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附件1：外文資料翻譯譯文
獨立動力單臂機器人
摘要：本文介紹了獨立動力的平面單臂機器人的構(gòu)思和初步結(jié)果。機器人二個自由度由液壓油驅(qū)動，一個臂控制。它運用的是液壓反推裝置，一種能精確的提供高壓，工作臺面寬度一般并且阻抗力很小的控力裝置。這些裝置安裝在機器人的身體部位，用電纜將能量傳送到臀部和腿的關(guān)節(jié)處。液壓發(fā)動機驅(qū)動著一個排量恒定的給蓄電池增壓的泵。因為用的是線性譯碼器，每個反推裝置的絕對位置和彈簧的壓縮都可測量的。彈簧壓縮量轉(zhuǎn)化為輸出力，利用軟件使用循環(huán)算法把控制力與需要的力相比。輸出信號的每個力控制器驅(qū)動著高性能的伺服閥門，控制著液體流向執(zhí)行機構(gòu)的活塞。
在設(shè)計機器人過程中，我們用了以模擬為基礎(chǔ)的重復(fù)多次的設(shè)計方法。初步概算的機器人的物理參數(shù)是基于以往的經(jīng)驗并且形體上更逼真的機器人的仿真模型。其次，控制算法模擬出它在平面上的跳躍。從模擬中的關(guān)節(jié)的能源要求和移動范圍，我們再反推出需要的滑輪的直徑，活塞的直徑，行程，液壓，伺服閥門的流量和帶寬，齒輪泵的額定流量和發(fā)動機功率。符合或超過技術(shù)要求的零件被選出來集成到機器人里去，運用CAD軟件，我們計算出設(shè)計的機器人的物理參數(shù)，將它們代替先開始用CAD估算出來的數(shù)據(jù)，然后生產(chǎn)出新的能源要求的連接器。我們不斷重復(fù)這些工作，最終得到了設(shè)計中的提到的已校正過的原型。
一般來說，除去體外的泵產(chǎn)生的力，在慣性作用下，機器人以大約1.2m/s的速度運轉(zhuǎn)，。在試驗臺上，最終試驗的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載到機器人實體上去。當(dāng)除去電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的慣性力以后，機器人普遍以大約2.25m/s的速度運轉(zhuǎn)。目前進行的工作是把電力系統(tǒng)集中到機器人本身，總結(jié)出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。
1. 介紹
實用機械手因為動力平衡要求，復(fù)雜的設(shè)計和動力系統(tǒng)等原因正在接受挑戰(zhàn)。為了研究動力自主機械手，我們開發(fā)了一個高壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動的雙缸發(fā)動機提供動力的動力自主機器人。這種機器人是一個平面機器人，由一個半徑12英尺的構(gòu)架限制表面范圍。它有2個自由度，一個導(dǎo)桿和曲柄。液壓執(zhí)行裝置固定在機身上，通過鏈條傳遞到導(dǎo)桿和曲柄。
單臂機器人被設(shè)計為一個適合多樣性技術(shù)的測試平臺，它包括：
·液壓彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置 液壓執(zhí)行裝置要考慮到高準確性, 適度帶寬壓力控制，一些機器人利用彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置,而單臂機器人是第一臺應(yīng)用液壓型執(zhí)行裝置的機器人 。
·虛擬轉(zhuǎn)動彈簧 轉(zhuǎn)動的支架定位經(jīng)常仿造在彈簧上, 它表示轉(zhuǎn)動效率取決于肌肉組織和筋（見參考文獻[4]）。為了加快效率和簡化控制，大多數(shù)機器人利用的是一個物理支管彈簧（見參考文獻[5]。單臂機器人是一個決定在轉(zhuǎn)動機器人中是否能用虛擬彈簧替代實體彈簧的測試平臺。 當(dāng)單臂機器人完成試用，我們將模擬一個使用可控制的虛擬支撐彈簧。
·彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置的特性 如果在實體彈簧中沒有得到效率補償，機器人靈活的保持控制, 彈簧彈回完全支配合成力。
