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機器人手臂集成系統(tǒng)的機械和控制問題
摘要
在本文中，通過波羅尼亞大學的機械手臂系統(tǒng)的設計特點，提出一個靈巧的機械手臂操控系統(tǒng)的想法。新的機器人手臂原型，目前在設置階段。它有詳細的說明，主要是對機器人手臂的傳感設備，機械一體化和通過控制算法進行的手臂協(xié)調(diào)子系統(tǒng)進行研究，從而獲得其結(jié)構(gòu)和功能的集成。
關(guān)鍵詞：機械手臂，整合，傳感設備，機械一體化，集成
引言
長期的整合，對定義現(xiàn)代自動化是很有意義的。這次我們的主要目標就是研究和開發(fā)一個新的機器人操作系統(tǒng)，即設計的系統(tǒng)在機械人設備中實現(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，手臂的機械設計，控制理論和計算機科學）。通過新目標的定義——導向結(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)有很多不錯的地方，（如所闡述的機械手臂里每一種傳感器，快速和精確的機械手臂，智能執(zhí)行器等）。但似乎在這些系統(tǒng)完整并充分發(fā)展的幾個領(lǐng)域上，主機有效利用的技術(shù)解決方案，尚未實現(xiàn)。
本文關(guān)注的重點是設計并實現(xiàn)一個有特定操作任務的機器人系統(tǒng):一個集成的靈巧手部和臂部的系統(tǒng)。在這種背景下,我們認為“集成”是有兩個不同的概念的:分別是結(jié)構(gòu)集成和功能集成,它們每一個都是開發(fā)過程中的重要組成部分。
結(jié)構(gòu)集成中，設計方面相關(guān)問題里的合成技術(shù)將實現(xiàn)預期的部分功能。其中主要的問題是結(jié)構(gòu)的連接和協(xié)調(diào)部分，可能需要單獨的構(gòu)思和開發(fā)。為了解決相互兼容的問題，需要特意開發(fā)系統(tǒng)配置,甚至進行部分結(jié)構(gòu)的重新設計。關(guān)于機器人手部和臂部的系統(tǒng),想要達到一個令人滿意的結(jié)構(gòu)整合，解決問題的關(guān)鍵是:手臂運動的定義結(jié)構(gòu)中需要最大限度的開發(fā)手靈巧，手臂和手的兼容性的設計。并安裝復合,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)動和傳動在機器人手臂上。
關(guān)于第一點,主要關(guān)鍵問題是限制工作容積,注意現(xiàn)已實現(xiàn)的手的姿勢和手臂在限制區(qū)域的大小及兼容性。
說到第二點,我們認為應該更多的關(guān)注開發(fā)實現(xiàn)新傳感器和手指結(jié)構(gòu)設計所組成的集成。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雙曲率墊都需要高度的小型化;
2）適用與手指主機分布式的機械結(jié)構(gòu)觸覺差,主要是因為開發(fā)和替代配置腱傳動征收采用了笨重配置,導致缺乏感知設備和其內(nèi)部空間。
關(guān)于第三點,是安裝在手臂上的驅(qū)動的可能性和傳動系統(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械臂中，放棄效應器可交換性的概念，最終提供一個可以操作普遍效應器的靈巧的手。
結(jié)構(gòu)集成的加入,可以實現(xiàn)協(xié)同設計的手,手腕和手臂的搜索優(yōu)化,考慮的目標不僅包括子系統(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，包括兩個不同的方面: 應該實現(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。
在單獨的組件或子系統(tǒng)層面,第一步是集成放大。如果可能的話,其活動范圍通過添加新功能那些就可以分配。充分利用其潛在的操作，是應用程序的一個使手臂操作概念的例子。它集成了一個在中間的功能鏈接的機械臂與環(huán)境交互的能力。其鏈接并不局限于一個簡單的載體，它極大地擴大了操縱手的功能,并實現(xiàn)了整個手操縱的概念。
