電腦機(jī)箱側(cè)蓋沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)含開題及8張CAD圖

電腦機(jī)箱側(cè)蓋沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)含開題及8張CAD圖,電腦,機(jī)箱,沖壓,工藝,模具設(shè)計(jì),開題,cad 用電子束車削改善冶金設(shè)備零部件表面特性的自動裝置S.I. Belyuk, A.G. Rau, I.V. Osipov*, N.G. Rempe*能量物理和材料科學(xué)學(xué)院，2/1 Akademicheskii Ave.,Tomsk, Russia湯姆斯卡雅斯州立大學(xué)的控制系統(tǒng)和無線電子學(xué)，40 Lenin Ave., Tomsk, Russia, 摘要：電子束車削裝置是為金屬物件表面涂料的生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的。涂料具有磨損保護(hù)和熱保護(hù)的性能。該裝置具有在大面積表面高效率制造涂料的能力。這個工藝流程是自動的。在該車削裝置中有兩個陰極等離子體電子槍。這有可能增加車削效率和生產(chǎn)率。這使提高車削效率和生產(chǎn)率成為可能。這兩個電子槍被安裝在一個正交垂直機(jī)械手上的真空腔內(nèi)，并且可以同時運(yùn)行。該裝置用于生產(chǎn)冶金中用在空氣噴槍、鋼連鑄晶體、輥碎機(jī)等上的耐磨涂料。1 簡介在真空狀態(tài)下的電子束車削，允許生產(chǎn)具有獨(dú)特性質(zhì)的涂料。用該方法的涂料沉積無粘連問題。用這種方法生產(chǎn)的材料和在這些材料表面生產(chǎn)的涂料具有廣泛的多元化。與工藝流程適應(yīng)能力控制結(jié)合的結(jié)果的高重復(fù)性，使生產(chǎn)滿足規(guī)定結(jié)構(gòu)和預(yù)期性能成為可能。為了增加熱空氣鼓風(fēng)爐噴槍操作耐久性，我們?yōu)槠涑练e作用和各種機(jī)械零件和冶金設(shè)備的恢復(fù)開發(fā)了一套裝置。同樣該裝置可以被用于各種金屬和合金的焊接，包括高熔點(diǎn)金屬。單層和多層涂料用于各種根據(jù)由各種金屬、鋼和鑄鐵組成的制品表面的切屑的組成的用途（硬化、耐磨、耐熱、耐高溫等），該裝置是生產(chǎn)此類型涂料成為可能。用該裝置可以在最長為2100mm、最寬為900mm、最厚為200mm的飛機(jī)工件和直徑最大為1200mm，最長為21mm的回轉(zhuǎn)體工件表面上沉淀上涂料。涂料沉淀的工藝流程是全自動的。2 電子束車削電子束切削的原理見圖1。電子束在工件表面建立一個熔融金屬池。在該表面上，來自具有需求特性的涂料的粉末顆粒由分配器提供給熔融金屬。工件在真空室內(nèi)相對于電子槍（固定的）和分配器是移動的，或電子槍和分配器相對于工件（固定的）在移動。多工序電子束切削技術(shù)是以凍結(jié)一個粉末進(jìn)熔融金屬池的現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。在每一個后續(xù)的工序，粉末的一個新部分是“凍結(jié)”的，以前的部分是融化的。供應(yīng)給融池的粉末加速了金屬的結(jié)晶作用，從而促進(jìn)了細(xì)粒結(jié)構(gòu)的形成和緩解涂料中的殘余應(yīng)力。所需沉積層的厚度通過改變粉末供應(yīng)的速率或通過增加工序的數(shù)量來獲得。這個切削的過程以下列參數(shù)為特征：加速電壓、電子束電流、調(diào)焦系統(tǒng)到工件表面的距離、電子束掃描直徑和長度、工件運(yùn)動速度和粉末供應(yīng)速率。圖1 電子束切削原理3 電子槍切削過程伴隨著從切削層噴出的強(qiáng)烈的蒸汽和氣體。因此，真空腔內(nèi)的電子槍被用來產(chǎn)生電子束。這些電子槍不含有在運(yùn)行中被加熱的熱電極或組件，并且這使得它們反應(yīng)遲鈍和在處理下的材料的高熔點(diǎn)蒸汽。它們可以在對發(fā)射器不使用特殊保護(hù)措施的切削條件下運(yùn)行。電子槍中的電子發(fā)射產(chǎn)生于空心腔低電壓反射放電的等離子體。從等離子體中發(fā)出的電子在高壓電場加速、匯聚成束和在調(diào)焦系統(tǒng)磁場中聚焦。來自等離子體的電子發(fā)射電流由不同的放電電流控制。在電子槍的設(shè)計(jì)中，利用其密封性和機(jī)械強(qiáng)度的金屬均采用電子束焊接。電子槍的外殼均為內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。這種外殼設(shè)計(jì)為陰極的定期維護(hù)提供了方便。圖2呈現(xiàn)了一個裝在該裝置機(jī)械臂上的電子槍的外觀。圖2 該裝置機(jī)械臂上的電子槍4 電源模塊圖3 該設(shè)備的供電系統(tǒng)該設(shè)備的供電系統(tǒng)（圖3），包括一個加速電壓單元（AVU），發(fā)射電源供電單元（DPU）、一個電子束聚焦和偏移控制單元（BFDU）和一個氣流控制器的控制單元。這個單元是由計(jì)算機(jī)經(jīng)由一個光學(xué)或一個RS485接口控制的。加速電壓和發(fā)射電源供電單元是由帶相位控制回路的橋變換器這一經(jīng)典電路構(gòu)成的。在變換器中，開關(guān)MOSFET晶體管這一共振法實(shí)現(xiàn)了提供一個低電平電噪聲和降低在開關(guān)電源晶體管的動態(tài)損失。高變換頻率能夠?qū)⒐╇婋娫摧敵鲭娙萁档偷?0nF和增加控制信號的處理速度。加速電壓單元可以在兩個模式下運(yùn)行：加速電壓的穩(wěn)定性和輸出電流的有限性。在第一個模式下，當(dāng)負(fù)載電流從0增加到150mA的過程中，給定的加速電壓是穩(wěn)定的。這是該單元的正常運(yùn)行。當(dāng)負(fù)載電流增加到超過150mA時，加速電壓單元在50s內(nèi)穿越電流極限模式。這使得它能夠保護(hù)負(fù)載和防止電子槍故障時產(chǎn)生電弧放電。當(dāng)負(fù)載電流減小時，加速電壓單元恢復(fù)正常運(yùn)行。如果負(fù)載電流不減少，該單元關(guān)斷20-100ms，然后恢復(fù)正常運(yùn)行。該算法在極端瞬態(tài)提供無故障運(yùn)行和弧電環(huán)境。放電供電電源單元是一個輸出電壓范圍為50V-1500V的電流源。它運(yùn)行在貫穿整個輸出電壓范圍內(nèi)的電流穩(wěn)定模式。