展館導游機器人輪式行走系統(tǒng)設計

展館導游機器人輪式行走系統(tǒng)設計,展館導游機器人輪式行走系統(tǒng)設計,展館,導游,機器人,輪式,行走,系統(tǒng),設計 外文資料翻譯 學院 (系)： 專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 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。 指導教師評語： 譯文的意思基本正確，語句較通順。專業(yè)性術語的翻譯也較為得當。譯文的數(shù)量已達到學校規(guī)定的要求。這說明該生具有較強的科技文獻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 有效控制的移動作業(yè)機器人系統(tǒng) J.M. Lee’, M.C. Lee2, K. Son2,D.S. Ah3, S.H. Han4, and M.H. Lee2 摘要 一個移動作業(yè)機器人控制的任務是實現(xiàn)兩個局部機器人之間的動力耦合，即：一個作業(yè)機器人和一個移動機器人。移動作業(yè)機器人是一種由兩個機器人串行聯(lián)接形成的冗余機器人，這樣可以使機器人在工作區(qū)內沒有任何限制，適用于多任務的執(zhí)行。當位移和靜應力被明確的描述時，耦合過程就可以被啟動。在本文中，我們證明了一個冗余機器人在兩個獨立控制器的合作下，實現(xiàn)共同作業(yè)的控制系統(tǒng)的性能。通過使用兩個獨立的控制器，我們可以實現(xiàn)高速，高精度的末端機器人作業(yè)指派。作業(yè)分配的一個典型例子是：快速和粗略的位移，主要分配給移動機器人，而緩慢和準確位移，主要分配給作業(yè)機器人。利用獨立控制器分配作業(yè)和控制每一個局部機器人，解耦兩個機器人的動力，形成由兩個機器人串行聯(lián)接的冗余機械手，是一個高性能模擬機器人設計/控制的方法。 1 簡介 ?一個傳統(tǒng)的機械手有6個關節(jié)，可以提供在一個固定基面上的六個自由度的位移。有了這6個自由度的機械手，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，實際上有一些幾何約束，即奇點和/或障礙回避，這可能會導致機械手不能夠完成既定任務或可能導致任務執(zhí)行速度非常緩慢。特別是，當某個給定任務，通過奇異回避的軌跡時，在位置控制上誤差會變大。關節(jié)力矩需要很大，這同時也導致了控制的不穩(wěn)定。為了克服這些種類的限制，冗余機械手被很多研究人員引用[3,4]。在設計冗余度機器人時，有很多因素需要被添加到幾何約束：1、在被引導位移時，機械手可能接觸未知的環(huán)境。 2、機械手必須執(zhí)行多種多樣的任務。 3、機械手在執(zhí)行任務時必須保持高的精度和速度感。 4、機械手應該很容易被操控和維修。這些類型的冗余度機械手還可以被改造成各種各樣的機械手，例如：通過在傳統(tǒng)的機械手上增加一個關節(jié)（可以是柱狀或旋轉接頭）或并聯(lián)機械手機構 [11]，例如：史都華平臺。 最近，運動基座機器人取代了固定基座機器人，吸引了更多人的興趣。因為這些種類的機器人相比固定基座機器人很多優(yōu)勢。首先，動基座機器人的工作空間不受限制，甚至連底座也可以隨意移動。同時，由于基座的運動，奇點也可以被避免。然而，在這些優(yōu)勢的背后，我們要付出額外的工作，就是控制機器人的機座。即：當我們使用靠機座機器人輔助的移動機器人時，我們把用來完成任務的高級機器人稱作“作業(yè)機器人”，把用來移動機座的低級機器人稱作“移動機器人”。這兩個局部機器人之間的協(xié)調，是控制移動作業(yè)機器人系統(tǒng)的關鍵因素。關于移動作業(yè)機器人系統(tǒng)的概念有很多[1,6]。兩個獨立的機器人通過一系列的連接形成冗余機器人，而這一系列的連接是冗余機器人設計中一個新的考驗。這樣可以節(jié)省大量設計冗余機器人的成本。另外，我們也可以為確定類型的容易任務更改作業(yè)機器人。在本文中，我們將向你展示移動作業(yè)機器人的設計程序，并最終證明移動作業(yè)機器人系統(tǒng)的性能。 2、運動學移動作業(yè)機器人 ?? 現(xiàn)一個共同的作業(yè)，整個系統(tǒng)應該在一個共同的框架內加以分析和控制，因為經(jīng)過一系列連接連接起來的移動機器人和作業(yè)機器人都有自己單獨的控制器。圖1展示了由本研究開發(fā)的移動作業(yè)機器人系統(tǒng)。 圖1 由兩個獨立機器人連接而成的移動作業(yè)機器人系統(tǒng) 圖2 顯示的連接框架被分配到移動作業(yè)機器人系統(tǒng)，并且有一個地面框架被分配給地面。 圖2 移動作業(yè)機器人系統(tǒng)的連接框架 正如圖2所示，此移動機器人可以被看作是一個3 維運動機器人（X，Y和Z方向直線運動）。盡管每個關節(jié)都有其自己的控制器，X-Y平面的運動是由左右兩個輪子在X-Y平面的運動控制的 ，這是一個封閉的不完整系統(tǒng)，無法獲得運動學平衡。相反，每個車輪的關節(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。 我們在移動機器人的末端平板中指定一個框架{1}來作為作業(yè)機器人的基座。