在系統(tǒng)層面,功能集成意味著給定任務的執(zhí)行是通過多個子系統(tǒng)的同時合作,不僅僅只有通過他們的交替執(zhí)行不同部分的任務。非集成的一個典型的例子是,長期以來,機械手都用于操作任務，但最近有一些例外?？吹絒3],[4],[5],機器人的手，大家普遍認為是一個單獨的設備, 它只需開關(guān)命令界面的來任務執(zhí)行，期間沒有任何真正的協(xié)調(diào)。相反,來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,如寫作、繪畫、縫紉等,都是通過手指和手腕或手臂本身同步協(xié)調(diào)運動來完成的。
接下來,本文介紹了采用集成烏蘭巴托(博洛尼亞大學)擬人化機器人手臂的手來解決一些方案。特別是,在論文的第一部分中有關(guān)機械設計方面的結(jié)構(gòu),闡述了集成在第二個運動控制策略開發(fā),以開發(fā)系統(tǒng)的冗余來獲得合作的手部和臂部完成操作任務的過程,提出了功能集成這一貢獻及一些關(guān)于現(xiàn)在和未來計劃的活動評論和結(jié)果總結(jié)。
2集成機械設計結(jié)構(gòu)的烏蘭巴托機的手
由于目前的實驗和安裝都是基于以前的經(jīng)驗，來實現(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，目前的設計活動主要集中在子系統(tǒng),它使用商用擬人化的機械手, 560年美洲獅的手臂。事實上,我們所知道的第二版本烏蘭巴托的手,在目前設置階段,大都被認為只是進化的一個中間的步驟,它能逐步實現(xiàn)和驗證工具的集成問題,但不是一個確定的設計?，F(xiàn)在我們的主要目標是不惜犧牲一些性能限制來實現(xiàn)一個好的水平集成,主要是采用驅(qū)動的概念和技術(shù)。烏蘭巴托的手II已經(jīng)懷孕,在開放一些新的技術(shù)，并不斷改進使解決方案變得可行。此外,選擇一些使系統(tǒng)更有吸引力的應用程序，也會降低整體的復雜性和成本,。
2.1機械手觸摸的集成設計
長期以來，一個機器人的靈巧手在操縱任務上的表現(xiàn)和功能是否類似于人類的手和大小兼容性是主要預期的的條件因素之一,因此,小型化問題必須在設計階段解決。面向故意設計的子系統(tǒng)構(gòu)成的手指，必須開發(fā)以達到相應的兼容性: 集成的傳感器必須從設計階段重視起來,計劃將它們添加到前面設計的手指結(jié)構(gòu)中并不是特困難。事實上,機械設計中零觸摸的手,可能導致很多時候,分布式傳感器應用程序被認為是不可接受的。因為幾個子系統(tǒng)必須集成在一個手,其中涉及許多方面。在設計階段:如何將機械的鉸接結(jié)構(gòu)加入鏈接,共同驅(qū)動的電力傳輸,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?shù)氐男盘栒{(diào)節(jié)電路。
采用了知覺的系統(tǒng)設計的配置有顯著的效果。例如,當只有指尖操作是必需的時候,傳感器的安裝發(fā)生在運動鏈,降低問題復雜性的設計是結(jié)束住房和相關(guān)電器的傳感設備。在這種情況下就沒有明顯的約束加到手指結(jié)構(gòu)設計中。分布式觸摸是必需的,設計中的問題是增強,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備問題。事實上,沒有結(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)在觸覺傳感概念。在這種情況下,每個手指指骨需要三個機械元素:內(nèi)部鏈接屬于鉸接結(jié)構(gòu)(框架),外部殼接觸發(fā)生可以作為應變傳感器和連接元素。
版本二世烏蘭巴托機器人的手,分布式it傳感已獲得通過。對于每個活動鏈接,一個it傳感器已經(jīng)足夠,需要九個傳感模塊分別插入三個手指,五個趾骨和一個手掌。這種感覺的設備可以滿足整個手操縱需求,即通過聯(lián)系對象執(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。
運動架構(gòu),是一種新式設計維護配置，事實證明是令人滿意的。完整對抗性的拇指在兩個手指上,手掌和手指的相對位置也被證明是有效的。它實現(xiàn)了一個偉大又多樣化的抓取模式。
新的手的設計可以在三個層次進行分析,即it傳感模塊,手指組織和一般的配置的手。
每個傳感模塊基本上是由六個組成轉(zhuǎn)矩微型傳感器和一個小板組成，與當?shù)乜照{(diào)電器實現(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,它實現(xiàn)了靈敏度和適用性小型化的優(yōu)勢。
圖1:it傳感模塊
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