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低能耗机器人悬浮机构的应用（中英一体）,低能,机器人,悬浮,机构,应用,利用,运用,一体
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南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 低能耗机器人悬浮机构的应用 摘要 （文档摘要） 本文给出一种 采用悬浮装置 直接驱动机器人手臂来操纵重型物体的低能量操纵方法。考虑到在水平面内悬吊工具的操作，利用悬吊在水平面内的工具的动态行为 给出了混合位置 /力跟踪计划 的运算法则，为了垂直 操纵悬浮机器人手臂 ,由考虑到弹簧秤的重力补偿，这种 混合位置 /力 的动力学模型已经发展。 为了显示应用 于 工业的可能 性，这种模型在 倒角作业 领域 已经展开 。模拟和实验证明了此 拟议系统 的可行性。 文本全文 (5295 个字 ) 著作权 P 2000 截至 2000 小型断路器有限公司 (简称 博士 , 山形大学系统和信息工程 系 , 日立 4日本92话 : +81 238 26 3237; 传真 : +81 238 26 3205. 形大学机械系统工程部教授 ,日立 4日本 92副教授 , 山形大学机械系统工程部教授 ,日立 4日本 92副研究员 , 山形大学 电子及信息工程系 , 日立 4日本 92鸣谢 : 在此作者真诚的感谢 生 , 生 , 生 , 及 生在机器人的制作和控制软 件的执行中所做出的努力将感谢教育部，科学会，运动商及 (出的奖学金 , 5 000 7 000 1. 简介： 在水平的运动中 ， 工具重量在连接摩擦上有相当大的影响 ， 它直接地影响推进时的转动力矩。 在垂直的运动中，地心引力效果在操作 体 的动力学上有相当 大 的影响。 机器人的操纵应该在推进转力矩的可允许极限和力量感应器的能力里面。 悬浮工具系统 (一 种 新提议的 横向 操 纵重型工具 的 处理策略 ，悬吊 机器人手臂系统 (一 种 新提议的机器人手臂用在垂直面 实现 低功率驱动 和 小容量感应 器的 操作方法 。由于和传统的系统比起来具有很多优点， 悬浮工具系统 和 悬吊 机器人手臂系统 已经成为工业应用领域越来越感兴趣的话题。 当需要结构的坚硬性和高性能动态的时候，并联操作结构与现有的机器人系列相比，提供了许多明显的优点。 因此 , 这种机制 在 过去二十年受 到了一定的 关注 (自 1983). 一般说来，直接驱动式机械手 , ,容易出现过快的操作幅度 , 然而其输出动力却很小。为了使其能拿起物体，在多个机械手的协调 性控制方面做了很多研究 (1992; et 1988). 当两个或更多机器人手臂用来 完成 一 单一的任务时，其 承载、处理、南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 操纵能力 会得到增强。 然而 , 一个单一的机械手不能操纵重物，因为其驱动转矩滞留在一个固定的极限。当前，许多工业机器人被用于研磨作业。 大部分的研磨机器人操作受限于环境 . 许多研究人员开展了工业机器人的力量控制 (et 1990; 1987). 然而 , 在那些系统中 ,研墨工具以传统的方式直接装在机器人手臂上，而且需要一个很大的驱动力，虽然对有关在垂直面内机器人手臂的操作有所研究 (1994), 但没考虑到重力的补偿，一般，由一个或多个机械手完成一个任务的可能性取决于其 运动学和动态的能力 。 自动化机器人的修边已经在 (1991)被描述 。 在惠特尼等地报道，美洲狮 560 机器人的机械手焊珠研磨系统已经具有视觉系统 (1990). 在所有先前的修边或研磨的研究中 ,大功率驱动器被应用于机器人系统。在垂直面内，由于机械手的巨大的 重力的影响，研磨加工过程变得非常困难，尤其是当驱动器的转矩极限小于重力的影响范围。 机器人系统通常应用于一个受约束的环境，所以，要控制最终受力器在自由方向的位置和在被约束方向的触点压力 。由 1981)提出的 混合位置 /力控制方案 在别的现存的控制方案上拥有相当大的声望。 