校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+PROE】
校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+PROE】,說(shuō)明書+CAD+PROE,校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+PROE】,校園,垃圾,拾撿,機(jī)器人,控制,節(jié)制,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),說(shuō)明書,仿單,cad,proe
江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)v課題名稱:校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)v專業(yè):機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化v指導(dǎo)老師:饒洪輝v姓名:陸龍v班級(jí):機(jī)制0512009年5月目錄目錄前言機(jī)器人原理機(jī)械手設(shè)計(jì)總結(jié)前言前言 校園需求 (垃圾集中區(qū),大量的人力物力財(cái)力)(輕便、小巧、靈活)機(jī)器人原理機(jī)器人原理控制過(guò)程控制過(guò)程感應(yīng)器撲捉到垃圾使移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到垃圾前方停下感應(yīng)器撲捉到垃圾使移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到垃圾前方停下使機(jī)械手在垃圾前方使機(jī)械手在垃圾前方機(jī)械手通過(guò)定位撲住感應(yīng)器撲捉垃圾的精確位置機(jī)械手通過(guò)定位撲住感應(yīng)器撲捉垃圾的精確位置調(diào)整機(jī)械手位置是爪子抓住垃圾調(diào)整機(jī)械手位置是爪子抓住垃圾機(jī)械手提起并向垃圾箱方向轉(zhuǎn)去機(jī)械手提起并向垃圾箱方向轉(zhuǎn)去碰到行程開(kāi)關(guān),爪子完全松開(kāi)碰到行程開(kāi)關(guān),爪子完全松開(kāi)自由狀態(tài)自由狀態(tài)機(jī)械手原理圖機(jī)械手原理圖 1234ABC活塞缸1控制爪子的張開(kāi)與收緊活塞缸2控制手臂A前后的擺動(dòng)活塞缸3控制手臂B上下的擺動(dòng)擺動(dòng)缸4控制轉(zhuǎn)臺(tái)的C擺動(dòng)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案選擇控制方式連接方法采用全液壓驅(qū)動(dòng)控制采用全液壓驅(qū)動(dòng)控制采用套筒連接采用帶輪控制采用齒輪齒條控制采用鉸鏈機(jī)構(gòu)連接采用鉸鏈機(jī)構(gòu)連接液壓控制原理圖液壓控制原理圖開(kāi)關(guān)控制圖開(kāi)關(guān)控制圖接通接通溢流閥溢流閥爪子爪子手臂手臂A手臂手臂B轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)C1YA控制壓力2YA張開(kāi)3YA閉合4YA向下擺動(dòng)5YA向上擺動(dòng)6YA向后擺動(dòng)7YA向前擺動(dòng)8YA順時(shí)針轉(zhuǎn)9YA逆時(shí)針轉(zhuǎn)10S張開(kāi)11S順時(shí)針轉(zhuǎn)活塞缸的選擇活塞缸的選擇255080100125160200250320400500 表一活塞行程系列840125(280)1050(140)3201263160(360)1680(180)40020(90)200(450)25100(220)50032(110)250表二液壓缸內(nèi)徑系列由于爪子從張開(kāi)到閉合行程為50毫米則可以根據(jù)左邊表格選擇活塞缸的各參數(shù)。單桿雙作用活塞缸。420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140表三液壓缸活塞桿外徑尺寸系列活塞缸活塞缸擺動(dòng)缸的選擇擺動(dòng)缸的選擇對(duì)比葉片擺動(dòng)缸螺旋擺動(dòng)缸單葉片葉片擺動(dòng)缸缸多葉片擺動(dòng)缸擺動(dòng)缸圖擺動(dòng)缸圖液壓泵的選擇液壓泵的選擇型號(hào)型號(hào)流量流量Lmin壓力壓力kgfcm轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速rpm容積效率容積效率v%重量重量kg驅(qū)動(dòng)功率驅(qū)動(dòng)功率kWCB-B4040251450=9010.52.1齒輪油泵的主要參數(shù)齒輪泵柱塞泵葉片泵總結(jié)總結(jié)通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識(shí)了很多新事物,知道了自己還需要學(xué)習(xí)很多的知識(shí)。由于能力有限本次設(shè)計(jì)做的比較粗糙,很多的細(xì)節(jié)還沒(méi)有考慮周到,有待完善。最后,感謝指導(dǎo)老師的耐心輔導(dǎo)和本次各委評(píng)委的點(diǎn)評(píng)指正。 