展館導(dǎo)游機器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計
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外文資料翻譯
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專 業(yè):
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學(xué) 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(dǎo)教師評語:
譯文的意思基本正確,語句較通順。專業(yè)性術(shù)語的翻譯也較為得當。譯文的數(shù)量已達到學(xué)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
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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(wù)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(wù)的執(zhí)行。當位移和靜應(yīng)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(shè)計/控制的方法。
1 簡介
?一個傳統(tǒng)的機械手有6個關(guān)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(dǎo)致機械手不能夠完成既定任務(wù)或可能導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行速度非常緩慢。特別是,當某個給定任務(wù),通過奇異回避的軌跡時,在位置控制上誤差會變大。關(guān)節(jié)力矩需要很大,這同時也導(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(wù)。 3、機械手在執(zhí)行任務(wù)時必須保持高的精度和速度感。 4、機械手應(yīng)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(guān)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(wù)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(guān)鍵因素。關(guān)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(shè)計中一個新的考驗。這樣可以節(jié)省大量設(shè)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(wù)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(shè)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(xué)移動作業(yè)機器人
?? 現(xiàn)一個共同的作業(yè),整個系統(tǒng)應(yīng)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(guān)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(xué)平衡。相反,每個車輪的關(guān)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(fù)雜的形式被表示為關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)限制
在表中,正運動學(xué)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(guān)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(guān)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(wù)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(wù)留給移動機器人來執(zhí)行。任務(wù)的分配在(3)中被相對較好的描述。通過任務(wù)分配,作業(yè)機器人的基座運動軌道就被確定了。 這個任務(wù)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(yù)設(shè)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(guān)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(wù),是移動機器人末端平板到作業(yè)機器人第一關(guān)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(xué)方程,反應(yīng)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(guān)節(jié)處的六個自由度的合力,移動機器人最后一個關(guān)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(xué)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(wù)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(guān)節(jié)角度(使用逆運動學(xué)方程),從而確定移動作業(yè)機器人的每一個關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(yīng)瞬時速度命令,關(guān)節(jié)角度的變化值最終會被發(fā)送到關(guān)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(guān)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(chǔ)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(xué)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(guān)于移動機器人力學(xué)的詳細分析已經(jīng)在參考文獻[10]給出。三個關(guān)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(guān)節(jié)控制器連接而設(shè)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(guān)節(jié)角度。關(guān)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(guān)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。
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