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(nèi)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(zhuǎn)接頭）或并聯(lián)機械手機構(gòu) [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(diào)，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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)：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(diào)（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(jié)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(diào)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(zhuǎn)速都是通過實時調(diào)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(gòu)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(jié)構(gòu)。 圖4 移動模擬機器人學框圖 驅(qū)動器由兩個部分組成：1、兩個直流伺服電機驅(qū)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(qū)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(qū)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。