校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)校代碼:10410 序 號(hào):050387本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目: 校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院: 工 學(xué) 院 姓 名: 陸 龍 學(xué) 號(hào): 20050387 專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí): 機(jī)制051 指導(dǎo)教師: 饒洪輝 二OO九年 五 月 三 日I 校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高,垃圾排放量與日俱增,對(duì)環(huán)境的壓力越來(lái)越大,特別是校園這種人口密集的地方,每天都在制造大量的垃圾,如廢紙、塑料、廢電池、果皮等。為了讓校園保持清潔就必須要費(fèi)大的人力物力和財(cái)力等。 如果設(shè)計(jì)一種校園拾撿垃圾機(jī)器人就可以解決很大的麻煩, 校園撿垃圾機(jī)器人機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。撿垃圾機(jī)械手是由全液壓控制,機(jī)械手固定在移動(dòng)平臺(tái)上構(gòu)成的一類特殊的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)械手用來(lái)實(shí)現(xiàn)如抓取、操作等動(dòng)作,平臺(tái)的移動(dòng)用來(lái)擴(kuò)展機(jī)械手的工作空間,使機(jī)械手能以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務(wù),機(jī)械手的加入也極大的提高了移動(dòng)機(jī)器人的性能。關(guān)鍵詞: 校園;垃圾拾撿機(jī)器人;控制機(jī)構(gòu)。Abstract With the rapid economic development and increasing peoples living standards, waste emissions by increasing the pressure on the environment increasing, Specially campus this kind of densely population place , every day is making massive trash , such as waste paper, plastics, batteries, fruit, etc. . In order for the campus must be kept clean on the charges of human material and financial resources and so on. If you design a campus that is garbage robot can solve a lot of trouble, the campus garbage robot is a robot environment-aware, dynamic decision-making and planning, such as acts of control and the implementation of multiple functions in one integrated system. Manipulator garbage from the entire hydraulic control, mechanical hand fixed in the mobile platform consisting of a special kind of mobile robot system. Manipulator which is used to achieve, such as crawling, operation moves to expand mobile platform, manipulator of the working space, so that robot can be a more appropriate gesture tasks, the addition of robot is also greatly improved the performance of the mobile robot Key words : campus ; Trash ascends to pick the robot ;Control mechanism 校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 目錄摘要IAbstractII第一章 緒論 11.1移動(dòng)機(jī)器人概述1 1.1.1移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 1.1.2 移動(dòng)機(jī)械手平臺(tái)系統(tǒng)21.2課題研究背景及意義2第二章 機(jī)器人工作原理4第三章 機(jī)器手整體設(shè)計(jì)53.1 機(jī)械手工作原理圖53.2 液壓系統(tǒng)控制油路圖53.3液壓缸的選擇7 3.3.1 