從結(jié)構(gòu)上來講,加速電壓和放電供電單元被做成兩個部分：一個低壓區(qū)包含了變換器和一個充滿油狀物的高壓蓄電池，其輸出級是被封裝的(圖4)。電子束電流的控制和穩(wěn)定由控制時間常數(shù)不超過0.1s的不同放電電流執(zhí)行的。5 裝置的布置和操作涂料的沉淀是在該裝置的真空腔內(nèi)進(jìn)行的。安裝在正交垂直機(jī)械手上的兩個電子槍被放置在真空腔內(nèi)。為電子槍提供獨(dú)立橫向運(yùn)動的機(jī)械手是專門用于大面積飛機(jī)表面涂料的沉淀。兩個同時運(yùn)行的電子槍的使用提高了該裝置的生產(chǎn)率。為了在環(huán)形面上沉淀涂料，使用一個額外的機(jī)械手為工件提供旋轉(zhuǎn)。該裝置的外觀見圖5.圖5真空系統(tǒng)的運(yùn)行、供電、電子槍的運(yùn)動,工藝流程是由自動化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的。運(yùn)行 圖6 圖7a圖7b模式的選擇和工藝參數(shù)的監(jiān)測是通過工業(yè)顯示器的幫助執(zhí)行的。用手指點(diǎn)擊顯示器上的圖形控件可以去改變模式和參數(shù)。該控制系統(tǒng)可以運(yùn)行于三種模式：真空系統(tǒng)、電子槍、機(jī)械臂。在真空系統(tǒng)的模式,可以起動和關(guān)停泵,開啟和關(guān)閉真空系統(tǒng)的閥。顯示器顯示在該真空系統(tǒng)的不同點(diǎn)的真空表的讀數(shù)和泵冷卻系統(tǒng)的狀態(tài)。在這種模式下，為真空腔的自動降壓可以預(yù)先確定閥門和泵的開關(guān)順序。電子束槍的電力供應(yīng)是在電子槍模式控制的(圖7)。在這種模式下，可以控制加速電壓、改變電子束電流的大小、和控制氣流速率和掃描工件表面的電子束的參數(shù)。機(jī)械手模式（圖7a,b）是用來控制工件和電子槍的運(yùn)動的。根據(jù)工件的性質(zhì),機(jī)械手的兩種操作模式都是可能的。機(jī)械手-飛機(jī)體模式用在大型飛機(jī)表面涂料的沉淀（圖7a）。在這種模式下，工件不動，兩個電子槍在其表面同時沿著規(guī)定的軌跡移動。機(jī)械手旋轉(zhuǎn)模式用在軸對稱表面涂料的沉淀。在這種模式下,電子槍是不動的,工件以某一角度和給定的速度旋轉(zhuǎn)。表1 該裝置的主要特點(diǎn)供應(yīng)管的電壓，V38055%輸入功率，KW30真空腔壓力極限，Pa10-2同時運(yùn)行的電子槍的數(shù)目2分配器供應(yīng)粉末的速率，g/min10-50加速電壓，KVup to 30電子束電流，mAup to 150真空腔的規(guī)格：半徑，mm長度，mm20203500結(jié)論我們制造的該裝置用在世界上最大的冶金工程-西方的西伯利亞鋼鐵工廠，為了空氣噴槍、鋼連鑄晶體和輥碎機(jī)上耐磨涂料的沉淀。參考文獻(xiàn)1 V.E. Panin, S.I. Belyuk, V.G. Durakov, G.A. Pribytkov, and N.G.Rempe, Svarochnoe Proizvodstvo, 2, 34 (2000).2 V.E. Panin, V.G. Durakov, G.A. Pribytkov,I.V.Polev, and S.I.Belyuk, Fizika i Khimia Obrabotki Materialov, 6, 53 (1998).3 V.L. Galansky, V.A. Gruzdev, I.V. Osipov, and N.G. Rempe, J. Phys. D: Appl. Phys., 27, 953(1994). 4 I. Osipov and N. Rempe, RSI, 1, 1638 (2000). 容錯機(jī)械手設(shè)計(jì)：有多少自由度？Christiaan J. J. Paredis and Pradeep K. Khosla電氣與計(jì)算機(jī)工程系和機(jī)器人研究所聯(lián)合部， 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)， 美國賓夕法尼亞州匹茲堡市15213 。摘要：設(shè)計(jì)一個機(jī)械手需要考慮的最重要的參數(shù)是其自由度的數(shù)量。本文的重點(diǎn)：為滿足其容錯功能有多少自由度才是必要和足夠的，沿機(jī)械手的長度應(yīng)如何分配這些自由度？當(dāng)一個機(jī)械手的某個關(guān)節(jié)因磨花而固定，在這種情況下仍能完成它的任務(wù)，我們就說這個機(jī)械手具有容錯功能。為滿足其容錯功能，其自由度數(shù)緊密依賴于對任務(wù)所獲得的知識。在這篇文章中，對以下兩種方法進(jìn)行了探索。第一種方法，為設(shè)計(jì)一個通用容錯機(jī)械臂，假定沒有確切的任務(wù)軌跡，也不是被稱為先驗(yàn)的冗余第算法，機(jī)器手沒有關(guān)節(jié)限制。在這種情況下，兩個多余的自由度以彌補(bǔ)一個關(guān)節(jié)失敗被證明是必要和足夠的，以此做為設(shè)計(jì)空間容錯機(jī)械臂模板的標(biāo)準(zhǔn)。在第二個方法中，笛卡兒任務(wù)路徑和冗余第算法假定是已知的。對一項(xiàng)任務(wù)的具體容錯機(jī)械臂的設(shè)計(jì)只需要一個自由度的冗余。1簡介由于機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，可靠性問題變得越來越重要。最近，美國宇航局經(jīng)歷了在通過哈勃望遠(yuǎn)鏡對火星觀察這一價值數(shù)十億美元的任務(wù)中，當(dāng)一個關(guān)鍵組成部分失敗所產(chǎn)生的災(zāi)難性后果。太空應(yīng)用因環(huán)境惡劣（宇宙射線，太陽粒子等）并要求長期運(yùn)行而特別容易失敗。在此背景下，美國航天局已經(jīng)開始把容錯功能加入到機(jī)器人設(shè)計(jì)中（吳等人。1993年）。對于醫(yī)療機(jī)器人，可靠性也是重要的，因?yàn)榇嬖趩适松娘L(fēng)險。盡管醫(yī)務(wù)人員可能會長久的精力集中，在情況下依然會出現(xiàn)操作失誤，機(jī)器人至少應(yīng)萬無一失，這意味著它應(yīng)該成為一個失敗的安全配置。在機(jī)器人應(yīng)用的第三領(lǐng)域-環(huán)境恢復(fù)和廢物管理計(jì)劃的能源部中，可靠性仍然是一個重要的問題。