外文翻译-关于“大三元”联合制动和欠制动的机械设计；装备三轮可扩展移动机器人的水平多关节机械臂
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外文翻译-关于“大三元”联合制动和欠制动的机械设计;装备三轮可扩展移动机器人的
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关于“大三元”联合制动和欠制动的机械设计；装备三轮可扩展移动机器人的水平多关节机械臂 摘要：在这片文章中，会推荐一个水平多关节可张开的三轮星球探测车“大三元”。这个星球探测车配合紧凑的收缩尺寸在地势环境恶劣的地方具有很高的稳定性。对于制动机制的设计每只手的关节是具体细节。通过实验,我们证实了有效性的:(一)欠驱动制动机制与最优形状凸轮和(二)欠驱动运动的手臂轮模块。通过使用这个提议的系统实现具有车辆自重的全方向迁移。索引词横臂，行星探测器,接头制动机制,欠驱动臂。I.介绍探索其他行星强烈吸引了近年来研究成果12。它是越来越显然,车辆的罗孚风格最适合获取详细信息的星球表面信息,以正在充满机遇与挑战的火星进行任务的美国宇航局探测器为例。一个行星探测器必须是高度适应崎岖不平的地势4。引进尖端多度的自由车辆机制和这个实施先进控制机制似乎是用来实现目标的一个共同方法。然而,可靠性的机制是极端重要性,我们实验室的研究方法是实现地形适应性的一个简单机制5。同时,特别的照顾也被尽可能地最大化了探测器的尺寸。这是有益的，因为当罗孚的规模大时地形障碍会变得比较小，所以大型探测器可以在没有任何微妙的或先进的控制器的情况下移动在崎岖的地形周围,见图1。基于这种考虑,我们发展水平多关节扩展3轮式行星探测器,“大三元”。当前大三元车轮不是可扩展的类型,但可扩展的一个会放在性能更有效的模型上，可扩展的机制显示在图1。 图1 规模效应的可扩展的机制在本文中,我们展示了机械设计的联合制动机制的罗孚机构,详细演示了欠驱动性能的联合制动机制。II“大三元”的配置“大三元”，3轮式发泡罗孚,装备三个水平的机械臂,有活跃的车轮在每个臂的底部(图2)。臂的配置和轮模块显示在图3。最重要的点是该探测器作为一个主要的致动器,只有三个电机旋转每个轮子。有联合制动机制在每个关节驱动下,只有一个小的执行机构,与不同的功能取决于关节锁定或解锁。当接头是锁着的,轮不停旋转对物体产生推动力。另一方面,当联合自由旋转和轮旋转时,车轮可以改变自己的转向在其偏航轴,或可以改变物体的臂角的联合。对于这个原因,该探测器是轻量级、低成本和简单的控制。电机的扭矩是通过链(编号l到编号2)和内轴联合杆的旋转。斜齿轮组的转动方向改变从垂直方向到水平方向。最后,旋转内齿轮固定轮子(编号3来编号4),因此轮旋转。概述实际的整体模型的原型如图4所示。旋转运动的传递通过电动臂上链条链轮,轮换锥齿轮和最后的轮(图3)。该规范的探测器如表1所示。齿轮马达的车轮在36(W)工作。（a） 缩回模式 （b）扩展模式图2.扩展式三轮探测器的两种概念图3.机械臂的结构（剖视图）（a）缩回模式 （b）扩展模式 图4.实际的样机模型轮轮半径192mm轮缘宽度167.5mm旋转的高度8.5mm离地高度126mm机械臂臂长400mm臂宽71mm两关节的距离335mm臂厚75mm车体长度480mm厚度91.5mm整体车辆高度473mmC.O.G的高度21.5cm发泡率7.24总重12.3kgIII.欠驱动3轮式发泡罗孚的概念功能在本研究中,我们提出一个新的欠驱动方法,由一个活跃的轮末的臂,和各种联合制动机制。图6：类似功能的多自由度（顶视图）图7：锁针型制动机制要实现的倍数度offreedom的一个类似的功能臂，我们建议下面的方法。通过改变各关节的摩擦条件，驱动轮的每个关节可以改变自己的角度。以类似的方式，使整个接头执行这样的主动旋转执行器。最后这项议案使整个造型的臂多变。这样做的运动配置类似扩展的大门经常在机场可以看到。IV.联合制动机构在本章中，制动机构的滚筒式进行详细说明。作为制动机构，锁销式机构6如图7所示，在过去的研究中已经开发了。然而，在这个设计中，该引脚不足够强。如与一些大型的移动机器人碰撞的情况下，岩石生成各关节的冲击载荷。此外，本转向角的分辨率的数目依赖于在轴上的孔，如图7所示。对于上述原因，在这项研究中，滚筒式制动机制被采用。要改善这一早期制动机制，以下修订实施。1）作为转矩限制器功能。2）高分辨能力的转向角轮子。3）能够实现欠驱动机制。除了上述功能外，在滚筒式制动机制可以采用半闭合配置，所以中间可以产生强大的制动力。正如第3节，以实现类似的功能度的倍数的自由活动关节。如在第2条中，我们开发制动机构，如图8所示。 A. 配置制动机制制动机构包括凸轮机构，具体地说，主凸轮和从动凸轮。当主凸轮是由减速电机的旋转凸轮，从B1，B2从滚筒的主凸轮A接受力因此，第三部分（B-1）和部分（B-2）通过凸轮相互转动。最后，部分（C-1）和部分（C-2）旋转，并夹住轴。张力弹簧用于打开制动机构。B.正常的制动机制问题，包括正常制动机构直形凸轮当考虑从凸轮的形状，是两个部分的旋转速度的问题，即凸轮的形状不同，如果是相同的，例如直的形状（图9）。因此，是有区别的把持力之间的顺时针旋转和逆时针轴的旋转（图10）。制动属性应该是相同的，而不是依赖于旋转方向，考虑制动机构将被安装在流动站联合制动。因此，我们决定设计从属凸轮B1和B2的最佳形状，以使速度的角度在C1和C2之间发生相同的变化。(a)结构制动氧化机理 (b)制动氧化机理概述(c)运动的制动氧化机理图8：大三元的联合制动机制图9：0-0曲线（直线形凸轮）图10：0-0曲线（直线形凸轮）在图8中，请注意，都为0和01的旋转方向的逆时针方向，作为一个实际问题，当主凸轮反时针方向旋转，旋转的部分（B-1）顺时针方向，短期01是在这种情况下的负值。