爪子液壓缸的選擇7 3.3.2 兩個(gè)手臂的油缸的選擇7 3.3.3 擺動(dòng)液壓缸的選擇83.4 液壓泵的選擇93.5校核103.6 其它元件的選擇143.7 本章小結(jié)14第四章總結(jié)15參考文獻(xiàn)16 校園垃圾拾撿機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 第一章 緒論1.1移動(dòng)機(jī)器人概述 移動(dòng)機(jī)器人的研究始于60年代末期,斯坦福研究院(SR)I的NiISSen和CharleSRosen等人,在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移動(dòng)機(jī)器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù),在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時(shí),最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功,從而開(kāi)始了機(jī)器人步行結(jié)構(gòu)方面的研究,以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,設(shè)計(jì)并研制出了多足步行機(jī)器人。70年代末,隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展,移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新高潮。特別是在80年代中期,設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界,一大批世界著名的公司開(kāi)始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái),從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來(lái),以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù),高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù),真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志,開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。1.1.1移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 目前研究的移動(dòng)機(jī)器人都是帶有智能的機(jī)器人:機(jī)器人本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài),它根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果來(lái)獨(dú)立的決定工作方法,利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo),并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 這些具有智能的機(jī)器人,有的能夠模擬人類用兩條腿走路,可在凹凸不平的地面上行走移動(dòng);有的具有視覺(jué)和觸覺(jué)功能,能夠進(jìn)行獨(dú)立操作、自動(dòng)裝配和產(chǎn)品檢驗(yàn);有的具有自主控制和決策能力。不僅能夠應(yīng)用各種反饋傳感器,而且還能夠應(yīng)用人工智能中的各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。 移動(dòng)機(jī)器人一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。據(jù)研制目的不同,移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)的構(gòu)成也不盡相同,比較完整的典型結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。移動(dòng)機(jī)器人的軟件系統(tǒng),就相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”,智能機(jī)器人之所以能夠代替人做大量的工作,就是因?yàn)樗哂泻腿祟惖拇竽X思維能力相仿的智能控制系統(tǒng)。而這個(gè)智能控制系統(tǒng)其實(shí)就是機(jī)器人的軟件系統(tǒng),是人工智能主要技術(shù)對(duì)于機(jī)器人的綜合運(yùn)用。智能機(jī)器人的軟件系統(tǒng),如圖1.2所示。1.1.2 移動(dòng)機(jī)械手平臺(tái)系統(tǒng) 移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策和規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)械手是由機(jī)械手固定在移動(dòng)平臺(tái)上構(gòu)成的一類移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。