機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)的模式探討

摘要：機(jī)械人的機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一直是在整體設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)，一般在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中都會(huì)將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在基礎(chǔ)的分析上，從而對(duì)機(jī)械人的機(jī)械系統(tǒng)有具體的探索，本文針對(duì)機(jī)械人機(jī)械系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)中的兩輪模型進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞機(jī)械人;機(jī)械系統(tǒng);并行設(shè)計(jì)

1.前言

對(duì)于機(jī)械人而言，柔性設(shè)計(jì)個(gè)剛性設(shè)計(jì)都是在設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)，因此是整個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的一部分，同時(shí)作為機(jī)械學(xué)科和電子學(xué)科的交叉學(xué)科在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中有著復(fù)雜化的特點(diǎn)。

2.機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)一般包括機(jī)身、行走系統(tǒng)、操作臂、末端執(zhí)行器及周邊設(shè)備，這是機(jī)器人的重要組成部分，是機(jī)器人系統(tǒng)在工作中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種功能運(yùn)動(dòng)和操作任務(wù)的被控對(duì)象。它與機(jī)器人控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成一個(gè)緊密聯(lián)系的整體。機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、感知系統(tǒng)及其相關(guān)軟、硬件的復(fù)雜程度。另一方面，就其機(jī)械系統(tǒng)本身而言，由于機(jī)器人要求具有高度的能動(dòng)性和靈活性，能在復(fù)雜條件下滿足各種各樣的工作要求和作業(yè)任務(wù)，而這些是傳統(tǒng)機(jī)械裝置不能達(dá)到的。因此，機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)有著本質(zhì)的差別。其機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：

（1）復(fù)雜性機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)總的來(lái)看是相當(dāng)于一系列懸臂桿件通過(guò)關(guān)節(jié)串連起來(lái)的開(kāi)式鏈。但由于誤差和變形的累積，使得在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要保證開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)的能動(dòng)性和靈活性，另一方面又要處理這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)傳遞、誤差補(bǔ)償和消除等問(wèn)題，使機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得較為復(fù)雜。

（2）依賴性由于機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成機(jī)器人的一個(gè)緊密體，因此機(jī)械系統(tǒng)的總體方案、結(jié)構(gòu)方案依賴于控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)的方式、方法及手段的確立。

（3）協(xié)調(diào)性機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的形式、實(shí)現(xiàn)手段等將直接影響到控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度，以及其它系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)、安裝、調(diào)控等，因此，機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須與其它系統(tǒng)進(jìn)行不斷的協(xié)調(diào)才能進(jìn)行。

3.常見(jiàn)的機(jī)械并行模式

3.1機(jī)器人設(shè)計(jì)的一般模式

機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要分為3個(gè)過(guò)程：一是概念設(shè)計(jì)，即根據(jù)定義的任務(wù)來(lái)確定機(jī)器人的執(zhí)行要求，包括負(fù)荷、操作對(duì)象、精度、速度等，并進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì);二是初步設(shè)計(jì)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、傳感器與控制策略的確定、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與模塊化;三是詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)、詳細(xì)電子設(shè)計(jì)和系統(tǒng)綜合。

對(duì)每一過(guò)程的評(píng)價(jià)若不通過(guò)，則都將返回到該過(guò)程的初始點(diǎn)或上一過(guò)程中去再設(shè)計(jì)。這種自上而下的串行設(shè)計(jì)方式不利于機(jī)器人系統(tǒng)的整體優(yōu)化，同時(shí)將使設(shè)計(jì)過(guò)程變得漫長(zhǎng)。

3.2機(jī)械系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)的模式

所謂并行設(shè)計(jì)就是指在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)階段即考慮產(chǎn)品生命周期中工藝規(guī)劃、制造、裝配、測(cè)試、維護(hù)等其它環(huán)節(jié)的影響，通過(guò)各環(huán)節(jié)的并行集成，以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。

對(duì)于機(jī)電一體化產(chǎn)品的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其本身就是機(jī)械、控制、電子和計(jì)算機(jī)等高技術(shù)的集成，因此，機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)、控制理論與方法、電子電氣和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等學(xué)科相互交叉和滲透的技術(shù)支持。針對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和特點(diǎn)，運(yùn)用并行設(shè)計(jì)的思想。

