機器人機械系統(tǒng)并行設(shè)計的模式

時間：2022-10-05 19:16:35 機電一體化畢業(yè)論文我要投稿

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　　機器人機械系統(tǒng)并行設(shè)計的模式【1】

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

　　關(guān)鍵詞機械人;機械系統(tǒng);并行設(shè)計

　　1.前言

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

　　2.機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計特點

　　機器人機械系統(tǒng)一般包括機身、行走系統(tǒng)、操作臂、末端執(zhí)行器及周邊設(shè)備，這是機器人的重要組成部分，是機器人系統(tǒng)在工作中實現(xiàn)機器人各種功能運動和操作任務(wù)的被控對象。

　　它與機器人控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成一個緊密聯(lián)系的整體。

　　機器人機械系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到機器人計算機控制系統(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，就其機械系統(tǒng)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(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)機械裝置不能達到的。

　　因此，機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計和傳統(tǒng)的機械設(shè)計有著本質(zhì)的差別。

　　其機械系統(tǒng)的設(shè)計具有如下特點：

　　(1)復(fù)雜性機器人的機械結(jié)構(gòu)總的來看是相當(dāng)于一系列懸臂桿件通過關(guān)節(jié)串連起來的開式鏈。

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

　　(2)依賴性由于機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成機器人的一個緊密體，因此機械系統(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)性機器人機械系統(tǒng)的形式、實現(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，機械系統(tǒng)的設(shè)計必須與其它系統(tǒng)進行不斷的協(xié)調(diào)才能進行。

　　3.常見的機械并行模式

　　3.1機器人設(shè)計的一般模式

　　機器人的設(shè)計主要分為3個過程：一是概念設(shè)計，即根據(jù)定義的任務(wù)來確定機器人的執(zhí)行要求，包括負荷、操作對象、精度、速度等，并進行機械系統(tǒng)方案設(shè)計;二是初步設(shè)計，包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析、傳感器與控制策略的確定、伺服系統(tǒng)設(shè)計與模塊化;三是詳細設(shè)計，包括詳細機械設(shè)計、詳細電子設(shè)計和系統(tǒng)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(shè)計。

　　這種自上而下的串行設(shè)計方式不利于機器人系統(tǒng)的整體優(yōu)化，同時將使設(shè)計過程變得漫長。

　　3.2機械系統(tǒng)并行設(shè)計的模式

　　所謂并行設(shè)計就是指在產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計階段即考慮產(chǎn)品生命周期中工藝規(guī)劃、制造、裝配、測試、維護等其它環(huán)節(jié)的影響，通過各環(huán)節(jié)的并行集成，以縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。

　　對于機電一體化產(chǎn)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(shù)的集成，因此，機器人機械系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)用技術(shù)等學(xué)科相互交叉和滲透的技術(shù)支持。

　　針對機器人系統(tǒng)的設(shè)計要求和特點，運用并行設(shè)計的思想。

　　3.3模式分析

　　機器人機械系統(tǒng)的并行設(shè)計模式主要由方案設(shè)計、領(lǐng)域技術(shù)分析、綜合與評價以及機械系統(tǒng)具體設(shè)計等部分構(gòu)成。

　　不難看出，方案設(shè)計與領(lǐng)域技術(shù)分析對應(yīng)于一般意義上的機械設(shè)計的概念設(shè)計過程，綜合評價與系統(tǒng)設(shè)計對應(yīng)于具體設(shè)計過程。

　　由于機器人的運動和傳動方案設(shè)計涉及到機器人的機構(gòu)、軌跡規(guī)劃、誤差的檢測辨識與軟硬件補償技術(shù)、動力學(xué)參數(shù)辨識、振動與防治、關(guān)節(jié)柔性等方面的內(nèi)容，因此需要機構(gòu)運動、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(包括傳感、檢測)、電子系統(tǒng)和制造工藝及裝配等方面的技術(shù)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(shù)系統(tǒng)的方式和方法。