其中機(jī)械手用來(lái)實(shí)現(xiàn)如抓取、操作等動(dòng)作,平臺(tái)的移動(dòng)用來(lái)擴(kuò)展機(jī)械手的工作空間,使機(jī)械手能以更合適的姿態(tài)執(zhí)行任務(wù),同時(shí)機(jī)械手的加入也極大提高了移動(dòng)機(jī)器人的性能。移動(dòng)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是要把感知、建模、規(guī)劃、決策、行動(dòng)等多種模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái),建立在動(dòng)態(tài)環(huán)境中完成目標(biāo)任務(wù)的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架。1.2課題研究背景及意義 移動(dòng)機(jī)械手平臺(tái)系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室“211”工程建設(shè)項(xiàng)目之一,涉及到機(jī)械、電子、無(wú)線通訊、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別與智能控制的許多學(xué)科,將為今后進(jìn)行基于移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的各方面研究(如機(jī)器人導(dǎo)航、視覺(jué)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)提供理想的實(shí)驗(yàn)載體和平臺(tái)。 把機(jī)械手安裝在移動(dòng)平臺(tái)上,這種結(jié)構(gòu)使機(jī)械手擁有幾乎無(wú)限大的工作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性,并同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能,這使它優(yōu)于一般的移動(dòng)機(jī)器人和傳統(tǒng)機(jī)械手;另一方面,移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手不但具有不同的動(dòng)力學(xué)特性,而且存在強(qiáng)藕合,有的移動(dòng)平臺(tái)還受非完整約束。因此,研究這類系統(tǒng)的控制問(wèn)題有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。 這種特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在工業(yè)裝配、無(wú)人惡劣環(huán)境中工作(如滅火、外星球探測(cè)和各類危險(xiǎn)的科學(xué)研究)以及室內(nèi)服務(wù)工作(如運(yùn)送、導(dǎo)游和巡邏)等方面具有一定研究?jī)r(jià)值。第2章 機(jī)器人工作原理圖2.1 垃圾拾撿機(jī)器人原理圖 由圖2.1可以看出機(jī)器人的工作過(guò)程是;(移動(dòng)平臺(tái)采用后輪驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向)感應(yīng)器撲捉到垃圾使移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到垃圾前方停下使機(jī)械手在垃圾前方機(jī)械手通過(guò)定位撲住感應(yīng)器撲捉垃圾的精確位置調(diào)整機(jī)械手位置是爪子抓住垃圾機(jī)械手提起并向垃圾箱方向轉(zhuǎn)去碰到行程開(kāi)關(guān),爪子完全松開(kāi)自由狀態(tài)第三章 機(jī)械手整體設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)械手工作原理圖 圖 2.1機(jī)械手示意圖 由圖可以看出擺動(dòng)液壓缸4帶動(dòng)上面的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器手轉(zhuǎn)動(dòng),液壓缸1的伸縮帶動(dòng)大手臂的擺動(dòng),液壓缸2的伸縮帶動(dòng)小手臂的擺動(dòng),液壓缸3的伸縮帶動(dòng)爪子的張開(kāi)與閉合。3.2 液壓系統(tǒng)控制油路圖由圖2.2可以看出4個(gè)電磁換向閥分別控制4個(gè)油缸,換向閥與油缸之間用鎖緊回路連接這樣就可以使油缸準(zhǔn)確的停在某一個(gè)位置從而提高機(jī)械手的工作精準(zhǔn)度。1YA 接通時(shí)當(dāng)油路里的壓力過(guò)高則開(kāi)通溢流閥降壓。2YA 接通時(shí)爪子張開(kāi)。3YA 接通時(shí)爪子閉合抓緊垃圾。4YA 接通時(shí)手臂1向下擺動(dòng)。5YA 接通時(shí)手臂1向上擺動(dòng)。6YA 接通時(shí)手臂2向后擺動(dòng)。7YA 接通時(shí)手臂2向前擺動(dòng)。8YA 接通時(shí)整個(gè)機(jī)械手順時(shí)針擺動(dòng)。