本文中 , 将阐述具有一种悬吊工具系统的机械手 混合位置 /力控制方案 。考虑到悬浮工具在水平面内的动态性能，我们将延伸说明到混合控制方案的基本原理。在垂直的运动中 ,讨论由弹簧秤引起的重力补偿的动态性能。 2. 系统描述 ： 1985) 设计了直接驱动五杆并联机器人 ,具有如下许多优点：没有后冲，微小的摩擦，高机械硬度以及精确的运动。这种实验装置系统包含一个两自由度机器人，具有一个五杆连接结构和悬架系统。图 1 和图 2 展示了机器人 结构的 计算机辅助设计 ，在水平面和竖直面内分别附带一个弹簧平衡器。 表一显示了五杆连接机制 的 一些重要 性能 。 运动学和动力学方程 ： 本节讨论 的 连接 结构 是一个五杆闭环连杆机构 ， 如图 3。有两个输出环节，分别由两个独立的直驱马达驱动，两个马达安装在底架上， 1， 2， 3， 4 杆的长度分别由 , l, l, & l 表示。输入杆的角度由 q 和 q 表示，从 Y 轴测量所得。终点坐标 (见方程式 1)(见方程式 2)，从方程 (1)和 (2)得该机器人的反转运动学为： (见方程式 3)( 见方程式 4)，工作空间 是 一个 阵 22 矩阵 ,可以表示为 ： (见方程式5)，机器人手臂的惯量矩阵是一个 2 x 2 矩阵，可以表示为 (见方程式 6) A=I+ml1+I+ml3+ml B m= (mll3+mll4)q-q) C m= (mll3+mll4)q-q) 南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 +ml2+I+ml4+ml 科里奥利公式和向心力矩阵是一个 2 x 1 矩阵，可表达为 :(见方程式 7)(见方程式 8)，重利矩阵是一个 2 x 1 矩阵，可以表示为： ( (见方程式 9)( (见方程式 10)， g 是由重力引起的重力加速度。 控制系统的一个硬件示意图如图 4， 一部奔腾微型计算机 , 133 兆赫 , 被用来控制此系统。输入（ A/D）和输出（ D/A）转换具有八条通道和 12 字节的处理能力。伺服系统驱动器有三种控制模式：位置控制模式速度控制模式和转矩控制模式。此计算机主板具有三个端口和 24 字节脉冲处理。一个低容量的三轴 力传感器 (逐渐校正到 ) 装在机器人手臂顶端和气动夹子之间。运算放大器与一个低通滤过器设计在一起，以消除预想不到的噪音，表 2 显示了直驱马达的一些重要性能。 工作空间与异常： 对于一个给定的末端受动器位置，反转运动学一般具有两个可行的解决方案。异常的结构会分开这两种解决方案，在异常的结构中，操纵器的最终受动器不能在一个特定的方向移动。异常分为两种：固定异常和不定异常。一个闭环操纵器可能既有固定异常又有不定异常， 在一个静止的异常中 , 阵具有零决定因素 ，然而在一个不定异 常中，1992) 、 1985) 指出了五杆闭环连杆机构的异常问题。 对于五连杆结构， 阵的决定因素 J 被定义为 (见方程式 11)；对于五连杆机构，当 ( 见方程式 12)的情况时，固定异常存在。由方程式 (10)知 ,固定异常发生在工作空间的边界，所以，籍由选择链环尺寸来获得一个自由空间的宽阔异常。机器人手臂的笛卡尔工作空间是最终受力器的总电子扫频量，同时机器人手臂执行所有的可行的动作，最终受力器伴有一种特殊的力，即法向力和 切向力。 迪卡尔工作空间受限于机器人手臂的几何学分析和铰链的机械约束以及驱动器的旋转极限。力量工作空间受限于最终受力器的发向力和切向力。 实际上，力量工作空间是机械人手臂的一个笛卡尔工作空间的子集。 当驱动器的旋转力矩在如下范围内时： 0 = q =180 & 0 = q =180 展示了五连杆机构在水平面内的模拟卡迪尔工作空间。 笛卡尔总工作空间应付 的力量工作空间 ，在 的力量工作空间情况下是卡迪尔工作空 间的一个子集。当弹簧秤的提升力设为 和驱动器的旋转力在以下范围时： 0 = q =180 80 = q =360 展示展示了五连杆机构在竖直面内的模拟卡迪尔工作空间。 