球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計

球面SCARA機器人總體及控制系統(tǒng)設(shè)計,球面,scara,機器人,總體,整體,控制系統(tǒng),設(shè)計 外文翻譯專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學 生 姓 名 董香龍 班 級 B機制077 學 號 0710101717 指 導(dǎo) 教 師 袁 健 外文資料名稱：Design and analysis of a spherical mobile robot 外文資料出處： Mechanism and Machine Theory 45 (2010) 130136 附 件： 1.外文資料翻譯譯文 2.外文原文 指導(dǎo)教師評語： 簽名： 年 月 日球形移動機器人的設(shè)計與分析 Vrunda A.Joshi,Ravi N.Banavar,Rohit Hippalgaonkar董香龍譯摘要：最近，我們的團隊構(gòu)造了了一個球形移動機器人的平面圖并且驗證了它是否滿足角動量守恒定律。該機器人是一個典型的非完整約束系統(tǒng)，它采用路徑規(guī)劃算法來鑒別某個平面系統(tǒng)的非完整性。這種球形移動機器人模型不同于已往的機器人模型，因此以往的算法不適用于本系統(tǒng)。可行性路徑規(guī)劃和反饋控制算法是該類機器人研究的理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： 球形機器人；非完整約束系統(tǒng)；歐拉參數(shù)1.前言 移動機器人是機器人技術(shù)的重要分支之一。對于機器人的移動性（比如滾動），比一般的機器人更具優(yōu)勢。這種運動的磨損少，配置容量小，系統(tǒng)具有非完整性并且摩擦小。相對于單輪式機器人，陀螺儀的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因為外形是球形，機器人可以從碰撞中恢復(fù)到原狀1。傳感器都可以安裝在里面的球殼，這樣機器人就可以得到有效的使用。所以，可以利用控制工程的理論來建設(shè)一個自主球形移動機器人的實驗平臺。球形移動機器人的驅(qū)動單元一般裝在球殼內(nèi)。它由球形外殼和拱狀體組成的，傳動裝置是由一個單擺和控制拱組成。拱狀體和單擺可以控制俯仰角。在2,3中，滾動輪子里面的球形外殼驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)彎。該機器人的移動會受到平衡系統(tǒng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擾動。在Harmo設(shè)計和研發(fā)的球形移動機器人的實驗中 （這個特別的實驗稱之為“羅洛” ）4，他把驅(qū)動單元放在邊緣，這個驅(qū)動單元可繞兩軸旋轉(zhuǎn)。而具有這個結(jié)構(gòu)的小型車已經(jīng)使用了Sphericle的驅(qū)動單元5。這款車既可以獨輪運動也可以由兩個步進電機驅(qū)動。當介紹目前機器人的工作原理時它們的工作質(zhì)心都發(fā)生了變化。 Rollmob是由Ferrire等人設(shè)計和發(fā)展上的一個項目。6是一個由裝有輪子的普遍滾筒驅(qū)動的球。軋輥輪轉(zhuǎn)動帶動周圍軸輪球的滾動，而球的滾動方向垂直于該軸。由Bhattacharya等建筑設(shè)計的機器人7，是把兩個相互正交的轉(zhuǎn)子，從球殼內(nèi)連接到外部的機器人。沿Z軸的一個單轉(zhuǎn)子和沿X軸的兩個轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，這是作為一個單一的剛性連接體。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于角動量守恒定律，球形機器人可以在其相反的方向滾動。而GroundBot球形機器人是為外星勘探開發(fā)的。這個機器人的重心同地面控制鐘擺保持這密切的聯(lián)系。當機器人被提升，球就可以滾動。當擺側(cè)移動，球就轉(zhuǎn)圈，Spherobot是一個憑借Mukherji等球形移動機器人的機器裝置。8的大多數(shù)輻條都沿徑向放置，其徑向運動制造了機器人運動?！