在本节的实验，图10中所示的数据是通过以下方式获得使用的测试装置，包括一个浮动差动机构7，以直接测量的扭矩施加到所述旋转轴。C. 通过使用包络曲线凸轮形状的设计方法考虑到前一节中所示的问题，我们建议的设计方法，使旋转角度之间的部分（B-1）的部分（B-2）是相同的。当主凸轮移动，如果部分（B）的旋转角度可以任意地改变，它是由主凸轮的旋转角度A实现的，不一定与（B）部分的旋转角度匹配。换句话说，如果旋转角的部分（B-1），（B-2），是一个任意的主凸轮A（等式1）的角度的函数，它希望发现造型独特的凸轮功能。0=（0）（1）我们设置的旋转轴（B）部分的原点坐标系，并考虑中的计算坐标系上的部分（B）（图11）。因此，该计算从属凸轮的形状相同的方式计算的包络线，这是在绘制时主凸轮A的旋转。包络线是指持有的曲线的切线线曲线组。有一个定理，方程包括参数a，总之，G（X，Y，OC）= O，在x（OC），Y（OC）符合公式（2），（3）和不存在的x，y，发生了g（）= O的特殊性，此外，（X（OC），Y（OC）=（O，0），实现曲线表示为（X（O）（O），Y组的包络曲线G（X，Y，OC）= 0。总之，我们可以说，包络曲线的轨迹涉及一些曲线绘制，通过改变它自己的参数。在本研究中，计算出的凸轮制动机制的形状，我们设置坐标轴和一些如图11所示的参数。因此，函数g（X，Y，a）成为：在方程（4）中，“ini”代表装置的初始值，+前面的b代表B1为“+”和B2 为“ - ”。我们设置了q为f的二次函数，使得q的位移变化变得光滑附近的O 度。在上述方程中，对方程（5）“C”代表一个常数，可以计算出的包络曲线。该计算出的包络线的形状，如图12所示。计算出的形状的凸轮示于图13中。我们测试优化的实际模型，根据这个计算的形状，实验结果示于图14中。角B1和B2是在0度和60之间几乎相同度，如图14所示。 图11：坐标轴（a）从凸轮B1 （b）从凸轮B2图12：包络曲线图13：计算凸轮的形状图14：0-0曲线（计算凸轮形状）该制动机构的规格如下。长度：111（毫米）x宽度：57（毫米）x厚度：15（毫米），重量约422（克），包括伺服电机的最大扭矩是0.98（牛顿米）所作的双叶。我们还检查了属性介于0和制动扭矩的制动未优化机制（直线）凸轮和凸轮优化。实验结果是如图15， 16所示。可以看到在图16优化凸轮振动属性是比直路凸轮小。因此，制动氧化机理由优化的凸轮夹具的轴未经优化的一个更稳定。在本节中，我们提出了优化设计凸轮的形状的方法，并通过与实际的实验模型，我们证实了优化凸轮的属性优越。我们将继续测试制动机构耐用性，效率等。该制动机构的一个标准的紧凑设计。该制动机构的材料应该是重量轻，具有高的拉伸强度。因此，我们最终选择“A7075;一种铝，它的密度为3.04（G/CM3）拉伸强度为585（N/MM2）。尤其表面上的凸轮接触的滚子的主凸轮，进行表面处理以硬化从凸轮使其耐久性更高。图15：直凸轮属性介于0和制动力矩图16：优化凸轮属性介于0和制动力矩然而SUS440不锈钢种被选定为蹄的制动机构，因为该材料具有更高的耐久性。 SUS440是比A7075重，但作为一个刹车蹄耐用性问题成为主导。经过300宗申请的现场测试中，它的功能近乎完美，制动蹄片的表面上没有什么大的磨损。V.实现欠驱动运动一个臂和轮模块的测试装置的基本功能的确认的欠驱动演示如图 17所示。该装置有一个在根目录的滑动导向的臂，因此，如果地板不是完全平坦的，轮像一个实际三轮臂始终保持接触。这种移动机器人的模块，在第3条中提到过。对简化了实验，并考虑只有刀口模型，我们在这里移除轮旋钮。每个关节的角度的量放于各关节的电位。我们安装了优化的制动机制（如图所示在第四部分），每个关节臂的效果，并确认类似的功能的多个活动的关节，并且还确认功能，如图18和19中所示。在图18和19观察，改变了自己的两个关节角度。这是欠驱动议案按照部分说明3。 （a）侧视图 （b）顶视图图17：测试设备为Underactuation的一条腿模图18：UNE腿的欠驱动Mlotion的示例模块（侧面）图18：UNE腿的欠驱动Mlotion的示例模块（顶视图）图20：各关节臂角度的变化图21：一条腿运动的测试模型图20示出了一个测量例子中，在实验中的各关节的角度的变化的数据。在本实验中，测得的旋转速度时， 比设定小，主凸轮A的方向旋转减少制动机构的转矩。在另一方面，当测得的转速大于设置，一个主凸轮的角度A在旋转的方向可以增加制动机构的转矩。如该图中所示，这两个角度的第一和第二关节联合同时改变。此外，图21示出的欠驱动运动实验中，从I至IV对应于图20的I-IV。作为一个结果，我们于平整的地面证实了欠驱动臂四轮模块的基本动作。和图22显示模式改变的运动大三元顶视图。第一形状是宽的移动方向，在那之后，形状改变为更轻薄的移动方向。在这张图片中所示，我们确认大三元可以改变自己的形状。图22：运动模式改变的例子VI.结论和FUTUREWORKS在本文中，我们表现出具体配置水平多关节可扩展3轮式移动机器人的联合制动机构的优化设计细节。此外，我们也证实了性能和通过实验的制动机构的功能。在IROS2006颁奖中，我们将演示运行和扩展的3轮车的可膨胀流动站的议案。在不久的将来，在崎岖的地形上我们将测试欠驱动的议案和并行欠驱动当前移动机器人的性能。我们应进一步发展最优控制系统，并实施了这个机器人的一些探索装置。