例如，機(jī)械手被使用在核環(huán)境下修復(fù)設(shè)備或在被放射性污染的空間中進(jìn)行搜索。部署在這類關(guān)鍵任務(wù)中的機(jī)器人系統(tǒng)必須是可靠的，因此，成功地完成任務(wù)或安全拆除機(jī)器人系統(tǒng)是有保證的。在本文中，我們側(cè)重于容錯功能做為一種實(shí)現(xiàn)機(jī)械手系統(tǒng)可靠性的技術(shù)。傳統(tǒng)保證可靠性的方法的障礙是容錯，在這種情況下系統(tǒng)的可靠性是靠使用高品質(zhì)的元件來保證的。然而，為保證長期運(yùn)行，通過增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和必要性已經(jīng)證明這種做法不夠。系統(tǒng)的可靠性還可以進(jìn)一步通過冗余來改善。在五十年代初，這種設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被馮諾依曼采用于設(shè)計(jì)可靠的計(jì)算機(jī)：“完整的系統(tǒng)必須是以這種方式來組織，即一個單一的組成部分發(fā)生故障不會引起整個自動機(jī)的故障， . ，但是，只因它的大部分出現(xiàn)故障“（馮諾依曼1956年，第70頁）。容錯的基本原則是：添加冗余以彌補(bǔ)部件可能發(fā)生的故障。然而，這并不意味著任何形式的冗余添加到系統(tǒng)中都能實(shí)現(xiàn)容錯功能。因此本文的主要目的是闡明容錯機(jī)械手所需的冗余。也就是，需要有多少冗余和冗余在機(jī)械手結(jié)構(gòu)上應(yīng)如何分布？容錯所需的冗余規(guī)定只有以增加復(fù)雜性為代價可以組織在一起。這個缺陷可以被一種模塊化和結(jié)構(gòu)化得設(shè)計(jì)理念克服，這一理念在(Schmitz, Khosla, and Kanade 1988; Fukuda et al. 1992; Sreevijayan 1992; Hui et al. 1993;Chen and Burdick 1995)被提倡。硬件和軟件模塊化的優(yōu)點(diǎn)是在設(shè)計(jì)階段便于測試，因此減少了突發(fā)故障的機(jī)會。模塊化同時也構(gòu)成了對那些可被限制的障礙的自然邊界。由于在關(guān)鍵模塊中包含故障檢測和回收機(jī)制，局部故障的影響依然存在于內(nèi)部模塊，完全透明的更高層次的機(jī)械手系統(tǒng)。這種模塊化的設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)在由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)先進(jìn)的機(jī)械手實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的可重構(gòu)模塊化的機(jī)械臂系統(tǒng)(RMMS) (Schmitz,Khosla,Kanade 1988年)?？芍貥?gòu)模塊化的機(jī)械臂系統(tǒng)(RMMS)利用股票有多種不同長度和形狀的互換鏈接模塊和有各種尺寸和性能規(guī)格的聯(lián)合模塊。結(jié)合這些通用模塊，寬范圍的機(jī)械手結(jié)構(gòu)可組裝。當(dāng)為了一個特定的任務(wù)需要不同的配置,（Khosla Paredis1993),一個可重構(gòu)模塊化的機(jī)械臂系統(tǒng)的機(jī)器人可以輕易的拆解和進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b。這種重構(gòu)可以進(jìn)一步減少容錯機(jī)械臂復(fù)雜性，見第4節(jié)。在過去的十年中,很多對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)容錯功能的研究已經(jīng)完成(參閱約翰遜(1989)和概述),但直到最近才被應(yīng)用在機(jī)器人的概念。關(guān)于容錯機(jī)器人的大部分的作直接地以計(jì)算機(jī)科學(xué)的成果為基礎(chǔ),這些工作可分為三大類：1、 容錯機(jī)器人的設(shè)計(jì)，2、 故障檢測和鑒定(FDI)，3、 故障恢復(fù)和智能控制。 當(dāng)設(shè)計(jì)一個容錯機(jī)械手時, 選擇應(yīng)該包括冗余,以便總體可靠性是最大的。冗余應(yīng)該分為硬件、軟件、分析、信息和時間冗余(約翰遜1989年12月初版)。我們的焦點(diǎn)將集中在硬件冗余,其由驅(qū)動、傳感器、通信和計(jì)算冗余。每一種類型的冗余仍可以應(yīng)用在不同級別。在Sreevijayan(1992),例如,一個驅(qū)動冗余四級結(jié)構(gòu)被提出： 1級：雙驅(qū)動器-每個關(guān)節(jié)多驅(qū)動器， 2級：并行結(jié)構(gòu)-每個自由度多關(guān)節(jié)， 3級：冗余機(jī)械手-每個機(jī)械臂多自由度， 4級：多臂-每個機(jī)械手系統(tǒng)多臂。 一個以四個級別冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，有承受多個同步故障的能力。 在Wu et al. (1993)中描述了一個關(guān)于航天飛機(jī)機(jī)械手容錯設(shè)計(jì)的例子。這里通過使用差動輪系與雙輸入驅(qū)動器的每個自由度來保證容錯的，實(shí)施四個級別歸屬知識架構(gòu)的第一級別。在這篇文章中,我們更有興趣采用冗余自由度的方法實(shí)現(xiàn)容錯 (等級3)。我們想象的情況是這樣的。一個故障檢測與識別算法監(jiān)視冗余機(jī)械手各自由度是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常。一檢測到某個關(guān)節(jié)失敗，它就通過激活其故障安全制動來固定相應(yīng)的自由度。關(guān)節(jié)的軌跡是持續(xù)而自動地適應(yīng)新的機(jī)械手結(jié)構(gòu)和任務(wù)。這個場景的力量存在于這樣一個事實(shí),即它能處理各種可能的故障,從傳感器傳輸故障和驅(qū)動故障。所有這些故障可以用同樣的方式處理,即通過固定消除全自由度的方式。既然故障檢測與識別是我們對容錯推測的重要組成部分,在這篇文章中我們不會覆蓋這個主題的。