蔼氀劬奕讼到y(tǒng)”9在其運動中有兩個自由度，它可以通過垂直軸和輥軸利用馬達的動力沿水平方向前后動作，同時需要固定內(nèi)齒輪頭。審查過的文件提供了球形移動機器人構(gòu)造細節(jié)，這些文件可以在10,11里查閱到，該系統(tǒng)對現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法及反饋算法作了簡明的分析，這些可以從12,13得到。在本文中，我們提出了一個球形移動機器人的概念，及其設(shè)計，制作并在實驗室里分析和研究了這個系統(tǒng)。本文的組織如下：第2節(jié)介紹了機器人的結(jié)構(gòu)和設(shè)計細節(jié)，第3節(jié)介紹了利用四階矩陣建立的數(shù)學模型，在第4節(jié)中我們討論了機器人的四元空間。第5節(jié)是實驗結(jié)果的討論，第6節(jié)結(jié)束語。 2.設(shè)計 實驗室的球形移動機器人是在滿足角動量守恒定律的基礎(chǔ)上所設(shè)計的。該機器人有兩個內(nèi)部轉(zhuǎn)子，由4毫米厚的丙烯酸度材料制造。機器人的內(nèi)徑為30厘米。設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是安放內(nèi)部組件，（例如，確定機器人的質(zhì)心位置），這樣，機器人就不會自干涉了。實現(xiàn)這一目標的最簡單方式是把所有的零件對稱放置。球體內(nèi)部有兩個相互垂直的轉(zhuǎn)子軸，這兩個轉(zhuǎn)子軸的直徑為32cm，驅(qū)動電機為80w無刷，容量800MA，其中有二十個PACK鋰電電池，供一個電動機使用，總共有四節(jié)電池。這兩個速度控制單元控制電機的速度而且受外部控制器的信號影響。如圖1所示，對稱放置組件和轉(zhuǎn)子，電機的速度控制裝置放在邊上，且要與電池自重的方向相反放置。同樣，另一電機的速度控制也要與電池自重方向相反放置。如圖2所示 ，該機器人有兩個半球，每個半球由一個電機總成和一個電池聚集而成。機器人的總重量為3.4公斤。圖3顯示了發(fā)達的機器人的原理圖。正如在第1節(jié)討論的，在不同的文獻中驅(qū)動原理是不同的，一些球形機器人的工作原理發(fā)生了變化，而且在重力作用下，還要滿足角動量守恒定律。如前所述，我們的球形機器人工程是針對角動量守恒原則設(shè)計的。其他一個類似的原則可以參見工作球形機器人報道7,14。這兩個轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)子式發(fā)動機必須質(zhì)量平衡，同步運行這些移動轉(zhuǎn)子可能會造成實際執(zhí)行時間的問題。對于這一點，我們有一個在X方向的單轉(zhuǎn)子以及Z方向的轉(zhuǎn)子來解決這一問題，我們提供了權(quán)重調(diào)整。此外，透明的球殼可以使學生在機器人運動中掌握它的內(nèi)部機制。兩個半球之間沒有相對運動，這是非常重要的。要做到這一點必須擰緊一個沿球體軸的連桿，正如圖3所示。圖1放置在一個半殼的組件圖2 球形機器人的結(jié)構(gòu)圖3 球形機器人的結(jié)構(gòu)簡圖3數(shù)學建模 本節(jié)描述了滾動球形機器人的研發(fā)，它采用四元分析模型。設(shè)想一個球形機器人在一個水平面上滾動，如圖4所示。慣性坐標系xIyIzI的起點記作點O。坐標軸xbybzb聯(lián)系著球坐標，其原來的球心G為坐標原點。廣義坐標的描述領(lǐng)域由15組成： 平面上的接觸點坐標； 表示該球體的方向變量。圖4 球體在表面上滾動我們用歐拉參數(shù)的4組參數(shù)來描述球的方向。歐拉參數(shù)是一個非奇異的二對一的映射。此外，在四元歐拉參數(shù)的方程中可以使用四元代數(shù)16-19。通過歐拉參數(shù)的設(shè)置，我們得到了廣義坐標為：其中（x，y）是接觸點I的坐標， E0和E1，E2和E3是歐拉的參數(shù)描述的四元數(shù)據(jù)，使得：（其中ib,jb,kb的是在車身骨架的單位向量，w是在給定范圍的角速度）對軸的角速度矢量投影可以涉及到歐拉參數(shù)的變化率，在17,20已經(jīng)給出：我們假設(shè)滾動球無滑動，則：對于一個單位球，無滑移約束方程減少到： 方程（1）及方程（3）描述了球體的運動狀態(tài)方程， （3）其中：可以證明該矩陣Q是一個正交矩陣，因此也是可逆的。內(nèi)部轉(zhuǎn)子（這是為機器人的驅(qū)動器）位于沿車身骨架的X軸和Z軸。