(18)
其中到最近障礙物的距離，是一個(gè)如何快速是動(dòng)作相互影響的增益常數(shù)，我們將開(kāi)始抑制避障時(shí)表示障礙和目標(biāo)之間的距離比。
2) 障礙：該障礙動(dòng)作的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)有公式（19)控制：
(19)
其中是障礙密度在第三節(jié)-D被定義。
這種相互作用被定義為
(20)
第一部分抑制目標(biāo)動(dòng)作當(dāng)障礙濃度超過(guò)臨界值時(shí)，最后一部分可以確保這
收藏