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水下 机器人 理论 以及 设计 问题

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国际控制会议，仪器仪表和机电工程 （ 7） 5 月 28007 水下机器人的理论和设计问题 来西亚理科大学 摘要 在本文中，我们将讨论水下机械手设计的理论和实现面临的问题。这是以前的 研究人员 在 工作 中提取的 信息 的 方法 。 本文介绍了一些建模参数 ， 这是通常包含在水下机器人的外观设计，增加质量，增加 科里奥利力， 阻力和浮力。模拟所有这些参数使 用 过修改一些运行代码 ， 是由彼得 柯克通过他的机器人工具箱 完成的。 通过 对 一个 土地 基础的设计和水下机械手的 设计 进行了 比较， 作为水下机械手 需要 执行 其 工作添加参数 ， 指出增加转矩要求做出类似的运动关节链接。在本文中 ， 我们使用了彪马 560 配置 ， 这作为我们 的 手动工具 的 机器人工具箱内部生成 的 。本文给出了 提高 和改进 的 下一个方向 。 1 介绍 探索海洋已经成为一个新兴的研究领域，由于许多资源位于深海之下。深海勘探 给 人类带来了不同的挑战，因为 人类 不能够承受 一些严酷 的条件 ， 因此为了避免 在深海中的人为 因素干预 ， 机器人 的研究已进入 深海 。当前 热门 的研究领域主要集中在 自主水下载具 ） 的 开发和部署 。 一些应用程序 能让 水下机器人 操纵自己进入深海。这将消除人类被暴露在危险环境 中的 水下勘探 ,包括检查 。 水下机器人配备了照相机来执行其检查周围 覆盖 面积 。 预计水下 事 海洋探险 ，并 在 减小 危险 中 起到至关重要的作用 。 机械手的设计和应用是 深入到 另一个领域的研究 ,将使机器人复制人类的手臂和手 的功能 。各个 实 用的应用程序已被研究 如 拧紧装配零件 等 。 机械手的设计通常 由 它能够执行或 “ 操纵 ” 本身 的度数决定 ,或换句话 说 是 由度 )。 自由度是指机械手拥有的基本关节的数量 。 机械手的自由度数字越高意味着移动更加灵活 。接头可以分为两种不同的类型 ： 棱柱和回转。 柱状关节 使关节 平移运动而转动关节可以 使关节 做 旋转运动 。 水下机器人机械手系统 （ 在机器人研究界得到普及 ， 因为它提供了水下机器人更大的灵活性和更广泛的应用。更多的应用程序 使 以前需要制导武器的人 由 更灵巧的机械手取代 。 操纵器能够执行各种任务 ， 如从海床，钻床拿起对象，加入零件和零件的组装都配备了水下机器人。 由于这样的事实 ， 即它必须考虑 水下存在的 流体力学 ， 更好的设计与使用 现存 的机械 手 是唯一可能的事。 水下机器人机械手系统 在 感兴趣的研究者 中 构成了不同的挑战 。这包括增加的质量，浮力，阻力和摩擦 。 由于从流体动力学添加效应 ， 这将改变机械手的动力学。 这篇文章的目的是讨论一些包括装备水下车辆与机械手 的 设计 问题 。 本文 着重 给出了对五个方面的设计标准 ： 自由度 、 工作区范围 、 末端执行器 的 最大速度和可重复性 、操纵器的精度 。在本文中 ,我们进行了模拟 以 显示水下机械手和表面机械手的区别 ， 包括水动力效应的机械手 的 动态功能 。 在 这个测试 中 我们使用6 自由度的转动关节 对 配置 的 所有复制末端执行器 进行 定位。 所有的连接参数被正 确地指定，如力矩的惯性张量、重力齿轮比和摩擦。 在参数模拟 时 改变质量变化的参数 ， 也可联系浮力变化 。 利用机器人工具箱函数 对 工作区所有的模拟进行了研究 。 比较着重于转矩要求，以实现水下和表面机械手操作之间的位置 的 分配 。 通过使用逆动态算法牛顿欧拉法的递归得到的扭矩 ， 基于关节 的 位置、速度和加速度计算出扭矩。 通过 公 正 的分析和模拟 受到 流体动力学影响的水下机械手 的 运动结论 变化的多少， 从而保证 在 水下机械手的设计 中 对这一因素有足够的考虑。通过利用电源模拟 ， 我们能够观察到 由于流体力学，我们的扭矩值等某些参数的变化 的 效果。