相反，我們參考以下參考文獻(xiàn)(Chow and Willsky 1984; Stengel 1988; Ting, Tosunoglu, and Tesar 1993; Visinsky, Walker, and Cavallaro 1993;Visinsky, Walker, and Cavallaro 1994)。在Visinsky, Walker, and Cavallaro (1993)中，使用分析冗余度的算法這一概念, 故障檢測與識別算法依照Chow and Willsky (1984)曲線提出。其結(jié)果是一組四個測試測量位置、速度、預(yù)期加速度和沖擊之間一致性的簡單方程。故障檢測與識別算法適合于一個三層智能控制結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)包括伺服層，接口層和監(jiān)控層。主要的問題是提出了智能控制器能區(qū)分故障、干擾和建模誤差,并對每一個誤差給以恰當(dāng)方式的回應(yīng)。斯騰格爾(1988)給出了只能容錯控制的概述。一系列被報(bào)道的方法是，以魯棒控制開始，通過平行的和分析的冗余進(jìn)展，以規(guī)則系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)束。研究機(jī)器人的任務(wù)是運(yùn)用機(jī)器人高度非線性動力學(xué)的方法,并且修改這些方法。當(dāng)檢測到某個故障后，通過激活失效自由度對應(yīng)的制動器來使其固定。在Pradeep et al.(1988)中，作者分析了影響三個機(jī)械手某個自由度固定的方法。他們得出這樣的結(jié)論: 具有解耦自由度的機(jī)器人比那些擁有強(qiáng)耦合自由度的機(jī)器人因某個關(guān)節(jié)的損壞而具有更嚴(yán)重的“跛腳”。，自由度之間強(qiáng)耦合的方法是非?？扇〉?，并且是可以成為容錯機(jī)械手的設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。這些在Lewis and Maciejewski (1994a)中提及的結(jié)果可被理解成同樣的。運(yùn)動容錯測量定義為:關(guān)節(jié)出現(xiàn)故障后最小的運(yùn)動靈敏度,。最大的運(yùn)動容錯在各個關(guān)節(jié)同樣有助于零空間運(yùn)動的具有強(qiáng)自由度耦合的姿勢中實(shí)現(xiàn)。對于一個至少有一個解耦的自由度的機(jī)械手,運(yùn)動學(xué)容錯能力的測量,總是最小，并且為零。同樣這個測量量可以作為無故障機(jī)械手冗余分辨率的一個標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明，當(dāng)某個關(guān)節(jié)因出現(xiàn)故障而固定時，機(jī)械手完成任務(wù)的機(jī)會明顯多于采用傳統(tǒng)的偽倒置控制。然而,由于局部容錯措施的性質(zhì), 就無法保證全面完成這項(xiàng)任務(wù)。一個重要的結(jié)論是：從故障中恢復(fù)的能力很大程度上取決于遵循無故障機(jī)械手系統(tǒng)的關(guān)節(jié)軌跡。這個結(jié)論帶我們?nèi)ヌ剿鲀煞N方法來解決這個機(jī)械手容錯性問題。這兩種方法分別是關(guān)于任務(wù)和冗余算法的不同假設(shè)。在第一種方法中，目的是設(shè)計(jì)一個具有通用容錯功能的機(jī)械手。我們假設(shè)任務(wù)只是以大小和位置來描述的任務(wù)區(qū)間，任務(wù)即將發(fā)生在笛卡爾輸出區(qū)間，并且任務(wù)區(qū)間是此區(qū)間的一部分。沒有任何假設(shè)取決于遵循任務(wù)區(qū)間的軌跡或取決于被用來執(zhí)行任務(wù)的冗余分辨率算法。這種通用容錯機(jī)械手可以執(zhí)行任務(wù)區(qū)間在此機(jī)械手容錯能力范圍內(nèi)的任何任務(wù)。該方法對容錯機(jī)制進(jìn)行了深入探究，見第3節(jié)。第二種方法中,目的是設(shè)計(jì)出能完成特定任務(wù)的容錯機(jī)械手。在此方法中，我們假設(shè)遵循已知的笛卡爾軌跡和相應(yīng)的關(guān)節(jié)軌跡設(shè)置受限于適當(dāng)?shù)娜哂喾直媛仕惴?。我們在?節(jié)中展示我們怎樣用這些額外假設(shè)去設(shè)計(jì)比通用容錯機(jī)械手有更少自由度的容錯機(jī)械手。對以上兩種方法，我們將在文章中回答這個問題：為實(shí)現(xiàn)容錯功能，多少冗余自由度才是必要和足夠的？2 容錯和可靠性本文提出的最基本的理念是用機(jī)械手冗余自由度的方法去彌補(bǔ)某個關(guān)節(jié)可能出現(xiàn)的故障。這個根本假設(shè)就是一個可以承受某個關(guān)節(jié)失效的機(jī)械手更加可靠。問題就是：“容錯總是可以增加可靠度嗎？”可靠性理論給出了這個問題的答案。某個部件或系統(tǒng)的可靠性R(t)，是此部件或系統(tǒng)在整個區(qū)間t0, t中正常運(yùn)行的條件概率，已知部件在時刻t0時運(yùn)行正常。對無容錯串行連接機(jī)械手，當(dāng)模塊化機(jī)械手的任何一個子系統(tǒng)的一個自由度或關(guān)節(jié)模塊失效，則整個系統(tǒng)就會失效。于是，通過計(jì)算產(chǎn)品的模塊可靠性，可以計(jì)算出整個系統(tǒng)的可靠性R(t)：或者,在此情況下,每個模塊的可靠性用Rmod(t)來表示： 如果這里有n個模塊，但只有m個模塊被用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)的功能，這個系統(tǒng)可以承受(n m)個模塊失效，則系統(tǒng)的可靠性就是所有子系統(tǒng)可靠性的總和，該系統(tǒng)有(n m)或更少的故障。因?yàn)榇讼到y(tǒng)有個不同的子系統(tǒng)，個故障，且該容錯系統(tǒng)各模塊的可靠性相同，則整個系統(tǒng)的可靠性可以簡明的表示為： 我們可以把上面的公式用于下面的例子：該機(jī)械手有八個自由度，但只有七個自由度用于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。