·高密度，移動性，液壓動力系統(tǒng) 為了使機器手臂更實用，必須要研制高動力和高能量系統(tǒng)。燃油驅(qū)動液壓系統(tǒng)是一個使人感興趣的選擇。然而，現(xiàn)在缺少輕便的解決方法，而且專家這方面的知識比腿部機器人的知識更加集中。單臂機器人是可以成為一個能給與其他機器人提供液壓發(fā)動機動力系統(tǒng)的發(fā)展項目和測試平臺 。
在機器人的設(shè)計中, 我們反復(fù)利用了個仿真設(shè)計程序。我們以各種不同的速度和不同的總數(shù)塊運行了機械手，現(xiàn)實模擬而且得到了物理參數(shù)和聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度、和運動范圍要求。使用這些功率的聯(lián)合器,我們能夠計算出系統(tǒng)的壓力和流程需求，而且可以選出一些符合那些規(guī)格部件來。然后在SolidWorks里把這些部件連同機械手結(jié)構(gòu)一起做成模型，得到的新的機械性能被加載到模型里進行模擬。重復(fù)這一個程序，直到原型設(shè)計成份選擇出來。
2.模擬仿真
為了確定單臂機器人的電力需求，我們用Yobotics Simulation Construction Set軟件進行了最真實的模擬。在模擬實驗中，我們假設(shè)彈力腿部的回彈力為0。這是一個非常保守的設(shè)定，因為記載數(shù)據(jù)顯示奔跑的動物和幾乎所有移動機器人的彈力腿部的回彈力都很大。我們打算最后修改彈力腿部構(gòu)造的設(shè)計?，F(xiàn)在，先假設(shè)回彈力為0，其一確保電力系統(tǒng)超過最終機器人所需的要求，其二因為彈力腿部是比較難模擬的，我們要準確的確定它提供哪種電力儲備系統(tǒng)。
我們總結(jié)了模擬機器人以3.5m/s速度行走時的控制法（圖1），算法類似于Raibert （見參考文獻[5]）的三工位計算，但是稍做了修改。工步通過控制垂直方向的上下速度進行控制，而不是通過底部的彈簧片組的壓縮得到。因為單臂機器人的腿部彈簧是假設(shè)的，并且臀部和膝蓋的力是任意假設(shè)給定的，所以這完全有可能。相對來說，大多數(shù)可移動機器人的腿部彈簧是真的并且規(guī)定了相應(yīng)的跳躍。如果真實的速度比需要達到的速度更少，除了經(jīng)過腳安置控制向前的速度之外，需要增加一個速度控制機延遲推進。
我們在各種不同的身體塊中做模擬以完善機械手的設(shè)計。到目前為止，當(dāng)輕量級 (94 磅) 模擬速度為3.5m/s時, 重量級的模擬速度只有2.5m/s。圖1表示的是94 磅重的機器人在 速度是3.5 m/s時模擬賽跑的一個截圖。
圖1 43公斤(94磅)單臂機器人以3.5 m/s的速度模擬賽跑的圖像動畫
圖像間隔0.05秒。從右向左運動。
在運動中，聯(lián)合關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)力矩、速度和力量在一個完全的周期期間改變。表 1顯示了模擬奔跑時運動的轉(zhuǎn)力矩、速度、力量和范圍的最大值。液壓系統(tǒng)的組成部分按照聯(lián)合關(guān)節(jié)處的力量數(shù)據(jù)來選擇。
表1 模擬聯(lián)合關(guān)節(jié)處以最大速度運動時的力量要求
最大臀部轉(zhuǎn)力矩
360 Nm
266 ft-lb
最大膝轉(zhuǎn)力矩
360 Nm
263 ft-lb
最大臀部速度
24 rad/sec
224 RPM
最大膝速度
28 rad/sec
264 RPM
最大臀部力
4450 W
5.96 HP
最大膝力
4205 W
5.63 HP
最大總力
6025 W
8.07 HP
平均力
1550 W
2.08 HP
最大臀部旋轉(zhuǎn)
1.70 rad
97.3 deg
最大膝旋轉(zhuǎn)
1.12 rad
63.7 deg
3.液壓系統(tǒng)設(shè)計
在設(shè)計液壓系統(tǒng)前，我們對于單臂機器人的總體結(jié)構(gòu)做一些設(shè)想。