参考文献1 Mars navigation system utilizes GPS, LeMaster, E.A.,Matsuoka, M.,Rock, S.M., Aerospace and Electronic Systems Magazine, IEEEVolume18, Issue 4, April 2003 Page(s):3 - 82 Stereo vision and rover navigation software for planetary exploration,Goldberg, S.B., Maimone, M.W., Matthies, L.,Aerospace ConferenceProceedings, 2002. IEEE Volume 5, 9-16 March 2002 Page(s):5-2025 -5- 2036 vol.53 Performance characteristics of lithium-ion cells for Mars sample return Athena Rover, Ratnakumar, B.V., Smart, M.C., Ewell, R., Surampudi, S.,Marsh, R.; Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2000.(IECEC) 35th Intersociety Volume 1, 24-28 July 2000Page(s):638 - 645 vol.14 Robotic vehicles for planetary exploration, Wilcox, B., Matthies, L., Gennery, D., Cooper, B., Nguyen, T., Litwin, T., Mishkin, A., Stone, H.;1992. Proceedings., 1992 IEEE International Conference on Roboticsand Automation 12-14 May 1992 Page(s):175 - 180 vol.1 5 lThe Mobility Design Cocepts/Characteristics & Ground Testing of an Offset-Wheel Rover Vehicle, Hirose, S., Kuwahara H, Wakabayashi Y, Yoshioka N.; Proc. Int. Conf On Mobile PlanetaryRobots & Rover Roundup, pp.1I-14 (1997).6 Fundamental Considerations for the Design of a Planetary Rover, Hirose S., Ootsukasa N., Shirasu T., Kuwahara H.;Yoneda K.; Proc. ICRA, Nagoya, pp.1939-1944 (1995).7 Development of Genbu :Active wheel passive joint articulated mobile Kroibmotur,a, H., Hirose, S.; IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and System 2002. Volume 1, 30 Sept.-5 Oct. 2002 Page(s):823 - 828 vol.1Proceedingsofthe2006IEEE/RSJ InternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems October9-15,2006,Beijing,China MechanicalDesignofJointBrakingandUnderactuated Mechanismof“Tri-Star3“;HorizontalPolyarticularArm Equipped3-WheeledExpandableMobileRobot KenjiroTadakuma,MatsumotoMasatsuguandShigeoHirose DepartmentofMechanicalandAerospaceEngneering TokyoInstituteofTechnology 2-12-1Okayama,Meguro-ku,Tokyo152-8552Japan k-damototheroversofNASA3. Aplanetaryrovermusthavebehighlyadaptableto uneventerrain4.Theintroductionofhighlysophisticated multiple-degreesoffreedomvehiclemechanismsandthe implementationofadvancedcontrolofthesemechanisms seemstohavebeenacommonmethodtoachievesuch objectives. However,thereliabilityofthemechanismisofextreme importance,andtheresearchapproachofourlaboratoryisto realizeterrainadaptabilitywithasimplemechanism5.Atthe sametime,specialcarewasalsotakentomaximizethe dimensionsoftheroverasmuchaspossible.Thisisbeneficial becausewhenthesizeoftheroverislarge,terrainobstacles becomescomparativelysmallsothelargerovercanmove aroundonroughterrainwithoutanydelicateoradvanced controllers,asshowninFig.1.Basedonthisconsideration,we