9YA 接通時(shí)整個(gè)機(jī)械手逆時(shí)針擺動(dòng)。10S 行程開(kāi)關(guān)控制爪子的松開(kāi)。11S 行程開(kāi)關(guān)控制擺動(dòng)液壓缸的擺動(dòng)。調(diào)速閥控制機(jī)械手抓緊垃圾的速度。電磁比例溢流閥可以按比例控制油路里的壓力從而控制整個(gè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的速度。 工作過(guò)程:當(dāng)爪子抓緊垃圾是感應(yīng)開(kāi)關(guān)同時(shí)使5YA和9YA得電控制手臂油缸1和單葉片擺動(dòng)油缸進(jìn)油,手臂向上擺動(dòng)達(dá)到水平位置5YA失電,同時(shí)單葉片擺動(dòng)油缸逆時(shí)針擺動(dòng),當(dāng)擺動(dòng)油缸碰到行程開(kāi)關(guān)10S時(shí)2YA得電爪子開(kāi)始松開(kāi),垃圾放入垃圾箱里。當(dāng)爪子完全張開(kāi)時(shí)碰到行程開(kāi)關(guān)11S時(shí)8YA得電單葉片擺動(dòng)油缸順時(shí)針擺動(dòng),當(dāng)接到撲捉垃圾信號(hào)時(shí)8YA失電使擺動(dòng)停下,同時(shí)控制2YA,4YA,6YA,7YA使爪子定位到垃圾上方并抓住垃圾,再執(zhí)行上面動(dòng)作。圖2.23.3液壓的缸的選擇3.3.1 爪子液壓缸選型 由于要使機(jī)械手上的爪子伸縮則液壓缸必須直線運(yùn)動(dòng)又由于液壓缸是固定在機(jī)械手臂上的,則根據(jù)(液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè))表6-6選用 雙作用單桿帶不可調(diào)緩沖裝置的液壓缸。再根據(jù)(液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè))表6-7選擇液壓缸的安裝方式:因?yàn)槭枪潭ㄔ跈C(jī)械手臂上的,則選用“尾部耳環(huán)連接”方式固定,缸中間再用一個(gè)環(huán)套固定在機(jī)械手臂上。 由表6-0和爪子的行程設(shè)定油缸的行程為50mm可以確定爪子液壓缸的行程也為50mm,再根據(jù)(液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè))表6-4,表6-1,表6-2,表6-9,表6-17,表6-18,表6-20,可以選擇出液壓缸的內(nèi)徑為40mm,活塞桿直徑為20mm,供油孔直徑為8mm,導(dǎo)向行程為40mm,液壓缸的外徑為50,缸體和缸蓋的連接為內(nèi)螺紋連接,活塞與活塞桿的連接用螺紋連接,活塞桿端部的螺紋尺寸為M12*15。如圖2.3 圖2.33.3.2 兩個(gè)手臂油缸的選型 和3.3.1大體一樣,因?yàn)闄C(jī)械手臂是在擺動(dòng)的,則液壓缸也是隨著手臂擺動(dòng)的,則選用液壓缸缸端部為“尾部耳環(huán)連接”方式連接而不須用環(huán)套,不過(guò)活塞桿端部不是用螺紋連接而是用單耳環(huán)連接。單耳環(huán)的尺寸為內(nèi)徑為16mm,外徑為32mm,厚度為20mm。如圖2.4 圖2.4活塞缸的速度比: 3.3.3 擺動(dòng)液壓缸的選擇現(xiàn)在市場(chǎng)上有兩種擺動(dòng)液壓缸,葉片擺動(dòng)液壓缸和螺旋擺動(dòng)液壓缸。對(duì)兩種液壓缸進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)螺旋擺動(dòng)液壓缸的擺動(dòng)效果不好,轉(zhuǎn)矩不大,可密封效果較好,而擺動(dòng)液壓剛結(jié)構(gòu)緊湊,輸出轉(zhuǎn)矩大,密封效果較差。但對(duì)于中低壓系統(tǒng)中往復(fù)擺動(dòng),轉(zhuǎn)位或間歇運(yùn)動(dòng)的地方有很好的優(yōu)勢(shì),則選用擺動(dòng)液壓缸。擺動(dòng)液壓缸有分為單葉片擺動(dòng)液壓缸和多葉片擺動(dòng)液壓缸,單葉片擺動(dòng)液壓缸的最大轉(zhuǎn)角不超過(guò)280度,多葉片擺動(dòng)液壓缸的最大轉(zhuǎn)角不超過(guò)150度。而本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)角度為180度,則選用單葉片擺動(dòng)液壓缸。根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)上的經(jīng)兩種擺動(dòng)液壓缸規(guī)格如下表6-43,試選用型號(hào)為BM-150。 表6-43 擺動(dòng)液壓缸技術(shù)參數(shù)表 表 6-0 活塞行程系列 (mm) 注,GB 2349-80 按優(yōu)先次序給出了三個(gè)系列值,本表僅摘錄了第1表(優(yōu)先系列)中至500mm的系列值。 表6-1 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列(mm) 見(jiàn) 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列 表6-2 表6-2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列(mm)3.4 液壓泵的選擇 目前市場(chǎng)上使用廣泛,而齒輪泵的優(yōu)點(diǎn)有: 1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,體積小,工藝性好。 