机器人机械系统并行设计的模式

时间：2022-10-05 19:16:35 机电一体化毕业论文我要投稿

相关推荐

机器人机械系统并行设计的模式

　　机器人机械系统并行设计的模式【1】

　　摘要：机械人的机械系统的设计一直是在整体设计过程中的重点，一般在进行设计的过程中都会将设计重点放在基础的分析上，从而对机械人的机械系统有具体的探索，本文针对机械人机械系统并行设计中的两轮模型进行了详细的介绍。

　　关键词机械人;机械系统;并行设计

　　1.前言

　　对于机械人而言，柔性设计个刚性设计都是在设计过程中的重点，因此是整个机电一体化产品中不可缺少的一部分，同时作为机械学科和电子学科的交叉学科在整个设计过程中有着复杂化的特点。

　　2.机器人机械系统的设计特点

　　机器人机械系统一般包括机身、行走系统、操作臂、末端执行器及周边设备，这是机器人的重要组成部分，是机器人系统在工作中实现机器人各种功能运动和操作任务的被控对象。

　　它与机器人控制系统、感知系统等构成一个紧密联系的整体。

　　机器人机械系统的性能优劣直接影响到机器人计算机控制系统、伺服系统、感知系统及其相关软、硬件的复杂程度。

　　另一方面，就其机械系统本身而言，由于机器人要求具有高度的能动性和灵活性，能在复杂条件下满足各种各样的工作要求和作业任务，而这些是传统机械装置不能达到的。

　　因此，机器人的机械系统设计和传统的机械设计有着本质的差别。

　　其机械系统的设计具有如下特点：

　　(1)复杂性机器人的机械结构总的来看是相当于一系列悬臂杆件通过关节串连起来的开式链。

　　但由于误差和变形的累积，使得在结构设计时，一方面要保证开链结构的能动性和灵活性，另一方面又要处理这种结构带来的运动传递、误差补偿和消除等问题，使机械结构的设计变得较为复杂。

　　(2)依赖性由于机械系统与控制系统、感知系统等构成机器人的一个紧密体，因此机械系统的总体方案、结构方案依赖于控制系统、感知系统的方式、方法及手段的确立。

　　(3)协调性机器人机械系统的形式、实现手段等将直接影响到控制系统的结构及复杂程度，以及其它系统部件的结构、安装、调控等，因此，机械系统的设计必须与其它系统进行不断的协调才能进行。

　　3.常见的机械并行模式

　　3.1机器人设计的一般模式

　　机器人的设计主要分为3个过程：一是概念设计，即根据定义的任务来确定机器人的执行要求，包括负荷、操作对象、精度、速度等，并进行机械系统方案设计;二是初步设计，包括机械结构设计与分析、传感器与控制策略的确定、伺服系统设计与模块化;三是详细设计，包括详细机械设计、详细电子设计和系统综合。

　　对每一过程的评价若不通过，则都将返回到该过程的初始点或上一过程中去再设计。

　　这种自上而下的串行设计方式不利于机器人系统的整体优化，同时将使设计过程变得漫长。

　　3.2机械系统并行设计的模式

　　所谓并行设计就是指在产品开发的设计阶段即考虑产品生命周期中工艺规划、制造、装配、测试、维护等其它环节的影响，通过各环节的并行集成，以缩短产品的开发时间，提高产品的设计质量，降低产品成本。

　　对于机电一体化产品的机器人来说，其本身就是机械、控制、电子和计算机等高技术的集成，因此，机器人机械系统的设计需要机械运动与传动、控制理论与方法、电子电气和计算机应用技术等学科相互交叉和渗透的技术支持。

　　针对机器人系统的设计要求和特点，运用并行设计的思想。

　　3.3模式分析

　　机器人机械系统的并行设计模式主要由方案设计、领域技术分析、综合与评价以及机械系统具体设计等部分构成。

　　不难看出，方案设计与领域技术分析对应于一般意义上的机械设计的概念设计过程，综合评价与系统设计对应于具体设计过程。

　　由于机器人的运动和传动方案设计涉及到机器人的机构、轨迹规划、误差的检测辨识与软硬件补偿技术、动力学参数辨识、振动与防治、关节柔性等方面的内容，因此需要机构运动、传动系统、控制系统(包括传感、检测)、电子系统和制造工艺及装配等方面的技术支撑，同时，机器人的运动与传动形式也一定程度上决定了上述支撑技术系统的方式和方法。