developedthehorizontalpolyarticularexpandable3-wheeled planetaryrover,“Tri-Star3“.Thecurrentwheels ofTri-StarIll arenottheexpandabletype,buttheexpandableonewillbe putonthemodelformoreeffectivepropertyofthe expandablemechanismasshowinFig.1. Fig.1ScaleEffectofExpandableMechanism Inthispaper,weshowthemechanicaldesignofthejoint brakingmechanismofthisroverindetail,anddemonstratethe underactuatedperformancebythejointbrakingmechanism. II.CONFIGURATIONOF“TRI-STAR3“ “Tri-Star3“;the3-wheeledexpandablerover,isequipped withthreehorizontalarms,andthereareactivewheelsatthe endofeacharm(Fig.2).Theconfigurationofthearmand wheelmoduleisshowninFig.3.Themostimportantpointof thisroveris,asamainactuator,theroverhasonlythree motorstorotateeachwheel.Therearejointbraking mechanismsineachjoint,drivenbyjustonesmallactuator, withdifferentfunctionsdependingonwhetherthejointis lockedorfree.Whenthejointislocked,thewheelrotatesto producepropellingforcetothebody.Ontheotherhand,when thejointisfreetorotateandthewheelrotates,thewheelcan changeitsownsteeringdirectioninitsyawaxis,orcan changetheangleofthejointofthearmtothebody.Forthis reason,thisroverislightweight,lowcost,andsimpleto control.Thetorqueofthemotoristransmittedby chain(numberltonumber2)andtheinnershaftofthejointrod isrotated.Andbythebevelgearset,therotationaldirectionis changedfromverticaldirectiontohorizontaldirection. Finally,thespurgearrotatestheinnergearfixedto wheels(number3tonumber4),thereforethewheelisrotated. Theoverviewofanactualwholeprototypemodelis showninFig.4.Therotationalmotionistransmittedfromthe motorinthearmtoasprocketbychain,whichrotatesthe bevelgearandfinallythewheel(Fig.3).Thespecificationof thisroverisshowninTable1.Thegearedmotorsofthe wheelsworkin36(W). PassiveJoint Uk.-il|ottd.4- I LVV%*LKD (b)ExpandingMode Fig.2Conceptof3-wheeledexpandablerover 1-4244-0259-X/06/$20.00C)2006IEEE 4252 (a)RetractingMade, C, -,vI 0 ; ArmModule I SpaceforI BatteriesandElectronicdevices i /1/1 I WheelModule SpurGear BrakingMechanizm .1 (a)RetractingMode Fig.4OverviewofActualPrototypeModel )Slope(climbing)(b)Slope(crossing)(c)INarrowchannel Fig.5LocomotionChangingFunctionofRover TABLEI:SpecificationofPrototypeModel WheelRadius192mm Wheel WidthofWheel167.5mm HeightofKnob8.5mm GroundClearance126mm LengthofArm400mm (Distancebetweentwo Armjoints)335mm WidthofArm71mm ThicknessofArm75mm Body LengthofBody 480mm ThicknessofBody91.5mm HeightofVehicle473mm Whole HeightofC.O.G. 21.5cm ExpandableRatio7.24 TotalWeight12.3kg III.CONCEPTOFUNDERACTUATEDFUNCTIONOF3-WHEELED EXPANDABLEROVER Inthisstudy,weproposeanewunderactuatedmethod, consistingofanactivewheelattheendofarm,andvarious jointbrakingmechanisms. 