　　所以，運動方案和傳動裝置方案的設(shè)計與各支撐系統(tǒng)的分析設(shè)計是一種并行設(shè)計的協(xié)作關(guān)系。

　　這樣才能達到機械系統(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)計的實現(xiàn)。

　　系統(tǒng)的綜合是對機器人機械系統(tǒng)各組成部分的總體協(xié)調(diào)，同時對設(shè)計方案進行評價。

　　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，并對機械系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)是一個快速響應(yīng)系統(tǒng)，要求執(zhí)行器能根據(jù)控制量變化快速做出動作系統(tǒng)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(qū)動，在車廂的內(nèi)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(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，通過它們可以測量和計算出小車的狀態(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量，左右車輪旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角速度。

　　輪式機器人因其具有良好的移動性能一直備受關(guān)注，國內(nèi)外許多學(xué)者從理論方面研究了它的運動規(guī)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(tǒng)，對它的運動進行控制時需要保持系統(tǒng)的平衡狀態(tài)機器人跟蹤目標(biāo)，首先要由視覺部分作為機器人的眼睛，完成識別目標(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倒立擺機器人還沒有裝備視覺系統(tǒng)，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(biāo)，PC機通過無線模塊不斷將目標(biāo)位置發(fā)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(jié)束語

　　綜上所述，在進行機械并行系統(tǒng)的設(shè)計過程中要根據(jù)設(shè)計的需求進行針對性的設(shè)計，防止，由于設(shè)計過程中的背不當(dāng)導(dǎo)致了后期機械人在施工過程中帶來的諸多問題，發(fā)揮設(shè)計者的作用。

　　參考文獻：

　　[1]宋昌統(tǒng).兩輪移動式倒立擺機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型設(shè)計[J].鎮(zhèn)江高專學(xué)報2014(1).

　　[2]張葛.基于運動控制器的微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備.2013(12).

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　　機械系統(tǒng)人機界面優(yōu)化設(shè)計方法【2】

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

　　[關(guān)鍵詞] 機械系統(tǒng) 人機界面優(yōu)化設(shè)計

　　人機界面的內(nèi)容較多，研究人機界面對體統(tǒng)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(nèi)外人機界面優(yōu)化方法仍不完善。

　　由于人機界面設(shè)計中個元部件幾何未知的布置非常重要。

　　所以優(yōu)化設(shè)計機械系統(tǒng)人機界面至關(guān)重要。

　　一、機械系統(tǒng)人機界面概述

　　機械系統(tǒng)的人機界面值得是操作人員和機器之間相互作用的區(qū)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(tǒng)與環(huán)境之間的界面。

　　機器的構(gòu)成有其自身的規(guī)律，操作環(huán)境或生活環(huán)境也會因個各種因素在空間和時間上受到某種限制，如經(jīng)濟上的可行性，技術(shù)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(huán)境條件等。

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

　　其實人機界面除上述硬件設(shè)備外，還應(yīng)該包括操作規(guī)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(tǒng)人機界面構(gòu)成要素

　　機械系統(tǒng)人機界面設(shè)計包含多重因素。

　　根據(jù)人機工程學(xué)得基本原理和機械系統(tǒng)人機界面設(shè)計原則，借鑒一般機械系統(tǒng)人機界面的特點和設(shè)計要求，可以認為機械系統(tǒng)人機界面的構(gòu)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(tǒng)設(shè)計的重要一環(huán)，其目的是根據(jù)系統(tǒng)工作要求，使人機系統(tǒng)可靠、有效的發(fā)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(yīng)根據(jù)實際情況把系統(tǒng)的操作看作一個整體，同時也應(yīng)注意為操作人員創(chuàng)造一個有意義、有激勵、富有挑戰(zhàn)性的工作情景。

　　人機界面：人與機器發(fā)生作用的交界面稱為人機界面。

　　對它的研究是人機系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容。

　　人機界面通�？梢苑殖蓹C器顯示器和人的感覺器官(眼、耳、鼻等)之間，以及人的效應(yīng)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(xiàn)的(見圖)。

　　人的感覺器官接收已轉(zhuǎn)換成某種標(biāo)志或圖像形式的機器加工過程，或被控對象狀態(tài)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(zhuǎn)化為實際狀態(tài)的信息,并把它與預(yù)期的結(jié)果進行比較、分析、作出決策,發(fā)出指令信息。