該機器人是對稱的，因此，我們認為系統(tǒng)方程（3）可以是： （4）其中： （5a） . （5b）. （5c）4、模型性質(zhì)4.1、可控在我們開始對球形機器人的路徑規(guī)劃時，必須檢查是否存在一個路徑是連接球的任意位置。這個問題在Chow定理21已經(jīng)給出了答案，本節(jié)中，我們使用22的算法來回答這個問題?？紤]由方程（4）描述的系統(tǒng)：其中p,x1(p),x2(p)由方程（5）給出，我們計算了以下Lie Brackets時使用了菲利普Hall會議21,22的文獻， X3=X1,X2 (6a)X4=X1,X3 (6b)X5=X2,X3 (6c)X6=X1,X4 (6d) 這樣就形成一個上述Lie Brackets使用的向量場分布：=X1,X2,X3,X4,X5,X6其中： 可以說，所有高階括號都可以用X1，X2，X3的，X4，X5表示，它們分配為5級。由于使用了歐拉參數(shù)，變量數(shù)變?yōu)?。我們使用4個參數(shù)來描述一個系統(tǒng)的方向，同時需要定義一個超曲面， （7）這是一個三自由度的球，這給5階維數(shù)是配置相等的等級。因此，使用Chow的定理的系統(tǒng)是可控的，可在任意位置使用的Lie Brackets的向量場，（6）是所述的議案。4.2、轉(zhuǎn)換成鏈式 為了確定非完整程度，我們構(gòu)建與控制系統(tǒng)（4）相關(guān)的分布為：然后，我們用分布作為相關(guān)過濾來建立方程，根據(jù)文獻23，這使反饋轉(zhuǎn)化為一個鏈式非完整系統(tǒng)的兩個輸入量，當且僅當 （8）在這種特殊情況下，可以看出，條件（8）不滿足，這時不可能轉(zhuǎn)換成鏈式模型。5、實驗裝置和討論實驗已經(jīng)嚴格地按照如圖所示5的實驗裝置進行了。系統(tǒng)中的主控制器是一款具有藍牙功能的PC機，從而產(chǎn)生控制信號，再根據(jù)算法編程?？刂菩盘杺鬏?shù)轿⒖刂破鱌IC16F877，通過藍牙調(diào)制解調(diào)器Blue Smirf Gold解調(diào)。根據(jù)電腦接收到的信號，微控制器控制的DC使用數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器（DAC），這樣電機就轉(zhuǎn)動起來了。啟用具有反饋的霍爾傳感器，它通過電機和光學編碼器，把該轉(zhuǎn)子位置信息和速度信息提供出來。在實驗中，它是可以控制電機的速度。對機器人的路徑規(guī)劃問題及有關(guān)工作在24講述。在這次實驗中我們主要感興趣是：旋轉(zhuǎn)：當有一個轉(zhuǎn)子在垂直位置時，機器人繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。這種特殊的機動稱為旋轉(zhuǎn)機動。處于垂直位置實驗的機器人就是為這個特殊的動作服務(wù)的。據(jù)觀察，實驗中機器人在對垂直軸的響應(yīng)速度和旋轉(zhuǎn)角的改變滿足預(yù)期效果。但是，結(jié)果是，角速度幅度變化緩慢。這一結(jié)果就不太令人滿意了?；剞D(zhuǎn)：當其中一個轉(zhuǎn)子處于水平位置，機器人在平面上直線滾動而且接觸點應(yīng)環(huán)繞球體表面的大圈回轉(zhuǎn)，在平面上要垂直于轉(zhuǎn)子軸。根據(jù)所做的實驗，這個動作達不到預(yù)期的效果?？赡苁怯捎谂c球的表面參數(shù)和一些設(shè)計參數(shù)出現(xiàn)了偏差，如轉(zhuǎn)子的偏差問題。圖5 實驗室的實驗裝置6、結(jié)束語 本文設(shè)計了球形機器人在平面上滾動的結(jié)構(gòu)特點。該系統(tǒng)的運動學模型，使用了四階矩陣來定位?？梢钥闯?，該模型是非奇異的。結(jié)果表明，該模型是完全可控和在四元的球體中構(gòu)造一個三元的組態(tài)，此外它不能轉(zhuǎn)換成鏈式。根據(jù)此次實驗，我們觀察到它的一些動作，結(jié)果不符合預(yù)期的效果，我們計劃解決這些問題。我們還要利用四維矩陣的非奇異模型來探索路徑規(guī)劃和穩(wěn)定控制器的開發(fā)。這些都是我們今后工作的主要途徑。鳴謝：感謝電監(jiān)會贊助的科學和技術(shù)系（印度）為這個項目提供了部分援助。參考文獻： 1 A. 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