4253 ;J Knobs Step1 ):Untied :Tight Step2 Holes Step3ontheshaft DegreesofFreedom Torealizeasimilarfunctionofamultipledegrees-of- freedomarm,wesuggestthefollowingmethod. Bychangingthefrictionalconditionofeachjoint,and withthedrivingwheel,eachjointcanchangetheirownangle inasimilarfashionsothatthewholejointsperformlikean activerotationalactuator.Thismotionmakesthewholeshape ofthearmchangeableattheend.Themotionofthis configurationissimilartoexpandablegatesoftenfoundin airports. InFig.6,fromStep2toStep3,therotationaldirectionof thewheelchanges.Therefore,theshapeofthewholearm changessuchasletter“S“.Inthe3-wheeledexpandablerover, weadopttheonelink,consideringthesimplicityofthe configurationofthearm. IV.JOINTBRAKINGMECHANISM Inthischapter,thedrumtypebrakingmechanismis explainedindetail. Asabrakingmechanism,thelock-pintypemechanism6 asshowninFig.7havebeendevelopedatthepastresearch. However,inthisdesign,thepinwasnotstrongenoughfor situationssuchasthemobilerobotcollidingwithsomelarge rock,generatinganimpactloadtoeachjoint.Further,the resolutionofthesteeringangledependedonthenumberof holesontheshaftasshowninFig.7. Forabovereasons,inthisresearch,thedrumtypebraking mechanismisadopted.Toimproveuponthisearlierbraking mechanism,thefollowingamendmentswereimplemented. 1)Functionasatorquelimiter 2)Highresolutioncapabilityofthesteeringangleofthe wheel. 3)Abilitytorealizeanunderactuatedmechanism Fig.7:Loi Inadditiontotheabovefunctions,thedrumtypebraking mechanismcanadoptahalfclosedconfiguration,sothe middlestrongbrakingforcecanbeproduced,asmentionedin section3.Torealizeasimilarfunctionofamultipledegreeof freedomactivejoint,asdescribedinsection2,wedeveloped thebrakingmechanismasshowninFig.8. A.ConfigurationofBrakingMechanism Thebrakingmechanismconsistsofacammechanism, specifically,amastercamandslavecam.Whenthemaster camAisrotatedbythegearedmotor,SlavecamB1,B2 accepttheforcefromtherollerofthemastercamA. Therefore,part(B-1)andpart(B-2)rotateeachotherthrough theslavecam.Intheend,part(C-1)andpart(C-2)rotateand griptheshaft.Thetypeofthespringsaretensionspringsthat areusedtoopenthebrakemechanism. B.ProblemofBrakingMechanismthatconsistsofnormal straightshapeofcam Whenconsideringtheshapeoftheslavecam,thereisthe problemthattherotationalspeedsofthetwopartsare differentiftheshapeofthecamisidentical,suchasastraight