笛卡尔总工作空间应付 的力量工作空间 ，南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 在 的力量工作空间情况下是卡迪尔工作空间的一个子集。 3. 悬浮动态 悬浮工具系统和悬浮机器人手臂系统的模型分别如图 7 图 8 所示。 弹簧秤的性能参数见表 在悬浮系统中 , 旋转角度 , 是方位角。为了将悬浮系统形象化，我们考虑做如下假设：高架铁路的弹性变形，钢索的质量，滚动阻力，风力以及忽略噪音。最终受力器的卡迪尔坐标定义如下： (见方程式 13)( 见方程式 14)，有效的提升力 F决于弹簧秤的设置，与悬浮的质量有关而不是钢丝绳的长度变化。在悬浮工具上的有效力被定义为： (见方程式 15)( 见方程式 16)。现在，水平面内的悬浮力为： (见方程式 17)。在竖直面内的有效力 F F定义为： (见方程式 18)( 见方程式 19)。 此时，在竖直面内来自弹簧秤的补偿力可被定义为： (见方程式 20) 4. 系统动力学 混合位置 /力控制方案以一个工作空间的直角分解为基础 。在平面运动中，考虑到悬浮工具的动态影响，我们讨论 位置 /力控制模型 。在这部分中，竖直面中的 混合位置 /力控制模型从弹簧秤的重力补偿方面来描述。 5. 仿真结果 为了探讨机器人手臂在横向和纵向 面内的执行性能， 利用前面章节的 真程序进行 了 动态模型模拟 ， 仿真框图如图 10。 轨迹发生器 ,运动器 ,控制器 ,操作器动力 , 以及约束条件都在 数中被描述了。端口用来连接标量 或矢量信号汇集成一个更大的矢量信号。转换器用来选择输出矢量的有用信号。 为显示工具重力的影响，利用混合位置 /力模拟以实现水平面运动 。在模拟过程中，总操作时间为 10 秒，混合的时间为 ，要求速度为 /秒。最终受力器的轨迹在一个被约束的表面，从 (到 (。模型工具的重量是 2.0 假设是特制钢，弹簧秤的提升力看作是 ，所需的力为 。从图 11 可看出 , 与传统的工具系统相比，由于特制钢工具系统具有更小的连接摩擦，故其 位置误差更小。 此外，从图 12 可看出，由于小的悬浮力作用于此悬浮工具系统，故其引起力的误差更小。 竖直面内 在竖直面内，当驱动器力矩极限在重力影响范围之内时，弹簧秤的提升力是必要的，用以补偿重力。一个特征曲线图用来说明提升力的必要性以使机械手在力矩的极限内保持在一个预设的速度。图 13 表示了在速度为 /秒时弹簧秤的提升力和马达的驱动力矩之南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 间的关系 Fb。 在此特征曲线图里，提升力达到 ，由于假想摩擦力的影响（方向力河切向力），马达驱动力保持不变。此时，由于受到提升力的影响， 马达的驱动力将增加。从此特征图可以看出，当提升力从 变到 时，在驱动力极限内机器人手臂能够被操作。 我们进行了悬浮机器人手臂操作的 混合位置 /力控制模拟实验 。在模拟实验中，总操作时间为 10 秒，混合的时间为 ，最大速度为 /秒，从特征曲线图可知，提升力设定为 ，要求的力是 。在垂直向上的运动中，机械手的轨迹在一个被约束的表面，从 (到 (。图 14 展示了机械手的有效的提升力和重力 。在竖直面的运动，弹簧秤的提升力是补偿重力的 主要部分，以及有效力非常小。图 15 和图 16分别展示了位置轨迹和力的轨迹。输出的位置轨迹与要求的位置轨迹之间存在一个小的固定误差以及力的输出与要求的力输出有一个小的时间滞后。 6. 实验结果 为了证明以上系统地有效性和正确性，我们在水平面和竖直面都进行了实验，实验结果如下部分所示。 静力 图 17 和图 18 分别展示了在静态时沿 X 轴和 Y 轴的有效力 F F明显， 当机器人手臂抓住悬浮工具时，有效的静态力大小接近最佳，但是当机器人手臂抓住工具而没有悬浮时，由于工具自身重量的影响 ，有效力将非常高。由于工具自身重量，机械手顶端会偏离引起位置误差。有效的静态力造成连接摩擦影响驱动器的驱动力矩。 在本实验中，机械手抓取一个 克的悬浮工具的运动轨迹在一条从 (到 (线上。速度指令为 /秒，所需的力是 。从弹簧秤上悬吊起工具所需的力为 。在实验开始之前，最终受力器与一个被约束的表面接触，图 19 展示了本实验的位置轨迹，图 20 展示了力的轨迹。