1) 假設(shè)動力元件牢牢的裝在機器人的身體部位并且用電纜和滑輪機構(gòu)和關(guān)節(jié)處連接好。通過放置在機器人身體上的動力元件（正如直接安置在機器人腿上的反推裝置），可以將機器人腿的質(zhì)量減到最小，并可以使它達到很快的運動速度。
2) 假設(shè)動力元件是線性的，而不是螺旋的。液壓直活塞相比螺旋液壓活塞更容易運用，更便宜更輕。此外，用螺旋液壓活塞很難執(zhí)行連續(xù)的彈性沖擊。這是因為相對于壓縮彈簧，扭彈簧性能很差，并且生產(chǎn)扭彈簧的過程很復(fù)雜。
圖2 單臂機器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計圖
圖2表示的是單臂機器人的液壓循環(huán)圖。紅線表示的高壓供應(yīng)路線，藍線表示的低壓返回路線。恒量泵由發(fā)動機驅(qū)動，給油箱外的低壓油增壓并使它們沖過各種障礙。如果流進去，液體正常的通過一個節(jié)流閥，在這對蓄電池加壓。電腦控制著的電磁閥可以間隔的通過一個油液冷卻器阻止液體回流到油箱。當(dāng)積聚的力已經(jīng)達成被需要的最大值如一個壓力感應(yīng)器所測量的壓力的時候，運用并聯(lián)電路。高壓力液體被儲存在油箱中，直到二個伺服閥門之中任意一個啟動。如果壓力在積聚者中變成太高,一個壓力減輕閥門將會交替地把液壓油轉(zhuǎn)移回到油庫。伺服閥門控制每個活塞的壓力和流量。 如活塞被循環(huán),回返液體經(jīng)過油冷卻器被送回到油庫,如此完成周期。
3.1液壓成分選擇
液壓的系統(tǒng)配置相當(dāng)標(biāo)準。困難在于在沒有設(shè)計說明書的情況下挑選出符合單臂機器人力量要求的組成部件，還要留下余量。圖 3 是成份選擇程序的示意圖。
圖3 成分選擇過程示意圖
3.2.滑輪和活塞直徑
我們從模擬中為單腳架估算了運動的聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度和范圍。力量經(jīng)過繞過滑輪的鋼電纜被傳送到關(guān)節(jié)，而且這些鋼的電纜由液壓活塞驅(qū)動。在選擇活塞和滑輪直徑方面，假定操作壓力為3000PSI,這是一個廣泛承認的超高壓標(biāo)準。當(dāng)壓力超過3000PSI時，設(shè)備變成非常重而且貴。
考慮滑輪直徑的同時，還必須考慮電纜壽命。非常小的皮帶輪對鋼索會產(chǎn)生顯著的彎曲應(yīng)力，從而使電纜壽命退化。按照電纜制造業(yè)情況，滑輪直徑應(yīng)該是大約包圍在它周圍的電纜的直徑的25 倍。我們初步選擇了一個直徑為0.188英寸的電纜，因為它的斷裂強度（ 2000磅）差不多達到設(shè)計要求。根據(jù)制造業(yè)者的 25X 因素,我們得到了一個直徑為4.68 寸的滑輪。取整數(shù),使用一個直徑為4.75英寸的滑輪。用這個帶輪直徑和3000PSI的設(shè)計壓力，計算出扭矩為266英尺-磅條件下的活塞直徑是 0.770 英寸。保守起見，選擇了活塞直徑為0.75英寸。注意驅(qū)動力（指電纜力）為0.75英寸直徑的活塞是1324磅，少于額定強度電纜2000磅。汽缸直徑為0.75英寸和滑輪直徑4.75英寸，模擬產(chǎn)生的最大壓力和流速如表2所示。
表2 活塞直徑為0.750英寸，帶輪直徑為4.75英尺時模擬的最大壓力值和流量
最大臀部主動器壓力
20.68 MPa
3000 PSI
最大膝主動器壓力
20.68 MPa
3000 PSI
最大值髖舵機流速
4.02e-4 m3/s
6.38 GPM (24.5 in3/s)
最大值膝動器流速
3.895e-4 m3/s
6.17 GPM (23.8 in3/s)
最大總動器流速
6.385e-4 m3/s
10.12 GPM (39.0 in3/s)
平均流速
1.98e-4 m3/s
3.14 GPM (12.1 in3/s)
在圓筒和滑輪直徑選擇方面，我們用了模擬模型為單臂機器人結(jié)束產(chǎn)生壓力和流程需求而且延長時間的時期。從這個壓力和流量的數(shù)據(jù)中抽取了平均流量、洪峰流量和壓降。這方面的資料，用來選擇主要系統(tǒng)組件，包括伺服閥、散熱器、蓄能器、齒輪泵等。
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