2 自吸性能好,無(wú)論在高轉(zhuǎn)速或低轉(zhuǎn)速均能可靠地實(shí)現(xiàn)自吸。 3 轉(zhuǎn)速范圍大,由于齒輪泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部分基本上時(shí)平衡的,因而轉(zhuǎn)速可以很高。 4 油液中的污物對(duì)其工作影響不嚴(yán)重,并可以傳輸粘度較大的油雖然齒輪泵的缺點(diǎn)是:噪音大,脈動(dòng)大,限制了壓力的提高。但這些并不影響機(jī)器手的工作。所以選擇齒輪泵為液壓缸提供壓力。 液壓缸的排量: V1:活塞缸的最大排量。 V2:擺動(dòng)缸的最大排量。 d: 為活塞直徑。 h:為活塞缸的行程。 d1:葉片直徑。 d2:葉片軸直徑。 h1:葉片高度。 根據(jù)上面的總排量和液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)上表2-2選用型號(hào)為GB-B40型齒輪油泵。3.5校核(1)活塞缸推力的計(jì)算。對(duì)于無(wú)活塞桿的那邊油腔進(jìn)油時(shí),油缸活塞桿向外推出的推力為: 式中: p為工作壓力。 :油缸機(jī)械效率,在工程機(jī)械中用耐油橡膠密封式可取 圖 2-5對(duì)于有活塞桿一端進(jìn)油時(shí)油缸活塞桿向缸內(nèi)收進(jìn)時(shí)的拉力: (2) 缸體與缸底用電焊連接時(shí)的焊縫應(yīng)力: 焊接材料選用 Z208 其抗拉應(yīng)力為148 kgf/cm3式中 P 為油缸推力。 為焊接效率,可取 。D1 為缸外徑。d1 約為缸內(nèi)徑。 式中: 為焊條材料的抗拉強(qiáng)度。 n 為安全系數(shù) 一般取3.34。則焊條材料符合。(3) 缸體與缸蓋的螺紋連接計(jì)算: 根據(jù)液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)里所說(shuō)的 油缸缸體的常用材料為20,35,45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。20號(hào)鋼用的較少,因其機(jī)械性能底而且不能調(diào)質(zhì)。與缸頭,缸底,管接頭,耳軸等零件焊接的缸體用35號(hào)鋼,并在粗加工后調(diào)質(zhì)。不與其他零件焊接在一起的用45號(hào)鋼。我們可以選定缸體的材料為35號(hào)鋼。其屈服強(qiáng)度為315 kgf/cm2 螺紋處的拉應(yīng)力: 螺紋處的剪切應(yīng)力: 合應(yīng)力為: 許用應(yīng)力: 可以看出 則選用35號(hào)鋼可以。(4)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和推力: 活塞缸; 當(dāng)無(wú)活塞桿端進(jìn)油時(shí); 當(dāng)有活塞桿端進(jìn)油時(shí); 擺動(dòng)液壓缸:轉(zhuǎn)矩 T轉(zhuǎn)角速度 3.6 其它元件的選擇(1)液壓油的選擇:液壓油應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼扯群驼硿匦阅?;有消泡性良好,壓縮性??;閃點(diǎn)高,油的蒸氣分離壓力?。涣鲃?dòng)性好;不使密封材料膨脹,硬化等過(guò)度變質(zhì);在各種溫度,壓力,速度等運(yùn)轉(zhuǎn)條件下,具有良好的潤(rùn)滑性能??谷榛院涂寡趸院?。 根據(jù)液壓手冊(cè)上所列的類型,選用最普通的為 20號(hào)機(jī)械油。(2)密封圈的選擇: 由于活塞缸是雙作用的,兩邊都受到高壓作用,則根據(jù)液壓手冊(cè)選用V型密封圈。(3) 螺栓的選擇:根據(jù)擺動(dòng)缸上連接孔的大小和螺栓表可以選擇M8型螺栓。(4) 銷釘?shù)倪x擇: 根據(jù)活塞桿端部的耳環(huán)內(nèi)徑可以選擇直徑為16的銷。(5) 機(jī)械手臂采用鋁合金材料制造以減少重量。3.7 本章小結(jié) 本章主要介紹了機(jī)械手的工作原理有手臂的旋轉(zhuǎn),伸縮和擺動(dòng)。還介紹了各個(gè)部件的設(shè)計(jì)與選擇,主要有液壓缸的 選擇和液壓泵的選擇。最后是各個(gè)小零件的選擇。第四章 總結(jié) 移動(dòng)機(jī)械手是具有機(jī)械手臂的移動(dòng)機(jī)器人,有幾乎無(wú)限大的工作空間和高度運(yùn)動(dòng)冗余等優(yōu)點(diǎn),并同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能,一直是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究課題。近年來(lái),隨著“勇氣號(hào)”探測(cè)器成功登陸火星并完成了一系列的考察工作,對(duì)更先進(jìn)移動(dòng)機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)再一次引起了人們的注意。