3.3模式分析

機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的并行設(shè)計(jì)模式主要由方案設(shè)計(jì)、領(lǐng)域技術(shù)分析、綜合與評(píng)價(jià)以及機(jī)械系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)等部分構(gòu)成。不難看出，方案設(shè)計(jì)與領(lǐng)域技術(shù)分析對(duì)應(yīng)于一般意義上的機(jī)械設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)過(guò)程，綜合評(píng)價(jià)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于具體設(shè)計(jì)過(guò)程。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)涉及到機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、軌跡規(guī)劃、誤差的檢測(cè)辨識(shí)與軟硬件補(bǔ)償技術(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)、振動(dòng)與防治、關(guān)節(jié)柔性等方面的內(nèi)容，因此需要機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包括傳感、檢測(cè)）、電子系統(tǒng)和制造工藝及裝配等方面的技術(shù)支撐，同時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與傳動(dòng)形式也一定程度上決定了上述支撐技術(shù)系統(tǒng)的方式和方法。所以，運(yùn)動(dòng)方案和傳動(dòng)裝置方案的設(shè)計(jì)與各支撐系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)是一種并行設(shè)計(jì)的協(xié)作關(guān)系。這樣才能達(dá)到機(jī)械系統(tǒng)方案與其它系統(tǒng)方案的協(xié)調(diào)、有效、可靠與快捷設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的綜合是對(duì)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)各組成部分的總體協(xié)調(diào)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。它力求避免方案中各支撐技術(shù)方案的沖突，引導(dǎo)并處理各支撐技術(shù)方案的完善統(tǒng)一，并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案組織具體實(shí)施。

4.兩輪移動(dòng)式倒立擺機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型

二級(jí)倒立擺系統(tǒng)是一個(gè)快速響應(yīng)系統(tǒng)，要求執(zhí)行器能根據(jù)控制量變化快速做出動(dòng)作系統(tǒng)主要由車輪車廂擺桿防震輪組成，2個(gè)車輪的軸線在同一直線上，分別由2臺(tái)直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在車廂的內(nèi)部安裝有蓄電池左右直流力矩電機(jī)編碼器傾角傳感器陀螺儀無(wú)線傳輸模塊等，控制小車的自平衡，測(cè)量左右車輪的旋轉(zhuǎn)角度。系統(tǒng)采用的傳感器包括傾角傳感器陀螺儀編碼器，通過(guò)它們可以測(cè)量和計(jì)算出小車的狀態(tài)參數(shù)，其中，車體傾角速度分別由傾角傳感器陀螺儀直接測(cè)量，左右車輪旋轉(zhuǎn)角度可由編碼器測(cè)量，通過(guò)微分可以計(jì)算左右車輪的角速度，進(jìn)而推算出左右車輪的行駛速度，車體的前進(jìn)速度，小車在地面的旋轉(zhuǎn)角速度。

輪式機(jī)器人因其具有良好的移動(dòng)性能一直備受關(guān)注，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從理論方面研究了它的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃軌跡跟蹤控制方法，并取得了很多成果。

兩輪式機(jī)器人，同時(shí)也是一個(gè)倒立擺系統(tǒng)，對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)需要保持系統(tǒng)的平衡狀態(tài)機(jī)器人跟蹤目標(biāo)，首先要由視覺(jué)部分作為機(jī)器人的眼睛，完成識(shí)別目標(biāo)的位置速度方向等信息的任務(wù)，這些信息是做出正確決策的基礎(chǔ)視覺(jué)系統(tǒng)需要圖像采集設(shè)備，包括攝像頭和采集卡等兩輪式移動(dòng)倒立擺機(jī)器人還沒(méi)有裝備視覺(jué)系統(tǒng)，為了檢測(cè)倒立擺機(jī)器人跟蹤能力，模擬了一個(gè)虛擬的跟蹤目標(biāo)，PC機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊不斷將目標(biāo)位置發(fā)送給機(jī)器人，供機(jī)器人決策倒立擺機(jī)器人的位置可以通過(guò)自身的傳感器獲取。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行機(jī)械并行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，防止，由于設(shè)計(jì)過(guò)程中的背不當(dāng)導(dǎo)致了后期機(jī)械人在施工過(guò)程中帶來(lái)的諸多問(wèn)題，發(fā)揮設(shè)計(jì)者的作用。

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作者簡(jiǎn)介

高世鑫（1992.02.16-），本科，邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械系。