該容錯系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性為：相比于對等效為一個六自由度的無容錯系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)的可靠性以模塊可靠性的函數(shù)畫在圖1a中，同時圖1b展示相關(guān)系統(tǒng)的可靠性以上等式等于1，當(dāng)和時。這兩個圖的解釋如下： 當(dāng)則。在這兩種情況下，系統(tǒng)可靠性為零，這兩個系統(tǒng)肯定會失效。 當(dāng)，則。在這種情況下，系統(tǒng)是百分百可靠的。 當(dāng)則。這意味著容錯系統(tǒng)比無容錯系統(tǒng)更可靠。 當(dāng)則在此情況下，所有的模塊是非常不可靠的，容錯系統(tǒng)增加的復(fù)雜性會降低系統(tǒng)的整體性能。最好使系統(tǒng)可靠性接近1，這樣容錯系統(tǒng)更加可靠。比較兩個可供選擇的具有高可靠度的模塊，改寫方程（6）去表達(dá)系統(tǒng)的不可靠性會更有意義， 當(dāng)時。無容錯系統(tǒng)的不可靠性是： 一般來說，k-容錯系統(tǒng)，即可以承受k個故障的系統(tǒng)，其不可靠性為。這就意味著當(dāng)獨(dú)立模塊的可靠性高時，容錯系統(tǒng)的可靠性的增加會更加顯著。最好的結(jié)果是包括容錯與部件的高可靠性或與故障不耐性的結(jié)合。相關(guān)系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)可靠性 模塊可靠性 模塊可靠性 圖1a 8自由度容錯機(jī)械手的系統(tǒng)可靠性 圖1b 8自由度容錯機(jī)械手的系統(tǒng)可靠性和6自由度無容錯機(jī)械手的系統(tǒng)可靠性 與6自由度無容錯機(jī)械手的系統(tǒng)可靠性的對比3 通用容錯機(jī)械手在本節(jié)中,我們討論了一種無關(guān)節(jié)極限的通用容錯機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)。對于無容錯機(jī)械手，在此情況下，工作空間和大小或更確切地說容錯工作空間是其主要特征。我們確認(rèn)通用容錯機(jī)械手的若干性質(zhì)和工作空間,并提出了一個8自由度的設(shè)計(jì)模板。 為了設(shè)定我們開發(fā)階段，我們定義了以下與通用容錯機(jī)械手有關(guān)聯(lián)的概念： 通用容錯機(jī)械手：即使一個或更多的關(guān)節(jié)失效和在任意關(guān)節(jié)角被固定時，仍能完成任務(wù)要求的機(jī)械手。 k-降階導(dǎo)數(shù)：當(dāng)n自由度機(jī)械手的k個關(guān)節(jié)失效，有效關(guān)節(jié)的數(shù)目是(n k)個。這個最終故障機(jī)械手被稱作k-降階導(dǎo)數(shù)。 容錯順序：當(dāng)且僅當(dāng)其所有可能的k階降階導(dǎo)數(shù)在指定的任務(wù)中運(yùn)行時，這個機(jī)械手是有k階容錯順序的。我們就說這個機(jī)械手有k階容錯 容錯工作區(qū)：k階容錯機(jī)械手的容錯工作區(qū)是一系列以所有可能的k階降階導(dǎo)數(shù)表示的關(guān)節(jié)可靠性。請注意，我們對通用容錯機(jī)械手的定義反映了，關(guān)節(jié)失效發(fā)生在任意角度這一解決冗余算法的假設(shè)，不是已知條件。在這節(jié)剩余部分，如果沒有提及任何指定任務(wù)，則假設(shè)這個任務(wù)是要實(shí)現(xiàn)非零關(guān)節(jié)。那就是說，此任務(wù)空間是一個在機(jī)械手m輸出空間中的m面空間。如果一個機(jī)械手的容錯工作區(qū)少于m空間，則此機(jī)械手被認(rèn)為是不具有容錯功能的。3.1 通用容錯機(jī)械手的性能3.1.1 存在性一個通用機(jī)械手的末端受動器若可以到達(dá)工作區(qū)的任意位置和在任意方向運(yùn)動，則此機(jī)械手要有6個自由度。一個使機(jī)械手具有容錯功能的明顯的方法是設(shè)計(jì)所有的關(guān)節(jié)都有多余的驅(qū)動器。如果有2n自由度的容錯機(jī)械手的一個驅(qū)動器失效了，多余的驅(qū)動器能承擔(dān)未完成的工作，則這個機(jī)械手仍然是功能齊全的。相似地，通過重復(fù)自由度k次產(chǎn)生一個(k + 1)n自由度的機(jī)械手，最終構(gòu)造一個k階容錯機(jī)械手。這個論點(diǎn)說明(k + 1)n自由度足以滿足k階容錯。在本節(jié)的剩余部分，我們將確定為實(shí)現(xiàn)通用容錯功能所需要的自由度的數(shù)目。3.1.2 容錯工作區(qū)的邊界在本節(jié)中，我們說明容錯工作區(qū)的邊界點(diǎn)是一個重要的值。設(shè)想一個機(jī)械手k階容錯曲面，M。容錯工作區(qū)的邊界點(diǎn)，必須至少是一降階導(dǎo)數(shù)M*工作區(qū)間邊界的一個元素，它可以由k個曲面M的臨界點(diǎn)獲得。的確，如果是所有降階導(dǎo)數(shù)工作區(qū)間內(nèi)的一點(diǎn)，則根據(jù)定義它就是容錯工作區(qū)內(nèi)的一點(diǎn)，而不是邊界點(diǎn)。導(dǎo)數(shù)M*的函數(shù)行列式可以通過據(jù)臨界自由度刪除列數(shù)這一方法，從導(dǎo)數(shù)M的函數(shù)行列式得到。因?yàn)槭菍?dǎo)數(shù)M*工作區(qū)間的邊界點(diǎn)，所以導(dǎo)數(shù)M*在點(diǎn)處是唯一的。我們現(xiàn)在證明也是唯一的。假設(shè)不是唯一的，則至少有一個與臨界自由度相關(guān)的數(shù)會在這個唯一矩陣的區(qū)間的外面。這意味著在臨界自由度下，角度很小的變化就會使降階導(dǎo)數(shù)M最后的效應(yīng)以垂直于降階導(dǎo)數(shù)M*工作區(qū)間邊界的方向上移動，見圖2的圖解。這個降階導(dǎo)數(shù)在新的臨界角時達(dá)不到點(diǎn)。結(jié)果，點(diǎn)將會在容錯區(qū)間的外面，這與點(diǎn)是容錯區(qū)間的邊界點(diǎn)這一事實(shí)相矛盾。因此，函數(shù)是唯一的，并且點(diǎn)是關(guān)鍵值。因此，容錯區(qū)間是關(guān)鍵值的有限集合。對曲面位置機(jī)械手來講，這些關(guān)鍵值的集合是一組同心圓，并且容錯區(qū)間是外徑為、內(nèi)徑為的圓環(huán)區(qū)域。