目前,國(guó)內(nèi)外都在競(jìng)相開(kāi)展有關(guān)移動(dòng)機(jī)械手的基礎(chǔ)理論、基本技術(shù)以及應(yīng)用方面的研究工作。 本論文在參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)撿垃圾機(jī)器手進(jìn)行了粗體設(shè)計(jì),簡(jiǎn)述了機(jī)器手的工作原理和手臂的各個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),對(duì)機(jī)器手的控制采用了了全液壓控制方式,控制液壓系統(tǒng)采用了換向閥和行程開(kāi)關(guān)再加上軟件系統(tǒng)進(jìn)行控制,由攝像頭撲捉垃圾通過(guò)信號(hào)控制著液壓缸的進(jìn)出油從而控制手臂的擺動(dòng)和爪子的抓緊力再根據(jù)行程開(kāi)關(guān)控制著手臂的轉(zhuǎn)動(dòng),擺動(dòng)和爪子的張開(kāi)。 文中所述的控制還不是很精準(zhǔn),好多的細(xì)節(jié)還不是一時(shí)半會(huì)可以解決的,必須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究和摸索才可以使這機(jī)械手達(dá)到真正的可行性工作。 參考文獻(xiàn)1 上海煤礦機(jī)械研究所編,液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè),上海人民出版社,1976。2 成大先主編,機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè),化學(xué)工業(yè)出版社,1997。3 曾志新,呂明主編,機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ),武漢理工大學(xué)出版社,2007。4 陳奎生主編,液壓與氣壓傳動(dòng),武漢理工大學(xué)出版社,2001。5 楊明忠,朱家誠(chéng)主編,機(jī)械設(shè)計(jì),武漢理工大學(xué)出版社,2001。6 余桂英,郭紀(jì)林主編,CAD 2006中文版實(shí)用教程,大連理工大學(xué)出版社,2006。7 東南大學(xué)機(jī)械學(xué)學(xué)科組,鄭文緯,吳克堅(jiān)主編,機(jī)械原理,高等教育出版社,1996 。18 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)分會(huì),謝里陽(yáng)主編,現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法,機(jī)械工業(yè)出版社,2005 。9 于永泗,齊民主編,機(jī)械工程材料,大連理工大學(xué)出版社,2007 。10 丁玉蘭主編,人機(jī)工程學(xué),北京理工大學(xué)出版社,2004 。11 徐灝主編,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),機(jī)械工業(yè)出版社,1992 。12 陸祥生,楊秀蓮主編,機(jī)械手-理論及應(yīng)用,中國(guó)鐵道出版社,1983 。13 譚建榮,張樹(shù)有,陸國(guó)棟,施岳定主編,圖學(xué)基礎(chǔ)教程,高等教育出版社,2004。14 劉鴻文主編. 材料力學(xué). 北京:高等教育出版社1991。15 機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)編委會(huì) 編 機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)技術(shù)制圖卷中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社 2002。16 鄧承鐘主編,機(jī)電傳動(dòng)控制,華中科技大學(xué)出版社,2000 。 致 謝本設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師饒洪輝導(dǎo)師的精心指導(dǎo)下完成的。在我攻讀大學(xué)期間,導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的作風(fēng)和精益求精的精神使我受益非淺。在我畢業(yè)課題的設(shè)計(jì)中,導(dǎo)師的想法給予我很多的啟發(fā)和幫助,使我能順利完成課題的研究和論文的撰寫,也順利地完成了研究生階段的學(xué)業(yè)。在本論文即將結(jié)稿時(shí),我要向?qū)煴硎咀钪孕牡母兄x。 16工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文指導(dǎo)老師評(píng)分表(畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文指導(dǎo)老師專用)答辯學(xué)生姓名_ 專業(yè)_班級(jí)_ 課題名稱:_ (僅供畢業(yè)生指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生工作作風(fēng)評(píng)分使用) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目分值評(píng) 分 等 級(jí)得分備注優(yōu)秀良好中等及格不及格國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)查閱5543.533以下畢業(yè)設(shè)計(jì)作風(fēng)5543.533以下工作完成情況10108765以下得分_ 等級(jí)_ 指導(dǎo)老師簽名_備注:以上表格由指導(dǎo)老師填寫所指導(dǎo)學(xué)生的得分和等級(jí),并在答辯前一天交到答辯專業(yè)組長(zhǎng)處,答辯專業(yè)組長(zhǎng)處統(tǒng)一編號(hào)。 