shape(Fig.9).Therefore,thereisadifferenceofthegripping forcebetweentheclockwiserotationandthecounterclockwise rotationoftheshaft(Fig.10).Thebrakingpropertyshouldbe thesameandnotdependontherotationaldirection, consideringthatthebrakingmechanismwillbeinstalledinthe roverasthejointisbraking.Therefore,wedecidedtodesign theoptimalshapeoftheslavecamB1andB2toenablethe speedoftheangletochangethesamebetweenC1andC2. 4254 Fig.6:SimilarfunctionofMultiple (Topview) (KiD G.iD (KinD (KiintD (KED /% ShaftPalr(-1art(B-1) ,MCamr Qf _ tw % % J MasterCamA SpringPart(C-2)SlaveCamB2 (a)StructureofBrakingMmPart(B-2) (a)StructureofBrakingMechnism 01020304050607080 masterdeg sterCamA Part(C-2) (b)OverviewofBrakingMechnism i)Grippingii)Loosing (c)MotionofBrakingMechnism Fig.8:BrakingMechanismforJointofTri-StarlIl SlaveCamBi I SlaveCamB2 Fig.9:0-0Curve(StraightShapeofCams) Fig.10:0-0Curve(StraightShapeofCams) InFig.8,notethattherotationaldirectionofboth0and01 arecounterclockwise,asapracticalmatter,whenthemaster camrotatescounterclockwisedirection,thepart(B-1)rotates clockwise,inshort01isnegativevalueatthatsituation. Intheexperimentsofthissection,thedatashowninFig. 10wasobtainedbyusingthetestdeviceconsistingofafloat differentialmechanism7todirectlymeasurethetorque appliedtotherotatingshaft. C.Proposalmethodoftheshapeofcamdesignbyusingthe envelopecurve. Consideringtheproblemshownintheprevioussection, weproposethedesignmethodtomaketherotationalangle betweenthepart(B-1)andthepart(B-2)tobethesamewhen themastercammoves. Iftherotationalangleofpart(B)canbechangedarbitrarily bytherotationalangleofthemastercamA,itispossibleto maketherotationalangleofpart(B)match.Inotherwords,if therotationalangleofpart(B-1),(B-2),isanarbitrary functionoftheangleofthemastercamA(Equation1),itis desiredthattheuniqueshapeofthecamisfoundfromthat function. 0=f(0)(1) Wesettherotationalaxisofpart(B)astheoriginofthe coordinatesystem,andconsiderthecalculationinthe coordinatesystemonthepart(B)(Fig.11).Thus,the calculationoftheshapeoftheslavecamisperformedinthe samewayasthecalculationoftheenvelopecurve,whichis drawnwhenthemastercamAisrotated. Theenvelopecurvemeansthecurvethatholdsthetangent lineincommonwiththecurvedlinegroup.Thereisatheorem thatontheequationthatincludestheparametera,inshort, g(x,y,oc)=O,thex(oc),y(oc)complywiththeequation(2),(3) andthereisnoparticularityontheg(x,y,oc)=O,inaddition, (x(oc),y(oc)=(O,0)isrealized,wherethecurvelineis expressedas(x(o),y(o)istheenvelopecurveofthegroupof theg(x,y,oc)=0. 