機器人機械系統并行設計的模式

時間：2022-10-05 19:16:35 機電一體化畢業論文我要投稿

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機器人機械系統并行設計的模式

　　機器人機械系統并行設計的模式【1】

　　摘要：機械人的機械系統的設計一直是在整體設計過程中的重點，一般在進行設計的過程中都會將設計重點放在基礎的分析上，從而對機械人的機械系統有具體的探索，本文針對機械人機械系統并行設計中的兩輪模型進行了詳細的介紹。

　　關鍵詞機械人;機械系統;并行設計

　　1.前言

　　對于機械人而言，柔性設計個剛性設計都是在設計過程中的重點，因此是整個機電一體化產品中不可缺少的一部分，同時作為機械學科和電子學科的交叉學科在整個設計過程中有著復雜化的特點。

　　2.機器人機械系統的設計特點

　　機器人機械系統一般包括機身、行走系統、操作臂、末端執行器及周邊設備，這是機器人的重要組成部分，是機器人系統在工作中實現機器人各種功能運動和操作任務的被控對象。

　　它與機器人控制系統、感知系統等構成一個緊密聯系的整體。

　　機器人機械系統的性能優劣直接影響到機器人計算機控制系統、伺服系統、感知系統及其相關軟、硬件的復雜程度。

　　另一方面，就其機械系統本身而言，由于機器人要求具有高度的能動性和靈活性，能在復雜條件下滿足各種各樣的工作要求和作業任務，而這些是傳統機械裝置不能達到的。

　　因此，機器人的機械系統設計和傳統的機械設計有著本質的差別。

　　其機械系統的設計具有如下特點：

　　(1)復雜性機器人的機械結構總的來看是相當于一系列懸臂桿件通過關節串連起來的開式鏈。

　　但由于誤差和變形的累積，使得在結構設計時，一方面要保證開鏈結構的能動性和靈活性，另一方面又要處理這種結構帶來的運動傳遞、誤差補償和消除等問題，使機械結構的設計變得較為復雜。

　　(2)依賴性由于機械系統與控制系統、感知系統等構成機器人的一個緊密體，因此機械系統的總體方案、結構方案依賴于控制系統、感知系統的方式、方法及手段的確立。

　　(3)協調性機器人機械系統的形式、實現手段等將直接影響到控制系統的結構及復雜程度，以及其它系統部件的結構、安裝、調控等，因此，機械系統的設計必須與其它系統進行不斷的協調才能進行。

　　3.常見的機械并行模式

　　3.1機器人設計的一般模式

　　機器人的設計主要分為3個過程：一是概念設計，即根據定義的任務來確定機器人的執行要求，包括負荷、操作對象、精度、速度等，并進行機械系統方案設計;二是初步設計，包括機械結構設計與分析、傳感器與控制策略的確定、伺服系統設計與模塊化;三是詳細設計，包括詳細機械設計、詳細電子設計和系統綜合。

　　對每一過程的評價若不通過，則都將返回到該過程的初始點或上一過程中去再設計。

　　這種自上而下的串行設計方式不利于機器人系統的整體優化，同時將使設計過程變得漫長。

　　3.2機械系統并行設計的模式

　　所謂并行設計就是指在產品開發的設計階段即考慮產品生命周期中工藝規劃、制造、裝配、測試、維護等其它環節的影響，通過各環節的并行集成，以縮短產品的開發時間，提高產品的設計質量，降低產品成本。

　　對于機電一體化產品的機器人來說，其本身就是機械、控制、電子和計算機等高技術的集成，因此，機器人機械系統的設計需要機械運動與傳動、控制理論與方法、電子電氣和計算機應用技術等學科相互交叉和滲透的技術支持。

　　針對機器人系統的設計要求和特點，運用并行設計的思想。

　　3.3模式分析

　　機器人機械系統的并行設計模式主要由方案設計、領域技術分析、綜合與評價以及機械系統具體設計等部分構成。

　　不難看出，方案設計與領域技術分析對應于一般意義上的機械設計的概念設計過程，綜合評價與系統設計對應于具體設計過程。

　　由于機器人的運動和傳動方案設計涉及到機器人的機構、軌跡規劃、誤差的檢測辨識與軟硬件補償技術、動力學參數辨識、振動與防治、關節柔性等方面的內容，因此需要機構運動、傳動系統、控制系統(包括傳感、檢測)、電子系統和制造工藝及裝配等方面的技術支撐，同時，機器人的運動與傳動形式也一定程度上決定了上述支撐技術系統的方式和方法。