这将确保机械手一个更好的设计。 2. 设计考虑 水下机器人机械手系统 在 感兴趣的研究者 中 构成了不同的挑战 是由于 ， 事实上，它 研究 的流体力学存在 于 水下 。 在本文中注 重 的是对五个方面的设计 ： 自由度 、 工作区范围内 、 承载能力 、末端器 最大速度和重复性 、 操纵器准确性 。 除 此之外 ， 了解动态运动的机械手的运动学 是非常重要的。 运动学是不考虑导致运动的力的研究 。机械手的运动涉及 几何的研究 和基于时间的运动属性，特别是如何移动各个环节 ，并 随着时间的推移 相互对应 。 在机械手的路径规划中，更多的是使用逆运动学的解决方案， 使关节角度达到指定 的末端执行器的 所需 位置。该解决方案是 关于 示法 确定 联合链接 参数。 机械手动力学涉及运动方程 ，机械手动作响应扭矩应用的执行机构或外力。 如果附加质量、浮力、 液压阻力和摩擦水下机械手的动态 参数 都 会 增加 ，当机器人 在水下移动时 ，额外的力和力矩系数 也会 添加 ， 围绕机器人 的流 体必然会促进机器人有效质量变化 。这些系数是 额外的（虚拟）的质量 ，由于力系数线性和角加速度增加如转动惯量和交叉耦合项 等 。 水下 具有 n 关节 的 机械手 的运动方程如下 ： 其中 q 是关节角的位置 ， 氏力，离心力 ， 力包括浮力的影响 ， 是向量，这实际上是应用关节力矩控制输入 。 由度） 操纵器可以在 3间中执行 的 独立的运动 的 的数目被称为自由度的数量。机械手臂可以提供多个自由度 ,下面的图 1 展示 的是 先进的卡夫遥控机器人捕食者 7。 机械臂基本上 有两种类型的运动 ： 平移和旋转。 即 表示沿三个垂直轴直线运动， 通过 三轴指定 主体的位置 和 角的旋转 运动 及绕主体的旋转方向 。自由度 由该机械手 的任务决定 。 一个常见的 设计 策略是 基于 三自由度实现任意位置 ，并 添加 在一个 3 自由度球面手腕上 以 实现任意方向 的运动 。手头的任务通常并不需要一个完整的 6 - 如：任务对象表现出对称时，或在没有工作区中的障碍，或简单的任务时，涉及有限的运动方向。很显然设计最低自由度 的操纵 实现任务是最佳的。这将减少成本 、 简化分析。大部分的商业水下机器人在水下航行器 做安装操作。其中一些只设计 很少的 自由度，因为车辆本身也有它自己的自由度。然而， 一个通用的六自由度机械手。图 2 显示了 机械臂。 图 1：卡夫 遥操作机器人系统 “ 捕食者 ” 图 2： 机械臂 作范围 一个机械手的工作空间被定义为一个操纵器的工作区中的空间体积，在该 空间 机械手是能够找到它的 末端 。因此，在这种分析中工作区是指 在 周围的水下。有时需要考虑工作区的形状。 机械手的工作空间 的 特征 是 机械接头限制除了配置、链接长度和数量 以外的 机械手 的 自由度。被指定工作区存在或不存在的解决方案 属于 逆运动学问题。 通过原点的端部区域，可以达到至少一个方向 的 效应子被称为 可达工作空间 （ 。如果工作空间中的一个点只在一个方向可以达到， 末端器的可操作性 是非 常差，只用一个固定的方向是不可能 符合 任何实际工作 要求的 。因此，它 必须找到 可以达到在一个以上的方向 的 点工作区。 末端可以达到每点所有的方向的空间被称为灵巧工作区 （ ， 如果一个特定的机械手可确定构成 ， 没有解决方案， 这种 配置被 称为“ 奇异 ” 。 分为 奇异性的边界和或内部的奇点。对应于这些奇异点代表在工作区中的奇异表面 的 表面补丁。因为奇异的表面是移动操纵器的 不可能的 前端沿，无论选择哪个关节率，它们是操作期间应 被 避免。任何位于一个 奇异 表面上 的点都 将具有零可操作性。 载能力 电动机的大小 、 关节和链接的结构完整性 决 定了机器人的负载 。对于相同的结构完整水平，作为工作区的体积增大 ， 有效载荷能力会下降。 端执行器的最大速度 机械手 比 单纯 自动化或 人工 可以实现更快、更可行 地完成 任务 。 周期时间 是达到一个完整的移动花费的时间 ， 是一个 与 速度有关 的 函数 ， 而且还可能 与 加速在加速和减速阶段 有