　　所以，运动方案和传动装置方案的设计与各支撑系统的分析设计是一种并行设计的协作关系。

　　这样才能达到机械系统方案与其它系统方案的协调、有效、可靠与快捷设计的实现。

　　系统的综合是对机器人机械系统各组成部分的总体协调，同时对设计方案进行评价。

　　它力求避免方案中各支撑技术方案的冲突，引导并处理各支撑技术方案的完善统一，并对机械系统设计方案组织具体实施。

　　4.两轮移动式倒立摆机器人的运动模型

　　二级倒立摆系统是一个快速响应系统，要求执行器能根据控制量变化快速做出动作系统主要由车轮车厢摆杆防震轮组成，2个车轮的轴线在同一直线上，分别由2台直流力矩电机直接驱动，在车厢的内部安装有蓄电池左右直流力矩电机编码器倾角传感器陀螺仪无线传输模块等，控制小车的自平衡，测量左右车轮的旋转角度。

　　系统采用的传感器包括倾角传感器陀螺仪编码器，通过它们可以测量和计算出小车的状态参数，其中，车体倾角速度分别由倾角传感器陀螺仪直接测量，左右车轮旋转角度可由编码器测量，通过微分可以计算左右车轮的角速度，进而推算出左右车轮的行驶速度，车体的前进速度，小车在地面的旋转角速度。

　　轮式机器人因其具有良好的移动性能一直备受关注，国内外许多学者从理论方面研究了它的运动规划轨迹跟踪控制方法，并取得了很多成果。

　　两轮式机器人，同时也是一个倒立摆系统，对它的运动进行控制时需要保持系统的平衡状态机器人跟踪目标，首先要由视觉部分作为机器人的眼睛，完成识别目标的位置速度方向等信息的任务，这些信息是做出正确决策的基础视觉系统需要图像采集设备，包括摄像头和采集卡等两轮式移动倒立摆机器人还没有装备视觉系统，为了检测倒立摆机器人跟踪能力，模拟了一个虚拟的跟踪目标，PC机通过无线模块不断将目标位置发送给机器人，供机器人决策倒立摆机器人的位置可以通过自身的传感器获取。

　　5.结束语

　　综上所述，在进行机械并行系统的设计过程中要根据设计的需求进行针对性的设计，防止，由于设计过程中的背不当导致了后期机械人在施工过程中带来的诸多问题，发挥设计者的作用。

　　参考文献：

　　[1]宋昌统.两轮移动式倒立摆机器人系统结构及模型设计[J].镇江高专学报2014(1).

　　[2]张葛.基于运动控制器的微创手术系统设计与实现[J].医疗卫生装备.2013(12).

　　[3]许真珍，闫志斌，胡志强等.基于B/S模式的AUV协同设计平台设计与实现[J].计算机应用与软件

　　机械系统人机界面优化设计方法【2】

　　[摘要] 对机械系统人机界面几何位置匹配的评价是设计人机系统不可回避的问题之一, 根据人机界面设计准则，确定人机界面的优化设定变量以人机界面的评价结果(匹配度)作为总体目标函数，以人机界面中各元件的几何参数以及各元件在整个人机界面中的匹配优度作为单个目标函数，以人机界面各元件的几个位置可布置区域作为约束条件，提出机械系统人机界面优化设计方案将优化设计理论和方法应用与机械系统人机界面设计当中。

　　[关键词] 机械系统人机界面优化设计

　　人机界面的内容较多，研究人机界面对体统运作功效和操作人员身心健康的影响存在一定的难度。

　　到目前为止，国内外人机界面优化方法仍不完善。

　　由于人机界面设计中个元部件几何未知的布置非常重要。

　　所以优化设计机械系统人机界面至关重要。

　　一、机械系统人机界面概述

　　机械系统的人机界面值得是操作人员和机器之间相互作用的区域，是人机之间传送信息的媒介。

　　他主要包括三部分，机器显示器与人的信息通道的界面，机上操作器与人的运动器官的的界面，人机系统与环境之间的界面。

　　机器的构成有其自身的规律，操作环境或生活环境也会因个各种因素在空间和时间上受到某种限制，如经济上的可行性，技术上的可能性，机器本身性能要求的条件，以及使用机器时的外界环境条件等。