实际的位置轨迹与所需的位置轨迹存在一个稳定的小误差，以及实际 力与要求的力输出有一个小的时间滞后。 竖直运动 在竖直平面内，当驱动器的驱动力矩极限在重力影响范围之内时，机器人手臂不能进行自动操作。在本实验中，弹簧秤的提升力设定为 ，足够将在低速运行的机器人手臂悬吊起来。机械手的轨迹在一个从 (到 (被约束表面上。指令速度为 /秒，所需的力为 。图 21 和图 22 分别展示了位置轨迹和力的轨迹。实际的位置轨迹与要求的位置轨迹之间存在一个小的固定误差以及实际的力的与所需的力轨迹有一个小的时间滞后 。图 23 说明了所需的驱动力矩，此力矩在驱动器的最大极限南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 之内。 为证实上述被应用于工业的机器人系统的低能耗，倒角作业已经实行。图 24 展示了在竖直平面内的实验装备，在传统的系统中，用旋转的铁碳锉刀修毛刺的结果显示，在 304不锈钢上用 的解点压力和 /秒的速度可生成一个可令人接受的倒角。 在上述被提议的机器人手臂系统中，已经应用于 角作业。悬吊此低能耗机器人手臂的提升力为 。用一个重 克（直径为 16 气动砂轮以最大旋转速度为每秒 30000 转的速度 进行铣削 ，倒角表面的照片如图 25 所示，图 26 显示了在匀速为 /秒的法向摩擦力 fn 及切向磨削力 ft。法向磨削力保持在所需的大小 ，因为在毛坯尺寸中没有大的变化。切向力大约是法向力的一半，图 27 展示了通过一次单一的磨削倒角表面的剖切图。倒角结果显示了倒角面的宽度 - 此结果在公差范围内。 8. 结论 上述提议的悬浮系统的主要目标是用能耗操作器完成中午的作业。在水平面和竖直面内都已经讨论过。在水平运动中，悬浮系统具有一些优点，当重型工具超出驱动器的 驱动力矩极限时，它可以利用弹簧秤的提升力进行操作。此系统的连接摩擦力小于传统的系统，在桡腕关节产生的阻力更小，这对小容量的力传感器来说更是一大益处。此外，在竖直运动中，悬浮力补偿了作用在操作器上的重力。 悬浮工具的动态模型和悬浮机器人手臂系统已经发展和执行，利用当前的动力学公式，开展了模拟和实验以证明上述提议的系统的有效性。在竖直平面内，倒角作业已经开展了。在竖直平面内操作机器人手臂需要一个大力矩驱动的驱动器以克服重力。弹簧秤的提升力补偿了工具在竖直平面内的重力。 倒角表面的结果证明了 悬浮机器人手臂的自动磨削 系统可以以 低功率驱动力传感器 和低能量驱动器在大尺寸的金属切削过程中具有 广泛的 可 应用 性。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 of of a a of a in is is of to of in To by of In to of P 2000 92+81 238 26 3237; +81 238 26 3205. 929292r r bes of of to by 5 000 7 000 1. n a on It In a on of be of of 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 is a to is a in to to of in 1983). in to o, 1985). on of 1992; et 1988). or to a an be a a a in of in a by et 1990; 1987). in is on in a a on in 1994), In of a to be by or on of 1991). 60 et (1990). In or in In is to of is of in a it is to of in in 1981) In of a is We of 昌航空大学科技学院学士学位论文 9 of in In of by is 2. o (1985) a no of of a of a a AD of a in o
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