[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】多功能的六自由度机器人-中文翻译

多功能的六自由度机器人 C.B.赞， K.J.微尘， M.Risti6and L.P_ 威廉姆斯 伦敦帝国学院机械工程系 SW7 2BX 英国 本文介绍了一种原型的六自由度机器人 8kg容量构建满足帝国学院机器人研究的需 要。在未来的机器 人需求的思想，机器人的控制系统开展了与项目公司的合作。 4.臂的运动学 4.1 介绍 当试图编程机器人执行一些有用的任务，很明显的事情之一是需要能够指定机器人的动作相对于一个合适的坐标轴。其中最合适的是，将取决于特定的任务被编程，例如，对于编程一般运动的手臂，它通常是最方便的工作关系到直角坐标系坐标系位于机器人基地（图 5）；当在对象上执行工作时，该对象本身的坐标系更为合适，而通常它是最方便的指定在机器人工具的坐标系中的移动。 不幸的是，机器人控制器的工作，在联合的水平和本质上，他们需要的定位要求提供给他们的关节变量（关节角度的旋转关节或滑动关节的线性运动）。在关节角度规划的机器人，另一方面，是非常繁琐和耗时的，因此，机器人运动学必须要解决的计算机在线。 机器人最常用的编程方式是教它通过一组点移动。然而，在它自己的这可能是不够的，因为非常经常，特别是在密闭空间工作时，手臂将被要求遵循一个给定的路径，以避免碰撞任何障碍。由于在点对点的移动的教点之间的路径是未定义的，如果路径是要被严密控制的存储点的数目将是非常大的。这是一个耗时的程序员和昂贵的内存要求的控制计算机。通常情况下， 15000个点必须存储一五分钟的执行！ 另一种是电脑耗材这些点之间所需的轨迹。然后是要提供移动组的轴要求，随后将被传递到轴控制器的路径控制器程序的时候了。这涉及到整个机器人运动不断、 联机、执行统筹转换。因此，在此操作期间的计算效率是至关重要。 因此我们定义了运动学软件预计要执行，和最必要的条件是对穿孔素的工作统筹空间与机器人关节空间之间的映射的基本任务。 这种映射定义如下 事实上，在必要时解决机器人运动学中的两个截然不同的问题 直接运动学映射成相应的关节角度位置 /方向 WRT的工作框架 逆运动学映射位置 /方向从工作框架为相应的关节角度 运动学是变得更加容易解决比逆运动学，尤其冗余情况下的手臂 （超过六自由度的）。 在一般情况下，既可以求解矩阵演算或直接几何分析。然而，虽然矩阵的方法是更一般的，但是它也是计算更密集。对于实时机器人控制的计算效率是本质的，因此在这里描述的机器人系统设计的几何方法 4.1 直接的运动学解 在分析其结构，机械臂可以划分成两个坐标轴组 主轴轴线主要负责空间定位的夹具，通常轴 1,2和 3 次要坐标轴 主要负责提供夹持器定位，即手腕轴的轴。 这两套轴通过机械节点加入，称为腕关节点，并通过这次轴的参数： w-position 0侧方向的垂直方向如图 6所示。图 6（ a）机器人的坐标轴 图 6（ b）二次手腕轴 对机器人手腕配置的问题是辊辊间距（ RPR）和主轴端采取包括链接 4，这始终与 3链接。 图 5显示了分配机器人参数和抓取位置 /方向的约束 ,如下： 1,., 6-关节角 L1,.,L6 -链接长度 X, Y , Z-爪坐标 -偏转 -倾斜 关于定义的基 本框架 -转动 从图 6（ a） rxv是腕关节点和底座的轴之间的水平距离，和 R-的手腕点的垂直位移的 XY平面。 因此 手腕的点和垂直方向，以及，都给出： 进一步的分析中，通过将参数分配给矩形三角形： 因而从图 7 显示链接 4， 5 和 6该机器人 通过给出了偏转角 ： 现在 ： 它的螺距角是： 转动角是： 我们现在可得 5.机器人控制器结构 5.1 系统概述 在第 3节中描述的机器人控制器的硬件和一个最明显的特点是模块化和灵活性的设计。这种模块化源于控制器的多处理器结构，在离散处理单元被允许通过一个标准化的接口进行通信。通信格式是这样的，它允许在短时间内通过接口传递各种信息。 这是开发软件，将充分利用这些功能，并进行模块化的基本原则，进一步的出发点。 在软件中，因此，一些相当不同的模块可以被识别，其中每一个被逻辑地专注于一个任务，明确的分工，他们各自的工作。