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機(jī)器人手臂集成系統(tǒng)的機(jī)械和控制問(wèn)題
摘要
在本文中，通過(guò)波羅尼亞大學(xué)的機(jī)械手臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出一個(gè)靈巧的機(jī)械手臂操控系統(tǒng)的想法。新的機(jī)器人手臂原型，目前在設(shè)置階段。它有詳細(xì)的說(shuō)明，主要是對(duì)機(jī)器人手臂的傳感設(shè)備，機(jī)械一體化和通過(guò)控制算法進(jìn)行的手臂協(xié)調(diào)子系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而獲得其結(jié)構(gòu)和功能的集成。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂，整合，傳感設(shè)備，機(jī)械一體化，集成
引言
長(zhǎng)期的整合，對(duì)定義現(xiàn)代自動(dòng)化是很有意義的。這次我們的主要目標(biāo)就是研究和開(kāi)發(fā)一個(gè)新的機(jī)器人操作系統(tǒng)，即設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在機(jī)械人設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。這一成就意味著可以給不同的研究領(lǐng)域提供我們的研究成果（如傳感器，執(zhí)行器，手臂的機(jī)械設(shè)計(jì)，控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)）。通過(guò)新目標(biāo)的定義——導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的兼容系統(tǒng)和協(xié)同子系統(tǒng)在子系統(tǒng)中呈現(xiàn)出的藝術(shù)狀態(tài)有很多不錯(cuò)的地方，（如所闡述的機(jī)械手臂里每一種傳感器，快速和精確的機(jī)械手臂，智能執(zhí)行器等）。但似乎在這些系統(tǒng)完整并充分發(fā)展的幾個(gè)領(lǐng)域上，主機(jī)有效利用的技術(shù)解決方案，尚未實(shí)現(xiàn)。
本文關(guān)注的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)有特定操作任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng):一個(gè)集成的靈巧手部和臂部的系統(tǒng)。在這種背景下,我們認(rèn)為“集成”是有兩個(gè)不同的概念的:分別是結(jié)構(gòu)集成和功能集成,它們每一個(gè)都是開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要組成部分。
結(jié)構(gòu)集成中，設(shè)計(jì)方面相關(guān)問(wèn)題里的合成技術(shù)將實(shí)現(xiàn)預(yù)期的部分功能。其中主要的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)的連接和協(xié)調(diào)部分，可能需要單獨(dú)的構(gòu)思和開(kāi)發(fā)。為了解決相互兼容的問(wèn)題，需要特意開(kāi)發(fā)系統(tǒng)配置,甚至進(jìn)行部分結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)。關(guān)于機(jī)器人手部和臂部的系統(tǒng),想要達(dá)到一個(gè)令人滿意的結(jié)構(gòu)整合，解決問(wèn)題的關(guān)鍵是:手臂運(yùn)動(dòng)的定義結(jié)構(gòu)中需要最大限度的開(kāi)發(fā)手靈巧，手臂和手的兼容性的設(shè)計(jì)。并安裝復(fù)合,分布式多傳感器系統(tǒng)。最后為了提高試用性，需要安裝驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)在機(jī)器人手臂上。
關(guān)于第一點(diǎn),主要關(guān)鍵問(wèn)題是限制工作容積,注意現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)的手的姿勢(shì)和手臂在限制區(qū)域的大小及兼容性。