4255 5 0 -5 -10 -15 g(x(a),y(a),a)=O ag(x(a),y(a),a) =O -15r (2) (3) Inshort,wecansaythattheenvelopecurveisthetrajectory thatsomecurvedrawsbychangingitsownparameter. Inthisresearch,tocalculatetheshapeofthecamofthe brakingmechanism,wesetthecoordinateaxisandsome parametersasshowninFig.11,thereforethefunctiong(x,y, a)becomes: g(x,y,)=(x-acos(O+Oi,i)bcos(O+z)2 +(y-asin(O+Oini)bsin(O+)2-r2 InEquation(4),“ini“meanstheinitialvalue,andthe+in frontofbbecomes“+“forBIand“-“forB2. Wesettheqasthequadraticfunctionoffsothatthe changeofthedisplacementofqbecomessmoothnearOdeg. f(0)=CO2(5) Intheaboveequation,Crepresentsaconstantnumber. FromEquation5,theenvelopecurvescanbecalculated.The shapesofthecalculatedenvelopecurvesareshowninFig.12. ThecalculatedshapeofthecamisshowninFig.13.We testedanoptimizedactualmodelbasedonthiscalculated shape.TheexperimentalresultisshowninFig.14.Theangle ofB1andB2isnearlyidenticalbetween0degreesand60 degrees,asshowninFig.14. -20 -25- -25 -30 -30 -35 -40 -50510-10-505 xx (a)SlaveCamB1(b)SlaveCamB2 Fig.12:EnvelopeCurve Intheaboveequation,Crepresentsaconstantnumber. FromEquation5,theenvelopecurvescanbecalculated.The shapesofthecalculatedenvelopecurvesareshowninFig.12. ThecalculatedshapeofthecamisshowninFig.13.We testedanoptimizedactualmodelbasedonthiscalculated shape.TheexperimentalresultisshowninFig.14.Theangle ofB1andB2isnearlyidenticalbetween0degreesand60 degrees,asshowninFig.14. 011i ?0 Fig.11:CoordinateAxis Fig.13:CalculatedShapeofCams 0 -5 -10 -15 -20l 01020304050607080 0deg Fig.14:0-0Curve(CalculatedShapeofCams,) 4256 TheSpecificationofthisbrakingmechanismisas follows.Length:111(mm)xWidth:57(mm)x Thickness:15(mm)andWeightisabout422(g)includingthe servomotorwhichmaximumtorqueis0.98(Nm)madeby Futaba. Wealsocheckedthepropertybetween0andthebraking torqueofthebrakingmechanismontheunoptimized(straight) camandtheoptimizedcam.Theexperimentalresultsare showninFig.15,andFig.16respectively.Observethatin Fig.16thevibrationpropertyoftheoptimizedcamissmaller thanthatofthestraightcam.Therefore,thebrakingmechnism consistsoftheoptimizedcamgripstheshaftmorestablythan unoptimizedone. Inthissection,weproposedawayforoptimaldesignof theshapeofthecamandthroughexperimentwithanactual model,weconfirmedthepropertyoftheoptimizedcamis superior.Wewillcontinuetotestthebrakingmechanismfrom thepointsofdurability,efficiencyandsoon. Oneofthecriteriaforthisbrakingmechanismisacompact design.Materialsofthisbrakingmechanismshouldbe lightweightandhavehightensilestrength.Soweultimately choseA7075;kindofaluminum,whichhasadensityof 3.04(g/cm3)andatensilestrengthof585(N/mm2).Especially onthesurfaceofthecam,whichcontactstherollerofthe mastercam,thesurfacetreatmentwasdonetohardenthe slavecamandfordurability. 