圖2 降階導(dǎo)數(shù)達(dá)不到容錯區(qū)間外的一點(diǎn)圖3 外徑的上限和內(nèi)徑的下限3.1.3冗余所需自由度在3.1.3節(jié)中，講的是，一般情況下，kn個冗余自由度，也就是說總共(k + 1)n個自由度，可以實(shí)現(xiàn)k階容錯。盡管如此，我們需要證明對曲面位置機(jī)械手來講，要實(shí)現(xiàn)k階容錯，2k冗余自由度是必須和足夠的。必要性：可以找到內(nèi)徑的一個下限和外徑的一個上限，這表明(2k + 1)個自由度（或（2k 1）個冗余自由度）是不夠的。首先，假設(shè)此降階導(dǎo)數(shù)在0度時獲得k個最前關(guān)節(jié)點(diǎn)，見圖3.在相反方向上所能得到的最大值就是外徑的上限：上式中l(wèi)i 是第i個連桿的長度。為了使為正值，我們必須使：做這樣的假設(shè)：我們發(fā)現(xiàn)是在0度得到k個最后關(guān)節(jié)的降階導(dǎo)數(shù)的區(qū)間內(nèi)徑的下界，見圖3：根據(jù)等式（8）和等式（10），得：產(chǎn)生一個一維容錯區(qū)間。因此，一個有(2k + 1)自由度的曲面機(jī)械手沒有k階容錯功能。充分性：證據(jù)表明存在一個有(2k + 2)個自由度的機(jī)械手模板，其有k階容錯。設(shè)想一個機(jī)械手有(2k + 2)個長度l的連桿。因?yàn)樗械倪B桿長度相等，這可以彌補(bǔ)因選擇一個鄰近自由度到角所引起的失效。即使當(dāng)連續(xù)的自由度失效時，跟蹤備份機(jī)制就會被用來彌補(bǔ)所有的實(shí)效。結(jié)果就是，通過犧牲一個自由度去彌補(bǔ)每一個實(shí)效，此有k個失效的(2k + 2)自由度機(jī)械手等效于一個完美的2自由度機(jī)械手。(2k + 2)自由度機(jī)械手的容錯區(qū)間就是其等效的完美2自由度機(jī)械手的區(qū)間,也就是：3.1.4包含的取向到目前為止，我們只考了慮曲面位置機(jī)械手。結(jié)果同樣很容易延伸到考慮定向的例子中，可以把定向問題轉(zhuǎn)換位等效位置問題：n自由度機(jī)械手M，若有k階容錯能力且遵循一組關(guān)節(jié)的集合：，當(dāng)且僅當(dāng)滿足以下條件時：1、通過刪除機(jī)械手M最后連桿得到的位置機(jī)械手，有k階容錯且遵循一組關(guān)節(jié)的集合。 2、當(dāng)在任何方向上達(dá)到關(guān)節(jié)集合時，機(jī)械手是(k 1)階容錯的。必要性：為了有遵循關(guān)節(jié)集合的k階順序容錯，位置機(jī)械手，至少要有(2k + 2)個自由度；因此，機(jī)械手M至少要有(2k + 3)個自由度。充分性：我們再次以存在一個階容錯的(2k + 3)自由度的機(jī)械手模板來講解。假設(shè)模板的前(2k + 2)個連桿長度為，最后的連桿長度為0；也就是前一節(jié)所描述的在尾部加一個長度為0的連桿的機(jī)械手。對次模板，它可以再次用跟蹤備份機(jī)制來表明它可以等效為一個連桿長度分別為的無故障三自由度機(jī)械手。它的容錯區(qū)間為：定理：對無關(guān)節(jié)限制的曲面機(jī)械手來講，為滿足階順序通用容錯性，2冗余自由度是必要和足夠的。3.2 空間容錯機(jī)械手我們可以證明，對曲面容錯機(jī)械手來講，2冗余自由度是必要的。這個證據(jù)是基于幾何空間分析的。盡管如此，對空間機(jī)械手進(jìn)行幾何分析太復(fù)雜了。因此，我們將使用兩個例子來證明一些空間機(jī)械手的性質(zhì)。第一個例子，假設(shè)一個五自由度空間位置機(jī)械手。它的迪納維特-哈坦伯格參數(shù)列于表1。這個機(jī)械手是一階容錯的，并且因?yàn)樗膭討B(tài)結(jié)構(gòu)簡單，我們可以導(dǎo)出它的容錯區(qū)間邊界的解析表達(dá)式。它的容錯區(qū)間相對于第一個軸對稱。圖4中表示的截面（X-Z面），可以由圓心在(x=1,z=0)，半徑為2的圓和從點(diǎn)(x = 2, z = 3)到點(diǎn)(x = 2, z = 3)的直線這兩段曲線來描述。容錯區(qū)間的一個重要性質(zhì)是它沒有任何的空穴和中央無效，因此相同機(jī)械手的按的元素縮放的容錯區(qū)間包含原始容錯區(qū)間。結(jié)果，這個容錯機(jī)械手可以被用作設(shè)計(jì)模板。任何工作區(qū)間都會被封閉于一個設(shè)計(jì)模板規(guī)?；姹镜娜蒎e區(qū)間內(nèi)。在節(jié)中顯示，曲面機(jī)械手容錯區(qū)間的邊界符合其臨界值集合。圖4證明了，在這個例子中此個性質(zhì)同樣適用于五自由度空間機(jī)械手。該臨界值集合用在伯迪克（1992）中描述的算法來計(jì)算和用實(shí)線來描述。該臨界值集合的粗體部分是該容錯區(qū)間的邊界。性質(zhì)如下：容錯區(qū)間受限于臨界值集合，因此臨界值集合可以有效地被用來檢測容錯區(qū)間。檢測一個點(diǎn)是不是容錯區(qū)間的元素，這是一個復(fù)雜的程序。我們必要去驗(yàn)證所有可能的降階導(dǎo)數(shù)是否都能到達(dá)那個點(diǎn)，也就是說所有機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是否會導(dǎo)致每個關(guān)節(jié)在每個關(guān)節(jié)角度的關(guān)節(jié)失效。為了找到與容錯區(qū)間的近似區(qū)間，必要對大量的關(guān)節(jié)進(jìn)行這樣的檢測。這過程緩慢的讓人望而卻步。盡管如此，為了提高效率，首先計(jì)算機(jī)械手的臨界值集合。這些臨界值集合將機(jī)械手的笛卡爾輸出空間隔成一些扇形區(qū)域，這些扇形區(qū)域全部在容錯區(qū)間內(nèi)，或全部在容錯區(qū)間外。表1 無定向的五自由度一階容錯空間機(jī)械手的D-H參數(shù)自由度 i1019002a103-a19004b105-b1-表2 八自由度一階容錯空間機(jī)械手的D-H參數(shù)自由度 i1019002a103-a19004b105-b0900610900700900800-因此，通過檢查某個領(lǐng)域的一個點(diǎn)是不是容錯區(qū)間的元素，可以檢查整個區(qū)域是不是屬于容錯區(qū)間。容錯區(qū)間成員檢測的次數(shù)是可以減少到在隔斷的輸出空間區(qū)域的數(shù)目。