說(shuō)到第二點(diǎn),我們認(rèn)為應(yīng)該更多的關(guān)注開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)新傳感器和手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所組成的集成。特別是從目前的工藝水平分析,可以得到的一些結(jié)果顯示。具體如下，
1）適用與指骨或指尖的傳感器越來(lái)越多,但包括變頻元素和空調(diào)電子板中必要的絲束這類傳感器仍然是很有限的,特別是有些高密度觸覺(jué)雙曲率墊都需要高度的小型化;
2）適用與手指主機(jī)分布式的機(jī)械結(jié)構(gòu)觸覺(jué)差,主要是因?yàn)殚_(kāi)發(fā)和替代配置腱傳動(dòng)征收采用了笨重配置,導(dǎo)致缺乏感知設(shè)備和其內(nèi)部空間。
關(guān)于第三點(diǎn),是安裝在手臂上的驅(qū)動(dòng)的可能性和傳動(dòng)系統(tǒng),集成可以極大地幫助一些發(fā)展中的執(zhí)行器更適合的被安置在機(jī)械臂中，放棄效應(yīng)器可交換性的概念，最終提供一個(gè)可以操作普遍效應(yīng)器的靈巧的手。
結(jié)構(gòu)集成的加入,可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)的手,手腕和手臂的搜索優(yōu)化,考慮的目標(biāo)不僅包括子系統(tǒng)的內(nèi)在性能,也包括一般系統(tǒng)的兼容性。
功能集成的定義，包括兩個(gè)不同的方面: 應(yīng)該實(shí)現(xiàn)單一的內(nèi)部功能子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)能合作并完成任務(wù)。
在單獨(dú)的組件或子系統(tǒng)層面,第一步是集成放大。如果可能的話,其活動(dòng)范圍通過(guò)添加新功能那些就可以分配。充分利用其潛在的操作，是應(yīng)用程序的一個(gè)使手臂操作概念的例子。它集成了一個(gè)在中間的功能鏈接的機(jī)械臂與環(huán)境交互的能力。其鏈接并不局限于一個(gè)簡(jiǎn)單的載體，它極大地?cái)U(kuò)大了操縱手的功能,并實(shí)現(xiàn)了整個(gè)手操縱的概念。
在系統(tǒng)層面,功能集成意味著給定任務(wù)的執(zhí)行是通過(guò)多個(gè)子系統(tǒng)的同時(shí)合作,不僅僅只有通過(guò)他們的交替執(zhí)行不同部分的任務(wù)。非集成的一個(gè)典型的例子是,長(zhǎng)期以來(lái),機(jī)械手都用于操作任務(wù)，但最近有一些例外?？吹絒3],[4],[5],機(jī)器人的手，大家普遍認(rèn)為是一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備, 它只需開(kāi)關(guān)命令界面的來(lái)任務(wù)執(zhí)行，期間沒(méi)有任何真正的協(xié)調(diào)。相反,來(lái)自自然界的例子展示了功能集成靈活性及其至關(guān)重要的成就:最熟練的操作任務(wù),如寫(xiě)作、繪畫(huà)、縫紉等,都是通過(guò)手指和手腕或手臂本身同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的。
接下來(lái),本文介紹了采用集成烏蘭巴托(博洛尼亞大學(xué))擬人化機(jī)器人手臂的手來(lái)解決一些方案。特別是,在論文的第一部分中有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的結(jié)構(gòu),闡述了集成在第二個(gè)運(yùn)動(dòng)控制策略開(kāi)發(fā),以開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的冗余來(lái)獲得合作的手部和臂部完成操作任務(wù)的過(guò)程,提出了功能集成這一貢獻(xiàn)及一些關(guān)于現(xiàn)在和未來(lái)計(jì)劃的活動(dòng)評(píng)論和結(jié)果總結(jié)。
2集成機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的烏蘭巴托機(jī)的手