4000 4000 3500 a) 0 EH 3000 2500 2000 1500 1000 500 -20020 0Deg. 406080 Fig.16:Propertybetween0andBrakingTorqueof optimizedCam HoweverSUS440;kindofstainlesssteelwasselectedfor theshoeofthebrakingmechanismbecausethatmaterialhas higherdurability.SUS440isheavierthanA7075,butasa brakeshoetheissueofdurabilitybecomesdominant.Aftera fieldtestof300applications,itfunctionsnearlyperfectlyand thereisnobigscarfonthesurfaceofthebrakeshoe. 3500 3000 av 0 EH- 2500 2000 1500 100000 - - E 500-20 0204060 0Deg. Fig.15:Propertybetween0andBrakingTorqueof StraightCam V.REALIZATIONOFUNDERACTUATEDMOTION Thetestdeviceofonearmandwheelmodulewasbuiltto confirmthebasicfunctionoftheunderactuatedperformances asshowninFig.17.Thedevicehasaslidingguideattheroot ofthearm,soifthefloorisnotperfectlyflat,thewheelcan alwaysmaintaincontactlikeoneoftheactualthreewheel-arm modulesofthismobilerobot,asmentionedinsection3.To simplifytheexperimentandtoconsideronlytheknife-edge model,weremovetheknobsofwheelhere.Eachjointangle 80aremeasuredbythepotentiometerputineachjoint. Weinstalledtheoptimizedbrakingmechanism(shown insectionIV)toeachjointofarm,andconfirmedtheeffectof similarfunctionofthemultipleactivejoints,andalso confirmedthatfunctionasshowninFigs.18and19.InFigs. 18and19,observethatthetwojointschangedtheirown angle.Thisistheunderactuatedmotionasexplainedinsection 3. 4257 (a)SideView(b)TopView Fig.17:TestingDeviceforUnderactuationofOneLeg Module Fig.18:Exampleo0UnderactuatedMlotionofuneLeg Module(SideView) Fig.19:Exampleof Module(TopView) 180 160 140 Firstjoint IN)9X SecondJoint dj 80 60- I 0-IV 0 05I15202530 tijmesec Fig.20:ChangingofEachJointAngleofArm Top Side IIIIIIIV Fig.21:MotionofOneLegTestModel Fig.20showstheoneoftheexampleofmeasured dataofthechangingofeachjointangleintheexperiment.In thisexperiment,whenthemeasuredrotationalspeedissmaller thanthesettingone,themastercamArotatesinthedirection toreducethetorqueofthebrakingmechanism.Ontheother hand,whenthemeasuredrotationalspeedislargerthanthe settingone,theangleofthemastercamArotatesinthe directiontoincreasethetorqueofthebrakingmechanism.As showninthisfigure,bothoftheangleoffirstjointandsecond jointarechangedinmeantime. Inaddition,Fig.21showstheunderactuatedmotioninthis experiment,andfr
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