圖4 作為五自由度空間機(jī)械手臨界值集合的一部分的容錯區(qū)間邊界的截面取一個八自由度機(jī)械手，作為空間通用容錯機(jī)械手的第二個例子，其D-H參數(shù)見表2。此機(jī)械手的尾部加了一個長度為0的三維轉(zhuǎn)動腕，與前面的例子相同。利用蒙特卡羅方法，當(dāng)該機(jī)械手在任何方向都能到達(dá)例1中容錯區(qū)間的所有點(diǎn)，我們可以確定其是一階容錯的。該性質(zhì)可以用以下的參數(shù)證明。當(dāng)前五個自由度中的一個失效，該機(jī)械手依然可以達(dá)到容錯區(qū)間的任何位置(因?yàn)槲遄杂啥葯C(jī)械手是容錯的)，并且使用這個三維轉(zhuǎn)動腕可以達(dá)到此位置的任何方向。當(dāng)轉(zhuǎn)動腕中的自由度的一個失效，我們只剩下一個七自由度機(jī)械手，其有足夠的定向能力在任何方向都能達(dá)到容錯區(qū)間的任何點(diǎn)。因此我們稱其為靈巧容錯區(qū)間。既然在其容錯區(qū)間沒有空穴和空隙，該機(jī)械手同樣可以被用作設(shè)計(jì)模板。最后，我們應(yīng)該注意到這兩個例子都只有兩個冗余自由度，這表示兩個冗余自由度可以滿足位置機(jī)械手的一階容錯性。我們還要做進(jìn)一步的研究：3.1.4節(jié)中的這個定理是否同樣適用于位置機(jī)械手的高階容錯性。4 特定任務(wù)機(jī)械手在前節(jié)中，我們考慮了通用容錯機(jī)械手的設(shè)計(jì)。我們證明了為滿足一階容錯，兩個冗余自由度是必要的和足夠的。然而，正如我們將在本節(jié)中展示的那樣，當(dāng)考慮一個具體的任務(wù)時，一個簡單的運(yùn)動結(jié)構(gòu)是足夠的。這個方法的確定是一個特定任務(wù)容錯機(jī)械手只適合一系列有限的相似軌跡。與通用容錯性不同的是，特定任務(wù)容錯性對每個任務(wù)需要不同的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。然而，通過使用一個如RMMS的模塊化機(jī)器人系統(tǒng)，有可能很快重新配置為特定任務(wù)定制的機(jī)械手。4.1 局部容錯性與全局容錯性的對比考慮達(dá)到的鄰域內(nèi)所有點(diǎn)這樣一個任務(wù)。假設(shè)一個自由度的機(jī)械手在某個位置達(dá)到點(diǎn)，。如果位置不是唯一的，則存在，如此，該機(jī)械手可以達(dá)到內(nèi)的任意點(diǎn)。然而，對階容錯性，即使當(dāng)該機(jī)械手的個自由度為0時，內(nèi)的任意點(diǎn)需要是可達(dá)到的。當(dāng)且僅當(dāng)在位置的所有降階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)行列式不是唯一的，也就是至少階是可能的。我們稱位置為局部容錯性。階降階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)行列式，可以通過刪除相當(dāng)于臨界自由度的無故障函數(shù)行列式的列來得到；函數(shù)行列式的維數(shù)為。為階的必要條件是大于或等于。的確，該機(jī)械手甚至在其中個自由度失效的情況下，至少需要個有效自由度。那意味著對局部容錯性，個自由度是必要的。對局部容錯性，個自由度同樣是足夠的嗎？假設(shè)一個個自由度的機(jī)械手，階降階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)行列式是一個的矩形矩陣。如果所有階降階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)行列數(shù)都是滿秩的，則位置是局部容錯性。如果每個的階數(shù)小于，則該機(jī)器人是內(nèi)部異常的。唯一局部容錯性和內(nèi)部唯一位置的不同之處見圖5。當(dāng)時，內(nèi)部異常的軌跡是內(nèi)的一系列維的平面，或者是維的平面。因此，幾乎有階降階導(dǎo)數(shù)的機(jī)械手的所有位置，都是局部階容錯的。這用以下的定理概述。定理：個冗余自由度對滿足階局部容錯是足夠的。事實(shí)是，即使當(dāng)個自由度失效時，位置是機(jī)械手能達(dá)到末端受動器位置鄰域內(nèi)的所有點(diǎn)的階局部容錯的保證。然而，這個鄰域可以是很小的。為了將此結(jié)果延伸到更大的軌跡，我們必須要制定一個全局容錯性條件。這可以通過一個具體實(shí)例來說明。局部容錯性 內(nèi)部異常 唯一的Rank(J) = 2 Rank(J) = 2 Rank(J) 2圖5 三自由度曲面機(jī)械手在局部容錯、內(nèi)部異常和唯一位置時的實(shí)例4.2 任務(wù)具體容錯性的實(shí)例在我們提出全局容錯性之前，我們修改容錯性的定義，使之包含任務(wù)特性：任務(wù)特定的容錯機(jī)械手：當(dāng)且僅當(dāng)存在一個容錯關(guān)節(jié)軌跡時，機(jī)械手是一階容錯的，并且執(zhí)行遵循笛卡爾路徑的任務(wù)。容錯關(guān)節(jié)軌跡：軌跡，是一階容錯的，并且執(zhí)行遵循笛卡爾路徑的任務(wù)，如果對每個自由度和每個瞬間，存在一個交錯的軌跡，如下：圖6 特定任務(wù)容錯實(shí)例的路徑1) 映射到在向前運(yùn)動2) 3） (也就是個自由度在時刻達(dá)到臨界)該機(jī)械手的定義與通用容錯機(jī)械手的定義之間有兩處主要的不同點(diǎn)。第一個不同點(diǎn)是我們假設(shè)任務(wù)遵循一個特定的笛卡爾路徑，而不是任務(wù)區(qū)間內(nèi)未指定的路徑。第二個不同點(diǎn)是當(dāng)某個關(guān)節(jié)在任意關(guān)節(jié)角失效時，我們不再要求每個點(diǎn)都能在此笛卡爾路徑上獲得，但僅在容錯關(guān)節(jié)軌跡上先前發(fā)生的角上獲得。在此假設(shè)下，僅用個冗余自由度就能獲得階容錯。作為一個例子，考慮一個有規(guī)范化單位連桿的三自由度機(jī)械手。我們想確定該機(jī)械手在遵循圖6中參數(shù)為的路徑時是否為一階容錯的。對路徑上的每一個點(diǎn)可以計(jì)算出一個原象。因?yàn)槔又械臋C(jī)械手具有一階冗余自由度，每個點(diǎn)的原象是的一維子集，該例子中的參數(shù)為。連續(xù)函數(shù)在中描述了一個二維平面，見圖7。每個映射到特定笛卡爾路徑的關(guān)節(jié)軌跡，用公式表示為或。