由于目前的實(shí)驗(yàn)和安裝都是基于以前的經(jīng)驗(yàn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)靈巧的雙手。在發(fā)展中提出新的系統(tǒng)中自底向上的方法之后，目前的設(shè)計(jì)活動(dòng)主要集中在子系統(tǒng),它使用商用擬人化的機(jī)械手, 560年美洲獅的手臂。事實(shí)上,我們所知道的第二版本烏蘭巴托的手,在目前設(shè)置階段,大都被認(rèn)為只是進(jìn)化的一個(gè)中間的步驟,它能逐步實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證工具的集成問(wèn)題,但不是一個(gè)確定的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在我們的主要目標(biāo)是不惜犧牲一些性能限制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的水平集成,主要是采用驅(qū)動(dòng)的概念和技術(shù)。烏蘭巴托的手II已經(jīng)懷孕,在開(kāi)放一些新的技術(shù)，并不斷改進(jìn)使解決方案變得可行。此外,選擇一些使系統(tǒng)更有吸引力的應(yīng)用程序，也會(huì)降低整體的復(fù)雜性和成本,。
2.1機(jī)械手觸摸的集成設(shè)計(jì)
長(zhǎng)期以來(lái)，一個(gè)機(jī)器人的靈巧手在操縱任務(wù)上的表現(xiàn)和功能是否類似于人類的手和大小兼容性是主要預(yù)期的的條件因素之一,因此,小型化問(wèn)題必須在設(shè)計(jì)階段解決。面向故意設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)構(gòu)成的手指，必須開(kāi)發(fā)以達(dá)到相應(yīng)的兼容性: 集成的傳感器必須從設(shè)計(jì)階段重視起來(lái),計(jì)劃將它們添加到前面設(shè)計(jì)的手指結(jié)構(gòu)中并不是特困難。事實(shí)上,機(jī)械設(shè)計(jì)中零觸摸的手,可能導(dǎo)致很多時(shí)候,分布式傳感器應(yīng)用程序被認(rèn)為是不可接受的。因?yàn)閹讉€(gè)子系統(tǒng)必須集成在一個(gè)手,其中涉及許多方面。在設(shè)計(jì)階段:如何將機(jī)械的鉸接結(jié)構(gòu)加入鏈接,共同驅(qū)動(dòng)的電力傳輸,本體感受的傳感器,感受外界刺激的傳感器等都是需要注意的。如果有需要,可以用當(dāng)?shù)氐男盘?hào)調(diào)節(jié)電路。
采用了知覺(jué)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的配置有顯著的效果。例如,當(dāng)只有指尖操作是必需的時(shí)候,傳感器的安裝發(fā)生在運(yùn)動(dòng)鏈,降低問(wèn)題復(fù)雜性的設(shè)計(jì)是結(jié)束住房和相關(guān)電器的傳感設(shè)備。在這種情況下就沒(méi)有明顯的約束加到手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。分布式觸摸是必需的,設(shè)計(jì)中的問(wèn)題是增強(qiáng),提高布線和幾何干涉趾骨結(jié)構(gòu)和內(nèi)部傳播。薄層外皮的分布式觸摸可以人為安排,從而能夠減少外表面的指骨的傳感設(shè)備問(wèn)題。事實(shí)上,沒(méi)有結(jié)構(gòu)性的分化必須提供鏈接,只有傳感層可以直接支持的鏈接結(jié)構(gòu)。相反，辯證變成必須采用內(nèi)在觸覺(jué)傳感概念。在這種情況下,每個(gè)手指指骨需要三個(gè)機(jī)械元素:內(nèi)部鏈接屬于鉸接結(jié)構(gòu)(框架),外部殼接觸發(fā)生可以作為應(yīng)變傳感器和連接元素。
版本二世烏蘭巴托機(jī)器人的手,分布式it傳感已獲得通過(guò)。對(duì)于每個(gè)活動(dòng)鏈接,一個(gè)it傳感器已經(jīng)足夠,需要九個(gè)傳感模塊分別插入三個(gè)手指,五個(gè)趾骨和一個(gè)手掌。這種感覺(jué)的設(shè)備可以滿足整個(gè)手操縱需求,即通過(guò)聯(lián)系對(duì)象執(zhí)行控制操作程序控制可用的鏈接,能找到更好手操作模式的方法。
運(yùn)動(dòng)架構(gòu),是一種新式設(shè)計(jì)維護(hù)配置，事實(shí)證明是令人滿意的。完整對(duì)抗性的拇指在兩個(gè)手指上,手掌和手指的相對(duì)位置也被證明是有效的。它實(shí)現(xiàn)了一個(gè)偉大又多樣化的抓取模式。
新的手的設(shè)計(jì)可以在三個(gè)層次進(jìn)行分析,即it傳感模塊,手指組織和一般的配置的手。
每個(gè)傳感模塊基本上是由六個(gè)組成轉(zhuǎn)矩微型傳感器和一個(gè)小板組成，與當(dāng)?shù)乜照{(diào)電器實(shí)現(xiàn)了表面混合電路技術(shù)。傳感器的配置采用的軀體是薄壁圓柱殼,它實(shí)現(xiàn)了靈敏度和適用性小型化的優(yōu)勢(shì)。
圖1:it傳感模塊
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