從框架{1}到地面框架的位移矢量，=[PX PY PZ] T，將以一種復雜的形式被表示為關節(jié)變量，、、。我們不在這里處理這些問題，因為這些內容在參考文獻[10]已被完整分析。 我們使用了傳統(tǒng)的5軸機械手（型號：專業(yè)型臂RS2200），作為我們的作業(yè)機器人。表1中列出了各個軸的連接限制。在表中，個別關節(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)機器人關節(jié)限制 在表中，正運動學方程可以計算出來。也就是說，在笛卡爾坐標系中的一點，=[P x ，P y ， P z ，α ，β ，γ ]T，可以表示為關節(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函列式矩陣。 3.移動機器人和作業(yè)機器人的解耦. 移動作業(yè)機器人的末端受動器位移可以由兩個局部機器人的位移相加而得到： （5） 式中的 是移動機器人在笛卡爾坐標系內的位移，是雅可比函列式矩陣, 是作業(yè)機器人的關節(jié)速度。作業(yè)機器人的位移可以由和 單獨得到。如何協(xié)調兩個局部機器人去完成一個共同的任務是一個長期問題。下面列舉了三個協(xié)調的方法: 1. 讓移動機器人和作業(yè)機器人不間斷的執(zhí)行一個作業(yè)。 2. 利用移動機器人的定位讓作業(yè)機器人更好的執(zhí)行作業(yè)。3. 以一個適當?shù)淖藙莨潭ㄗ鳂I(yè)機器人，而任務留給移動機器人來執(zhí)行。任務的分配在（3）中被相對較好的描述。通過任務分配，作業(yè)機器人的基座運動軌道就被確定了。 這個任務的描述圖表在公式[3]中已被相對較好的描述。作業(yè)機器人的基座運動軌跡被確定。 為了獲得作業(yè)機器人的動力，可以用遞歸的牛頓-歐拉方法, 把這個預設的速度 ( 作業(yè)機器人基座的加速度可以被直接熱拔插)代入作業(yè)機器人第一個關節(jié)的速度衍生方程。 ( 6 ) ( 7 ) 式中的是指定給移動機器人的任務，是移動機器人末端平板到作業(yè)機器人第一關節(jié)處的位置矢量，是模型從框架{1}到框架 {0}的旋轉量。 為了獲得移動機器人的動力學方程，反應力可以從前面確定的作業(yè)機器人基座的運動軌跡方程中直接得到。如下所示： (8) (9) (10) 式中的是作業(yè)機器人在第一關節(jié)處的六個自由度的合力，移動機器人最后一個關節(jié)所需求的扭矩。 因此，雖然我們是結合兩個局部機器人來形成一個冗余機器人，我們也能對這個冗余機器人實行高速控制，正如在我們的計劃中，用動力學解耦兩個局部機器人的控制器。 4。移動作業(yè)機器人的組成 該控制系統(tǒng)具有層次結構：1、主控制器支配兩個局部機器人的高級別的進程例如，軌跡規(guī)劃，障礙回避和協(xié)調（任務分配）兩個機器人。2、移動作業(yè)機器系統(tǒng)的層次控制如圖3所示。 圖3 移動作業(yè)機器人控制系統(tǒng)的層次 主控制器（IBM - PC）計算關節(jié)角度（使用逆運動學方程），從而確定移動作業(yè)機器人的每一個關節(jié)末端受動器需要的位置或方向，并將結果發(fā)送給每一個關節(jié)控制器。注意，移動機器人的末端平板也是作業(yè)機器人的基座。作業(yè)機器人的關節(jié)限制和作業(yè)執(zhí)行性能由主控制器監(jiān)控，必要時協(xié)調它與移動機器人之間的連接?？紤]到關節(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。為了響應瞬時速度命令，關節(jié)角度的變化值最終會被發(fā)送到關節(jié)控制器。 由于作業(yè)機器人是靠一個控制單元中的五個步進電機激活，主控制器通過雙向數(shù)據(jù)總線將到作業(yè)臨界點所需的步數(shù)發(fā)送給作業(yè)機器人。移動機器人由三個控制X,Y,Z方向直線運動的直流伺服電機組成。每一個電動機的轉速都是通過實時調度算法由主控制器在每一個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。由解碼器讀取的關節(jié)角度值被發(fā)送回主控制器以監(jiān)測移動機器人的控制性能，也可以在軌道偏差的基礎上修改作業(yè)軌道。因此，主控制器為整個移動機器人的運動構成了一個控制循環(huán)。 移動機器人系統(tǒng)由四個主要部分組成：控制箱單元、機械機器人、接口單元和主控制器。圖4以框圖的形式闡述了移動機器人的組成結構。 圖4 移動模擬機器人學框圖 驅動器由兩個部分組成：1、兩個直流伺服電機驅動左右輪在X-Y平面各自獲得的位移。2、一個電機通過蝸輪蝸桿傳動裝置控制Z軸方向的直線運動。關于移動機器人力學的詳細分析已經(jīng)在參考文獻[10]給出。三個關節(jié)控制器中的每一個都被合成為一個單獨模塊，再被嵌入到為關節(jié)控制器連接而設計的主電路板，然后和具有高擴展性的IBM-PC總線連接[6-9]。 正如圖4所示，每個電動機都配有一個電動機驅動器，增量解碼器用來讀取每個電動機的關節(jié)角度。關節(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節(jié)控制器之間交流。作為這些部件的附加部分，電動機驅動器的動力單元和數(shù)字電路也是移動機器人系統(tǒng)的組成部分。