根據(jù)特定任務(wù)容錯性的定義，當(dāng)且僅當(dāng)找到一個容錯軌跡時，該機(jī)械手是容錯的。很明顯，容錯軌跡的每個位置必須是局部容錯的。然而，即使位置是局部容錯的，點(diǎn)處的故障可能會引起點(diǎn)處的故障，所以上面的要求是不夠的，是難以達(dá)到的。因此，我們應(yīng)該不但盡可能地排除容錯軌跡的內(nèi)部異常位置，而且要排除進(jìn)一步沿著該路徑產(chǎn)生內(nèi)部異常的位置。這是全局容錯的條件。我們的例子中，可接受的一系列位置見圖8。一系列相同的位置可以出現(xiàn)在圖9中平面的白色區(qū)域。對所有可接受的位置可以找到一個連續(xù)函數(shù)時，存在一個容錯軌跡。該軌跡見圖9中的虛線。對圖9的進(jìn)一步分析表明，這些不可接受的區(qū)域可以根據(jù)失效自由度進(jìn)行分類。這些對自由度1、2和3失效的分類分別見于圖10、11和12。虛線與內(nèi)部異常位置對應(yīng)，與此同時，實(shí)線分別是常數(shù)關(guān)節(jié)角、和的輪廓。這些輪廓表示一個失效的自由度一旦被固定時所要遵循的關(guān)節(jié)軌跡?；疑珔^(qū)域是違反全局容錯條件的位置。圖7 路徑的原象 圖8 容錯軌跡的可接受點(diǎn)圖9 一條可能的容錯軌跡。 圖10 關(guān)節(jié)1失效的例子中的不可接受的不可接受位置區(qū)域用灰色標(biāo)識。 位置（灰色區(qū)域）。實(shí)線是常數(shù)角的輪廓，虛線表示內(nèi)部異常位置 注意，時，這些區(qū)域的輪廓線都達(dá)不到笛卡爾路徑的末端，反而在內(nèi)部異常處被卡住了。注意到對每個自由度，這些可以被接受的區(qū)域可以用容錯關(guān)節(jié)間隔描述。例如，見圖9中的容錯軌跡區(qū)域，其關(guān)節(jié)間隔特性描述在圖13中。只要這些關(guān)節(jié)角保持在這些沿此路徑的各點(diǎn)的容錯關(guān)節(jié)間隔內(nèi)，該路徑容錯的執(zhí)行是受保證的。圖11 關(guān)節(jié)2失效的例子中的不可接受的位置 圖12關(guān)節(jié)3失效的例子中的不可接受的位置4.3 特定任務(wù)容錯分辨率的算法我們已經(jīng)表明，對遵循笛卡爾路徑的容錯，遵循只包含滿足全局容錯條件位置的關(guān)節(jié)空間是很重要的。我們?nèi)绾螌?shí)際實(shí)現(xiàn)這樣呢？一個明顯的方法就是計(jì)算一條離線的容錯關(guān)節(jié)軌跡和把它存儲為一組關(guān)節(jié)空間的通點(diǎn)。在執(zhí)行時間，關(guān)節(jié)空間控制器可以被用來遵循這一軌跡，直到檢測到一個關(guān)節(jié)失效。在這點(diǎn)，失效關(guān)節(jié)被固定，并且一個逆運(yùn)動學(xué)算法被用在在線為余下的自由度計(jì)算適當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)角。圖13 圖9中以虛線表示的軌跡的容錯關(guān)節(jié)間隔雖然計(jì)算方便和便宜，但該方案還是有一些缺點(diǎn)。首先，容錯關(guān)節(jié)軌跡在運(yùn)行時間內(nèi)通過調(diào)整來滿足任務(wù)的需要，如躲避障礙。同樣，當(dāng)發(fā)生故障時，機(jī)械手很難從有個自由度運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)地過度到有個自由度運(yùn)行狀態(tài)，所以我們必須瞬時改變關(guān)節(jié)軌跡發(fā)生算法。為了避免這些缺點(diǎn),我們建議在出現(xiàn)失效前后都使用一個如下形式的運(yùn)動控制器：在Lewis and Maciejewski (1994b)中也是如此建議的。這個到少自由度運(yùn)行的過渡可以通過將與固定自由度相適應(yīng)的雅克比列清零簡單的實(shí)現(xiàn)。漸變投影法可以用來確保機(jī)械手停留在容錯關(guān)節(jié)間隔中，如圖13所示。通過選擇合適的潛能函數(shù)，我們甚至可以組合有次要任務(wù)要求的容錯。另外的優(yōu)勢在于該方案能容納在笛卡爾路徑上的小變化，同時保持笛卡爾路徑容錯。只要關(guān)節(jié)軌跡停留在容錯關(guān)節(jié)間隔內(nèi)，就能保證當(dāng)關(guān)節(jié)失效時，進(jìn)一步沿笛卡爾路徑的每一個點(diǎn)都能達(dá)到。在傳感器系統(tǒng)中，小軌跡修正是基于傳感器反饋的，這是特別重要的。5 總結(jié)在這篇文章中，我們已經(jīng)表明了通過增加冗余自由度使機(jī)械手具有容錯功能，是增加機(jī)械手可靠性的有效方法。然而，并不是所有的冗余機(jī)械手都是容錯的。因此設(shè)計(jì)容錯機(jī)械手的一個重要問題是：為滿足容錯，多少自由度才是必要的和足夠的？而且，這些自由度如何沿機(jī)械手分布？我們已經(jīng)表明，根據(jù)任務(wù)進(jìn)行假設(shè)，對這一問題的解答是不同的。對于無接頭通用容錯機(jī)械手，兩個冗余自由度對維系故障是必要的和足夠的。用兩種空間通用容錯機(jī)械手說明了如下結(jié)論：五自由度位置機(jī)械手和八自由度位置機(jī)械手都是定向機(jī)械手。這兩種機(jī)械手都具有無空穴或空洞的容錯區(qū)間，所以我們可以修改設(shè)計(jì)來適應(yīng)任何任務(wù)。對特定容錯機(jī)械手來說，一個冗余自由度對滿足一階容錯是必要和足夠的。然而，人們會使用不同的機(jī)械手和為每項(xiàng)任務(wù)重新計(jì)算容錯關(guān)節(jié)間隔。通過采用模塊化機(jī)械手系統(tǒng)可以克服這個缺陷，該系統(tǒng)可以快速為實(shí)行特定任務(wù)進(jìn)行重新裝配。鳴謝這項(xiàng)研究是由電氣與計(jì)算機(jī)工程部和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院所簽合同AC-3752-A下的美國山迪亞國家實(shí)驗(yàn)室贊助的。作者同樣感謝一些評論員對原稿指出了一些缺點(diǎn)。由于他們的意見和建議,這篇文章的質(zhì)量有了很大的提高。參考文獻(xiàn)1 Burdick, J. 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