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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MCB UP Limited (MCB) 2000截至2000小型断路器有限公司(简称MCB)Mohammad Jashim Uddin: 博士, 山形大学系统
2、和信息工程系, 日立 4-3-16, 日本Yonezawa 992-8510,电话: +81 238 26 3237; 传真: +81 238 26 3205.Yasuo Nasu:山形大学机械系统工程部教授,日立 4-3-16, 日本Yonezawa 992-8510,Kazuhisa Mitobe: 副教授, 山形大学机械系统工程部教授,日立 4-3-16, 日本Yonezawa 992-8510,Kou Yamada: 副研究员, 山形大学电子及信息工程系, 日立 4-3-16, 日本Yonezawa 992-8510,鸣谢: 在此作者真诚的感谢Yoshihiro Ishihara先生,
3、 Yoshiyasu Hariu先生, Hidekazu Satou先生, 及 Kazuo Abe先生在机器人的制作和控制软件的执行中所做出的努力Mohammad Jashim Uddin还将感谢教育部，科学会，运动商及(MONBUSHO)给出的奖学金, Japan. Received: 5 January 2000 Accepted: 7 February 20001. 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
4、统(STS)是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(SRAS)是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(Schneider and Can
5、non, 1992; Walker et al., 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、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(Kashiwagi et al., 1990; Whitney and Brown, 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 (Nemec, 1994),
6、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(Her and Kazerooni, 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Raibert 和Craig (1981)提出的
7、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：Asada和Ro (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。2.
8、1. 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sub1, lsub2, lsub3, & lsub4表示。输入杆的角度由qsub1 和 qsub2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Jacobian矩阵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=Isub1+msub1lsup2su
9、bC1+Isub3+msub3lsup2subC3+msub4lsup2sub1 B m= (msub3lsub2lsubC3+msub4lsub1lsubC4)cos(qsub1-qsub2) C m= (msub3lsub2lsubC3+msub4lsub1lsubC4)cos (qsub1-qsub2) Dm=Isub2+msub2lsup2subC2+Isub4+msub4lsup2subC4+msub3lsup2sub2 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
10、程式10)，g是由重力引起的重力加速度。2.2.硬件描述：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19.62 N) 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。2.3. 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
11、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, Jacobian 点阵具有零决定因素，然而在一个不定异常中，Jacobian点阵的决定因素为无穷大。Ting (1992) 、 Asada和 Ro (1985) 指出了五杆闭环连杆机构的异常问题。对于五连杆结构，Jacobian 矩阵的决定因素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
12、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：0sup- = qsub1 =180sup- & 0sup- = qsub2 =180sup-.图5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 5.0 N 的力量工作空间，在10.0
13、N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9.81 N 和驱动器的旋转力在以下范围时：0sup- = qsub1 =180sup- and 180sup- = qsub2 =360sup-.图6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 5.0 N 的力量工作空间，在10.0 N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III 。在悬浮系统中, phi是旋转角度, psi 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
14、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Fsub取决于弹簧秤的设置，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Fsubvy和 Fsubvz 被定义为：(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
15、。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MATLAB仿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MATLAB函数中被描述了。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。5.1.水平面内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0.5秒，要求速度为0.02米/秒。最终受力器的轨迹在一个被约束的表面，从(0.0, 0.3) 到 (0.2, 0.3) 。模型工具的重量是2.0 kg 。 假设是特制钢，弹簧秤的提升力看作是19.62 N ，所需的力为5.0 N 。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。5.2. 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0.01米/秒时弹