图 11给出了软件组织的示意图。可以看出，该软件在不同级别上运行，这些可以分为以下几类： 用户级别 机器人语言 机器人手臂水平 运动学模块 联合级别 动态补偿和数字控制。 机器人语言提供了一个操作人员和机器人系统之间的接口，并进行通信，通过终端或使用教的挂件。该语言将在 6节更详细地描述。在这个阶段，它是足够的注意，它使该地区规划无论从联合的角度或 WRT的基础框架，框架，工具架或其他任何选择的坐标框架。编程设备还包括指定 存储点之间的轨迹形状。因此，语言的功能，就机器人而言，是以 明确定义的任务要执行。运动学模块与语言的运行关系密切。事实上，它可以被看作是语言的“执行模块”，因为它需要的任务定义，并将其转换成直接的联合要求的轴控制器。 机器人语言： 提供了用户和机器人之间的接口 将运动命令转换为内部和重新定义的任务目标的精确描述联合运动 运动学模块 负责任务执行坐标变换计算路径插值和速度分析以产生一组的移动需求传递到轴的伺服控制器 这两个模块之间的接口是通过一整套标准化的输入和输出参数，包括实数和整数值。典型的运动学从语言传递的信息是 O 代码指令要执行 O 统筹框架定义 O 所需的机器人位置 （关节角度或根据工作框架协调） O 轨迹形状 O 速度参数 （额定速度和分析参数） 因此在处理语言命令之后，运动学模块照顾其执行。 一个例子是当机器人吩咐将从其现在的位置移到另一个位置，按照空间在一条直线。然后将执行下列任务。 检查是否结束点是工作的信封之外。如果是的然后返回到错误的语言。 确定每次在给定速度的世界空间中的位置增量。 计算位置增量在世界空间中的考虑到帐户加速 / 减速参数。 T 已知到关节角度要求的瞬时位置。 发送伺服轴需求。 如果此举尚未完成第三阶段去。 如果移动完毕返回命令语言。 返回到该语言的信息包括 错误代码 在执行结束实际手臂的位置 基础框架信息 控制手臂的最后阶段是留给轴控制器。这些接收要求的关节轨迹，并执行当地联合控制代理保持这些轨迹的精确跟踪。 5.2 轴控制 目前最常用的机器人控制方法是在局部节点级采用比例或比例 -积分 -微分 -积分-微分控制，实现简单，价格便宜。很正常地，这将是完全可以接受的，但是，正如我们不久将看到的，为了快速的轨迹跟随一个更先进的控制方法是必要的。 考虑一个机器人关节作为一个独立的控制系统，它是一个二阶机械系统，包括惯性，摩擦阻尼和大多数手臂的配置，重力荷载。 如果采用常规比例控制器的增益可调给一个临界阻尼响应，但重力的影响将会产生一个稳态误差这是万有引力的比例。增加增益将减少这个错误，但会导致在一个振荡的瞬态响应，这是不可取的。 通过将一个控制器的稳态下垂，将被淘汰，而通过仔细选择的控制器增益，以适应系统的惯性和阻尼一个令人满意的瞬态响应，可以实现小的超调。 不幸的是，对于大多数机械臂的惯性所看到的致动器是不是一个常数，但会有所不同，往往是相当大的量，取决于手臂的位置。负载的负载会导致惯性的进一步变化。因此，如果 PID设置这样的瞬态响应是临界阻尼的一个位置，很可能是过阻尼或欠其他位置。通常的设计方法是计算 PID参数，将临界阻尼响应的惯性可能遇到的最坏情况下的设置，而大部分的操作系统将过阻尼。这种类型的控制仍然会给良好的点对点精度的手臂，但不到最佳的瞬态性能简单地被接受。 当关节被赋予后续的轨迹，将永远是一个有限的每个关节的误差，这将增加速度。这些错误通过手臂繁殖产生不良的整体跟踪。 在跟踪的附加问题是关节间的耦合是随着转速的增加，离心力和科里奥利力变得明显更为明显。这将是一个进一步的因素，以减少跟踪质量。 因此，为了实现良好的性能，在高速运动轨迹跟踪一些方法补偿机器人动力学已被纳入控制器。 在过去已经有一些尝试解决这个问题，通过计算机器人动力学上线，并使用此信息产生的控制方案。通常情况下，方法采用拉格朗日方程或牛顿 -欧拉方程组建立的动态模型的手臂，然后解决了计算所需的共同力量产生所需的运动。不幸的是，由于手臂的结构，大部分的关系是非常复杂的，解决这些问题的计算需求是非常大的。此外，所有这些方法都与控制的手臂在全球范围内的计算任务是严格的顺序在本质上，因