　　根據(jù)這些指令,效應(yīng)器官作用于機器控制器,將人的輸出信息轉(zhuǎn)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(tài)加以調(diào)整、控制，最終完成一定的系統(tǒng)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(guān)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(guān)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(tǒng)人機界面優(yōu)化方法

　　人機工程學(xué)的研究廣泛采用了人體科學(xué)和生命科學(xué)等相關(guān)科學(xué)的研究方法及手段，也采取了系統(tǒng)工程、控制理論、統(tǒng)計學(xué)等其它學(xué)科的一些研究方法，而且本學(xué)科的研究也建立了一些獨特的新方法，以探討人、機、環(huán)境要素間復(fù)雜的關(guān)系問題。

　　這些方法中包括：測量人體各部分靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)：調(diào)查、詢問或直接觀察人在作業(yè)時的行為和反應(yīng)特征：對時間和動作的分析研究;測量人在作業(yè)前后以及作業(yè)過程中的心理狀態(tài)和各種生理指標(biāo)的動態(tài)變化;觀察和分析作業(yè)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(shù)字和統(tǒng)計學(xué)的方法找出各變數(shù)之間的相互關(guān)系，以便從中得出正確的結(jié)論或發(fā)展成有關(guān)理論。

　　目前常育的研究方法有：

　　a觀察法：為研究系統(tǒng)中人機的工作狀態(tài)，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(shè)備進行實際測量的方法。

　　例如對人體靜態(tài)和動態(tài)參數(shù)的測量對系統(tǒng)參數(shù)及作業(yè)環(huán)境參數(shù)的測量等。

　　b實驗法：它是當(dāng)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(yè)現(xiàn)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(shù)據(jù)時，一股在實驗室進行。

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

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

　　d計算機數(shù)值仿真法：由于人機系統(tǒng)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(tǒng)，往往不能完全反映系統(tǒng)中生命體的特征，其結(jié)果與實際相比必有一定誤差。

　　數(shù)值仿真是在計算機上利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(yōu)化理論與方法在經(jīng)濟計劃、工程設(shè)計、生產(chǎn)管理、交通運輸?shù)确矫娴玫搅藦V泛應(yīng)用，成為一門十分活躍的學(xué)科。

　　將優(yōu)化設(shè)計理論和方法應(yīng)用于機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的范疇來說，大致可分為結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

　　產(chǎn)品設(shè)計首先要解決的是參數(shù)優(yōu)化，也是最早引入機械設(shè)計中的內(nèi)容之一。

　　通過尋找最佳參數(shù)可以直接得到好的設(shè)計，它是在已定結(jié)構(gòu)方案、零部件結(jié)構(gòu)形狀和選擇材料下完成參數(shù)設(shè)計的優(yōu)化。

　　形狀優(yōu)化是在結(jié)構(gòu)類型、材料和布局已定條件下，對結(jié)構(gòu)幾何形狀進行優(yōu)化，包括二維和三維的形狀優(yōu)化及與形狀有關(guān)的參數(shù)優(yōu)化，這是優(yōu)化設(shè)計的深化。

　　而拓撲優(yōu)化是對結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件布局和節(jié)點的聯(lián)接關(guān)系進行優(yōu)化，即在外部設(shè)計要求下首先要從結(jié)構(gòu)方案、類型、布局等方面去尋優(yōu)，這是更高層次的優(yōu)化也是更富有創(chuàng)新的概念設(shè)計。

　　從目前研究和應(yīng)用的成熟程度來看，形狀優(yōu)化的提出盡管已經(jīng)歷了近20多年，還處在研究和應(yīng)用探索階段。

　　e分析法：它是在上述各種方法中獲得了一定的資料和數(shù)據(jù)后采用的一種研究方法。

　　目前人機工程學(xué)研究采用的分析法包括瞬間分析法、知覺與運動信息分析法、動作負荷分析法、頻率分析法、危象分析法和相關(guān)分析法。

　　f調(diào)查研究法：人機工程學(xué)專家采用各種調(diào)查研究方法來抽樣分析操作者或使用者的意見和建議。

　　參考文獻

　　[1]許忠華.火電廠控制室顯控系統(tǒng)人因評價研究與應(yīng)用 2007

　　[2]林建.機械系統(tǒng)中人機操作界面的評價 2001

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