　　所以，運動方案和傳動裝置方案的設計與各支撐系統的分析設計是一種并行設計的協作關系。

　　這樣才能達到機械系統方案與其它系統方案的協調、有效、可靠與快捷設計的實現。

　　系統的綜合是對機器人機械系統各組成部分的總體協調，同時對設計方案進行評價。

　　它力求避免方案中各支撐技術方案的沖突，引導并處理各支撐技術方案的完善統一，并對機械系統設計方案組織具體實施。

　　4.兩輪移動式倒立擺機器人的運動模型

　　二級倒立擺系統是一個快速響應系統，要求執行器能根據控制量變化快速做出動作系統主要由車輪車廂擺桿防震輪組成，2個車輪的軸線在同一直線上，分別由2臺直流力矩電機直接驅動，在車廂的內部安裝有蓄電池左右直流力矩電機編碼器傾角傳感器陀螺儀無線傳輸模塊等，控制小車的自平衡，測量左右車輪的旋轉角度。

　　系統采用的傳感器包括傾角傳感器陀螺儀編碼器，通過它們可以測量和計算出小車的狀態參數，其中，車體傾角速度分別由傾角傳感器陀螺儀直接測量，左右車輪旋轉角度可由編碼器測量，通過微分可以計算左右車輪的角速度，進而推算出左右車輪的行駛速度，車體的前進速度，小車在地面的旋轉角速度。

　　輪式機器人因其具有良好的移動性能一直備受關注，國內外許多學者從理論方面研究了它的運動規劃軌跡跟蹤控制方法，并取得了很多成果。

　　兩輪式機器人，同時也是一個倒立擺系統，對它的運動進行控制時需要保持系統的平衡狀態機器人跟蹤目標，首先要由視覺部分作為機器人的眼睛，完成識別目標的位置速度方向等信息的任務，這些信息是做出正確決策的基礎視覺系統需要圖像采集設備，包括攝像頭和采集卡等兩輪式移動倒立擺機器人還沒有裝備視覺系統，為了檢測倒立擺機器人跟蹤能力，模擬了一個虛擬的跟蹤目標，PC機通過無線模塊不斷將目標位置發送給機器人，供機器人決策倒立擺機器人的位置可以通過自身的傳感器獲取。

　　5.結束語

　　綜上所述，在進行機械并行系統的設計過程中要根據設計的需求進行針對性的設計，防止，由于設計過程中的背不當導致了后期機械人在施工過程中帶來的諸多問題，發揮設計者的作用。

　　參考文獻：

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　　[2]張葛.基于運動控制器的微創手術系統設計與實現[J].醫療衛生裝備.2013(12).

　　[3]許真珍，閆志斌，胡志強等.基于B/S模式的AUV協同設計平臺設計與實現[J].計算機應用與軟件

　　機械系統人機界面優化設計方法【2】

　　[摘要] 對機械系統人機界面幾何位置匹配的評價是設計人機系統不可回避的問題之一, 根據人機界面設計準則，確定人機界面的優化設定變量以人機界面的評價結果(匹配度)作為總體目標函數，以人機界面中各元件的幾何參數以及各元件在整個人機界面中的匹配優度作為單個目標函數，以人機界面各元件的幾個位置可布置區域作為約束條件，提出機械系統人機界面優化設計方案將優化設計理論和方法應用與機械系統人機界面設計當中。

　　[關鍵詞] 機械系統人機界面優化設計

　　人機界面的內容較多，研究人機界面對體統運作功效和操作人員身心健康的影響存在一定的難度。

　　到目前為止，國內外人機界面優化方法仍不完善。

　　由于人機界面設計中個元部件幾何未知的布置非常重要。

　　所以優化設計機械系統人機界面至關重要。

　　一、機械系統人機界面概述

　　機械系統的人機界面值得是操作人員和機器之間相互作用的區域，是人機之間傳送信息的媒介。

　　他主要包括三部分，機器顯示器與人的信息通道的界面，機上操作器與人的運動器官的的界面，人機系統與環境之間的界面。

　　機器的構成有其自身的規律，操作環境或生活環境也會因個各種因素在空間和時間上受到某種限制，如經濟上的可行性，技術上的可能性，機器本身性能要求的條件，以及使用機器時的外界環境條件等。

　　為了適應這些情況，就要求對人的因素予以限制和訓練，盡量發揮人的因素有一定可塑性的特點，讓人去適應機器的要求，以保證人機系統具有最佳效果。

　　其實人機界面除上述硬件設備外，還應該包括操作規程，維護手冊的等。

　　也有人將上述人機界面稱為硬件，而將人與計算機組成的人機界面稱為軟件人機界面。

　　二、機械系統人機界面構成要素

　　機械系統人機界面設計包含多重因素。

　　根據人機工程學得基本原理和機械系統人機界面設計原則，借鑒一般機械系統人機界面的特點和設計要求，可以認為機械系統人機界面的構成要素主要包括，人體、工作臺、視覺元件、受控操縱元件、腳控操作元件、工作座椅等。

