[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】有效控制的移动作业机器人系统-中文翻译

南京理工大学泰州科技学院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 学院 (系 )： 机械工程学院 专 业： 机械工程及自 动 化 姓 名： 吴德旺 学 号： 0701010446 外文出处： Proceedings of the American Control Conference Seattle Washington June 1995 附 件： 1.外文 资 料翻 译译 文； 2.外文原文。 指导教师评语： 译文的意思基本正确，语句较通顺。专业性术语的翻译也较为得当。译文的数量已达到学校规定的要求。这说明该生具有较强的科技文献的阅读理解与翻译能力。 签名： 2011 年 3 月 11 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 附件 1：外文 资 料翻 译译 文 有效控制的移动作业机器人系统 J.M. Lee, M.C. Lee2, K. Son2,D.S. Ah3, S.H. Han4, and M.H. Lee2 摘要 一个移动作业机器人控制的任务是实现两个局部机器人之间的动力耦合，即：一个作业机器人和一个移动机器人。移动作业机器人是一种由两个机器人串行联接形成的冗余机器人，这样可以使机器人在工作区内没有任何限制，适用于多任务的执行。当位移和静应力被明确的描述时，耦合过程就可以被启动。在本文中，我们证明了一个冗余机器人在两个独立控制器的合作下，实现共同作业的控制系统的性能。通过使用两个独立的控制器，我们可以实现高速，高精度的末端机器人作业指派。作业分配的一个典型例子是：快速和粗略的位移，主要分配给移动机器人，而缓慢和准确位移，主要分配给作业机器人。利用独立控制器分配作业和控制每一个局部机器人，解耦两个机器人的动力，形成由两个机器人串行联接的冗余机械手，是一个高性能模拟机器人设计 /控制的方法。 1 简介 一个传统的机械手有 6 个关节，可以提供在一个固定基面上的六个自由度的位移。 有了这 6 个自由度的机械手，终端装置就可以在自己的工作空间被定为于任何位置 /方向上。然而，实际上有一些几何约束，即奇点和 /或障碍回避，这可能会导致机械手不能够完成既定任务或可能导致任务执行速度非常缓慢。 特别是，当某个给定任务，通过奇异回避的轨迹时，在位置控制上误差会变大。关节力矩需要很大，这同时也导致了控制的不稳定。为了克服这些种类的限制，冗余机械手被很多研究人员引用 3,4。 在设计冗余度机器人时，有很多因素需要被添加到几何约束： 1、在被引导位移时， 机械手可能接触未知的环境。 2、机械手必须执行多种多样的任务。 3、机械手在执行任务时必须保持高的精度和速度感。 4、机械手应该很容易被操控和维修。 这些类型的冗余度机械手还可以被改造成各种各样的机械手，例如：通过在传统的机械手上增加一个关节（可以是柱状或旋转接头）或并联机械手机构 11，例如：史都华平台。 最近，运动基座机器人取代了固定基座机器人，吸引了更多人的兴趣。因为这些种类的机器人相比固定基座机器人很多优势。首先，动基座机器人的工作空间不受限制，甚至连底座也可以随意移动。 同时，由于基座的运动，奇点也可以被避免。 然而，在这些优势的背后，我们要付出额外的工作，就是控制机器人的机座。即：当我们使用靠机座机器人辅助的移动机器人时，我们把用来完成任务的高级机器人称作“作业机器人” ，把用来移动机座的低级机器人称作“移动机器人” 。这两个局部机器人之间的协调，是控制移动作业机器人系统的关键因素。关于移动作业机器人系统的概念有很多 1,6。两个独立的机器人通过一系列的连接形成冗余机器人，而这一系列的连接是冗余机器人设计中一个新的考验。这样可以节省大量设计冗余机器人的成本。另外，我们也可以为确定类型的容易任务更改作业机器人。在本文中，我们将向你展示移动作业机器人的设计程序，并最终证明移动作业机器人系统的性能。 2、运动学移动作业机器人 现一个共同的作业，整个系统应该在一个共同的框架内加以分析和控制，因为经过一系列连接连接起来的移动机器人和作业机器人都有自己单独的控制器。图 1 展示了由本研究开发的移动作业机器人系统。 图 1 由两个独立机器人连接而成的移动作业机器人系统 图 2 显示的连接框架被分配到移动作业机器人系统，并且有一个地面框架被分配给地面。 图 2 移动作业机器人系统的连接框架 正如图 2 所示，此移动机器人可以被看作是一个 3 维运动机器人（ X， Y 和 Z方向直线运动） 。尽管每个关节都有其自己的控制器， X-Y 平面的运动是由左右两个轮子在 X-Y 平面的运动控制的 ，这是一个封闭的不完整系统，无法获得运动学平衡。相反，每个车轮的关节角度在地面框架中的位置变化，可以用下面的方程来约束。 ( 1 ) cos-in0ttyx( 2 ) srb( 3 ) csiltt其中 r 为车轮的半径。 我们在移动机器人的末端平板中指定一个框架 1来作为作业机器人的基座。从框架 1到地面框架的位移矢量， =PX PY PZ T，将以一种复杂的形式被表示为0 1关节变量， 、 、 。我们不在这里处理这些问题，因为这些内容在参考文献12310已被完整分析。 我们使用了传统的 5 轴机械手（型号：专业型臂 RS2200） ，作为我们的作业机器人。表 1 中列出了各个轴的连接限制。在表中，个别关节限制显示在最后一栏。 Joint a d Joint Limts 1 0 0 16cm 1-120 120 12 90 20cm 0 2-18 126 23 0 15cm 0 3-100 -10 34 0 0 0 4-90 90 45 90 0 9cm 5-720 720 5表 1 迪纳维特 -哈坦伯格 参数和作业机器人关节限制 在表中，正运动学方程可以计算出来。也就是说，在笛卡尔坐标系中的一点， =P x ， P y ， P z ， ， ， T，可以表示为关节变量函数， = 1 X ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 T。一般表示为 )(05X（ 4） 矢量的方向可以表示成基于 欧拉角度的 ， ， 5 。从方程（ 4）中，我们也可以得到一个函列式矩阵。 3.移动机器人和作业机器人的解耦 . 移动作业机器人的末端受动器位移可以由两个局部机器人的位移相加而得到： atmJX（ 5） 式中的 是移动机器人在笛卡尔坐标系内的位移， 是雅可比函列式矩阵 , mX J是作业机器人的关节速度。作业机器人的位移 可以由 和 单独得到。ta mXat如何协调两个局部机器人去完成一个共同的任务是一个长期问题。下面列举了三个协调的方法 : 1. 让移动机器人和作业机器人不间断的执行一个作业。 2. 利用移动机器人的定位让作业机器人更好的执行作业。 3. 以一个适当的姿势固定作业机器人，而任务留给移动机器人来执行。任务的分配在（ 3）中被相对较好的描述。通过任务分配，作业机器人的基座运动轨道就被确定了。 这个任务的描述图表在公式 3中已被相对较好的描述。作业机器人的基座运动轨迹被确定。 为了获得作业机器人的动力，可以用递归的牛顿 -欧拉方法 , 把这个预设的速度 ( 作业机器人基座的加速度可以被直接热拔插 )代入作业机器人第一个关节的速度衍生方程。 ( 6 ) 100 1vR(P)( 7 ) 10z式中的 是指定给移动机器人的任务， 是移动机器人末端平板0Tv01到作业机器人第一关节处的位置矢量， 是模型从框架 1到框架 0的旋转量。 10R为了获得移动机器人的动力学方程，反应力可以从前面确定的作业机器人基座的运动轨迹方程中直接得到。如下所示： (8) 001ff(9) 01011nRpRf(10) T0z式中的 是作业机器人在第一关节处的六个自由度的合力， 移动1Tf 机器人最后一个关节所需求的扭矩。 因此，虽然我们是结合两个局部机器人来形成一个冗余机器人，我们也能对这个冗余机器人实行高速控制，正如在我们的计划中，用动力学解耦两个局部机器人的控制器。 4。移动作业机器人的组成 该控制系统具有层次结构： 1、主控制器支配两个局部机器人的高级别的进程例如，轨迹规划，障碍回避和协调（任务分配）两个机器人。 2、移动作业机器系统的层次控制如图 3 所示。 图 3 移动作业机器人控制系统的层次 主控制器（ IBM - PC）计算关节角度（使用逆运动学方程），从而确定移动作业机器人的每一个关节末端受动器需要的位置或方向，并将结果发送给每一个关节控制器。注意，移动机器人的末端平板也是作业机器人的基座。作业机器人的关节限制和作业执行性能由主控制器监控，必要时协调它与移动机器人之间的连接。考虑到关节控制器的执行能力，在前面提到的几种情况下，主控制器也执行一些给定的轨迹规划。为了响应瞬时速度命令，关节角度的变化值最终会被发送到关节控制器。 由于作业机器人是靠一个控制单元中的五个步进电机激活，主控制器通过双向数据总线将到作业临界点所需的步数发送给作业机器人。移动机器人由三个控制 X,Y,Z 方向直线运动的直流伺服电机组成。每一个电动机的转速都是通过实时调度算法由主控制器在每一个毫秒周期通过双向数据总线传输过来的轨道速度值控制。由解码器读取的关节角度值被发送回主控制器以监测移动机器人的控制性能，也可以在轨道偏差的基础上修改作业轨道。因此，主控制器为整个移动机器人的运动构成了一个控制循环。 移动机器人系统由四个主要部分组成：控制箱单元、机械机器人、接口单元和主控制器。图 4 以框图的形式阐述了移动机器人的组成结构。 图 4 移动模拟机器人学框图 驱动器由两个部分组成： 1、两个直流伺服电机驱动左右轮在 X-Y 平面各自获得的位移。 2、一个电机通过蜗轮蜗杆传动装置控制 Z 轴方向的直线运动。关于移动机器人力学的详细分