　　为了适应这些情况，就要求对人的因素予以限制和训练，尽量发挥人的因素有一定可塑性的特点，让人去适应机器的要求，以保证人机系统具有最佳效果。

　　其实人机界面除上述硬件设备外，还应该包括操作规程，维护手册的等。

　　也有人将上述人机界面称为硬件，而将人与计算机组成的人机界面称为软件人机界面。

　　二、机械系统人机界面构成要素

　　机械系统人机界面设计包含多重因素。

　　根据人机工程学得基本原理和机械系统人机界面设计原则，借鉴一般机械系统人机界面的特点和设计要求，可以认为机械系统人机界面的构成要素主要包括，人体、工作台、视觉元件、受控操纵元件、脚控操作元件、工作座椅等。

　　人机功能：人机功能分配是人机系统设计的重要一环，其目的是根据系统工作要求，使人机系统可靠、有效的发挥作用，达到人与机器的最佳配合。

　　人机功能分配，必须参照人和机器各自的功能特点。

　　但是，功能分配的基本策略则应根据实际情况把系统的操作看作一个整体，同时也应注意为操作人员创造一个有意义、有激励、富有挑战性的工作情景。

　　人机界面：人与机器发生作用的交界面称为人机界面。

　　对它的研究是人机系统研究的核心内容。

　　人机界面通常可以分成机器显示器和人的感觉器官(眼、耳、鼻等)之间，以及人的效应器官(手、足等)和机器控制器之间两种界面。

　　人与机之间的信息沟通是在人机界面上实现的(见图)。

　　人的感觉器官接收已转换成某种标志或图像形式的机器加工过程，或被控对象状态的信息，并传递到大脑。

　　大脑对已感知到的各种信息进行加工、解释,转化为实际状态的信息,并把它与预期的结果进行比较、分析、作出决策,发出指令信息。

　　根据这些指令,效应器官作用于机器控制器,将人的输出信息转换成机器的输入信息。

　　机器对输入信息进行加工，并通过显示器将机器加工过的信息作用于人。

　　这样，操作人员就可以不断地对机器工作状态加以调整、控制，最终完成一定的系统功能。

　　显示器：显示器是人机界面的重要组成部分，其功能是向人提供各种有关的信息。

　　显示器一般可分为视觉、听觉、触觉和嗅觉等显示器。

　　控制器：控制器是人机界面中另一个重要组成部分，其功能是将人的有关控制信息传递给机器。

　　最常见的控制器是手、足控制器和言语控制器。

　　三、机械系统人机界面优化方法

　　人机工程学的研究广泛采用了人体科学和生命科学等相关科学的研究方法及手段，也采取了系统工程、控制理论、统计学等其它学科的一些研究方法，而且本学科的研究也建立了一些独特的新方法，以探讨人、机、环境要素间复杂的关系问题。

　　这些方法中包括：测量人体各部分静态和动态数据：调查、询问或直接观察人在作业时的行为和反应特征：对时间和动作的分析研究;测量人在作业前后以及作业过程中的心理状态和各种生理指标的动态变化;观察和分析作业过程和工艺流程中存在的问题;分析差错和意外事故的原因：进行模型实验或用计算机进行模拟实验：运用数字和统计学的方法找出各变数之间的相互关系，以便从中得出正确的结论或发展成有关理论。

　　目前常育的研究方法有：

　　a观察法：为研究系统中人机的工作状态，常采用备种各样的观察方法，如工人操作动作的分析、功能分析和工艺流程分析等大都采用观察法。

　　实测法：是一种借助于机器设备进行实际测量的方法。

　　例如对人体静态和动态参数的测量对系统参数及作业环境参数的测量等。

　　b实验法：它是当实测法受到限制时采用的一种研究方法，一般在实验室进行.但也可以在作业现场进行，如为了获得人对各种不同显示仪表的认读速度和差错率的数据时，一股在实验室进行。

　　c模拟和模型实验法：由于机器系统一般比较复杂，因而在进行人机系统研究时常采用模拟的方法。

　　模拟方法包括各种技术和装置的模拟，如操作训练模拟器、机器模型以及各种人体模型等。

　　d计算机数值仿真法：由于人机系统中的操作者是具有主观意志的生命体，模拟和模型方法研究人机系统，往往不能完全反映系统中生命体的特征，其结果与实际相比必有一定误差。

　　数值仿真是在计算机上利用系统的数学模型进行仿真性实验研究，如人体动作分析仿真等。

　　在电子计算机的推动下，最优化理论与方法在经济计划、工程设计、生产管理、交通运输等方面得到了广泛应用，成为一门十分活跃的学科。

　　将优化设计理论和方法应用于机械产品结构设计的范畴来说，大致可分为结构参数优化、形状优化和拓扑优化。

　　产品设计首先要解决的是参数优化，也是最早引入机械设计中的内容之一。