　　人機功能：人機功能分配是人機系統設計的重要一環，其目的是根據系統工作要求，使人機系統可靠、有效的發揮作用，達到人與機器的最佳配合。

　　人機功能分配，必須參照人和機器各自的功能特點。

　　但是，功能分配的基本策略則應根據實際情況把系統的操作看作一個整體，同時也應注意為操作人員創造一個有意義、有激勵、富有挑戰性的工作情景。

　　人機界面：人與機器發生作用的交界面稱為人機界面。

　　對它的研究是人機系統研究的核心內容。

　　人機界面通常可以分成機器顯示器和人的感覺器官(眼、耳、鼻等)之間，以及人的效應器官(手、足等)和機器控制器之間兩種界面。

　　人與機之間的信息溝通是在人機界面上實現的(見圖)。

　　人的感覺器官接收已轉換成某種標志或圖像形式的機器加工過程，或被控對象狀態的信息，并傳遞到大腦。

　　大腦對已感知到的各種信息進行加工、解釋,轉化為實際狀態的信息,并把它與預期的結果進行比較、分析、作出決策,發出指令信息。

　　根據這些指令,效應器官作用于機器控制器,將人的輸出信息轉換成機器的輸入信息。

　　機器對輸入信息進行加工，并通過顯示器將機器加工過的信息作用于人。

　　這樣，操作人員就可以不斷地對機器工作狀態加以調整、控制，最終完成一定的系統功能。

　　顯示器：顯示器是人機界面的重要組成部分，其功能是向人提供各種有關的信息。

　　顯示器一般可分為視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等顯示器。

　　控制器：控制器是人機界面中另一個重要組成部分，其功能是將人的有關控制信息傳遞給機器。

　　最常見的控制器是手、足控制器和言語控制器。

　　三、機械系統人機界面優化方法

　　人機工程學的研究廣泛采用了人體科學和生命科學等相關科學的研究方法及手段，也采取了系統工程、控制理論、統計學等其它學科的一些研究方法，而且本學科的研究也建立了一些獨特的新方法，以探討人、機、環境要素間復雜的關系問題。

　　這些方法中包括：測量人體各部分靜態和動態數據：調查、詢問或直接觀察人在作業時的行為和反應特征：對時間和動作的分析研究;測量人在作業前后以及作業過程中的心理狀態和各種生理指標的動態變化;觀察和分析作業過程和工藝流程中存在的問題;分析差錯和意外事故的原因：進行模型實驗或用計算機進行模擬實驗：運用數字和統計學的方法找出各變數之間的相互關系，以便從中得出正確的結論或發展成有關理論。

　　目前常育的研究方法有：

　　a觀察法：為研究系統中人機的工作狀態，常采用備種各樣的觀察方法，如工人操作動作的分析、功能分析和工藝流程分析等大都采用觀察法。

　　實測法：是一種借助于機器設備進行實際測量的方法。

　　例如對人體靜態和動態參數的測量對系統參數及作業環境參數的測量等。

　　b實驗法：它是當實測法受到限制時采用的一種研究方法，一般在實驗室進行.但也可以在作業現場進行，如為了獲得人對各種不同顯示儀表的認讀速度和差錯率的數據時，一股在實驗室進行。

　　c模擬和模型實驗法：由于機器系統一般比較復雜，因而在進行人機系統研究時常采用模擬的方法。

　　模擬方法包括各種技術和裝置的模擬，如操作訓練模擬器、機器模型以及各種人體模型等。

　　d計算機數值仿真法：由于人機系統中的操作者是具有主觀意志的生命體，模擬和模型方法研究人機系統，往往不能完全反映系統中生命體的特征，其結果與實際相比必有一定誤差。

　　數值仿真是在計算機上利用系統的數學模型進行仿真性實驗研究，如人體動作分析仿真等。

　　在電子計算機的推動下，最優化理論與方法在經濟計劃、工程設計、生產管理、交通運輸等方面得到了廣泛應用，成為一門十分活躍的學科。

　　將優化設計理論和方法應用于機械產品結構設計的范疇來說，大致可分為結構參數優化、形狀優化和拓撲優化。

　　產品設計首先要解決的是參數優化，也是最早引入機械設計中的內容之一。