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)答辯委員會(huì)制 2008年5月 日工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文答辯評(píng)分表(答辯老師專用)答辯學(xué)生姓名_ 專業(yè)_班級(jí)_ 課題名稱:_ 評(píng)價(jià)項(xiàng)目分值評(píng) 分 等 級(jí)得分備注優(yōu)秀良好中等及格不及格答辯效果10108765以下創(chuàng)新程度10108765以下技術(shù)路線10108765以下技術(shù)難度202016141211以下工 作 量303024211817以下得分_ 等級(jí)_ 評(píng)分老師簽名_ 答辯情況的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(供參考)(百分制)(1)90100分:獨(dú)立、全面地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)、質(zhì)量?jī)?yōu)良,答辯時(shí)回答問(wèn)題正確,反映出有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí),工作態(tài)度端正,有創(chuàng)新或新見(jiàn)解。(2)8089分:獨(dú)立、全面地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù),質(zhì)量較好,回答問(wèn)題較正確,工作態(tài)度端正。但設(shè)計(jì)中有些小的缺點(diǎn)。(3)7079分:設(shè)計(jì)內(nèi)容基本符合任務(wù)要求,論述和設(shè)計(jì)較好,計(jì)算無(wú)大錯(cuò)誤,工藝文件 及圖紙較好,回答問(wèn)題無(wú)大的錯(cuò)誤,工作態(tài)度一般。(4)6069分:設(shè)計(jì)內(nèi)容基本符合任務(wù)要求,論述和設(shè)計(jì)基本正確,計(jì)算大錯(cuò)誤不多,工藝文件及圖紙基本符合要求,回答問(wèn)題大錯(cuò)誤不多,工作態(tài)度一般。(5)60分以下:有四分之一時(shí)間未參加設(shè)計(jì)工作,或草率從事,大部分內(nèi)容不符合任務(wù)要求,有較大原則性錯(cuò)誤并且回答問(wèn)題有較多概念性錯(cuò)誤;工作態(tài)度差或有抄襲現(xiàn)象。江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文)答辯委員會(huì)制 2008年 5月 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評(píng)審意見(jiàn)表學(xué)院:姓 名學(xué) 號(hào)專業(yè)班級(jí)指導(dǎo)老師單 位職 稱指導(dǎo)教師意見(jiàn): 指導(dǎo)教師: (簽字) 年 月 日教研室評(píng)審意見(jiàn):教研組長(zhǎng): (簽字) 年 月 日學(xué)院評(píng)審意見(jiàn): 院(系)領(lǐng)導(dǎo): (簽字) 年 月 日對(duì)論文評(píng)定意見(jiàn)包括成績(jī)?cè)u(píng)定(按優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五級(jí)記分)和評(píng)語(yǔ)。附件1基于路徑幾何約束的高效機(jī)械手控制算法Kang G. Shin and Neil D. McKayDepartment of Electrical and Computer EngineeringThe University of MichiganAnn Arbor, Michigan 48109摘要:傳統(tǒng)上,機(jī)械手控制運(yùn)算法則被區(qū)分為兩級(jí),即路徑規(guī)劃和路徑跟蹤(或路徑控制)。這種劃分方法已經(jīng)被主要地應(yīng)用于減輕復(fù)雜連結(jié)的機(jī)械手動(dòng)力學(xué)。不幸的是,這種簡(jiǎn)單的劃分方法是以犧牲機(jī)械手的工作效率為代價(jià)的。為了改善這種低效率的情況,本文認(rèn)為要使機(jī)械手在最短時(shí)間內(nèi)沿著一條指定的幾何路徑移動(dòng)受到輸入扭矩/扭力的限制。我們首先采用幾何學(xué)路徑約束引入避免碰撞和操作需求的變量函數(shù)來(lái)描述機(jī)械手動(dòng)力要求,然后將輸入扭矩/扭力的限制參數(shù)轉(zhuǎn)變成這些變量。最后最短時(shí)間的求解就可用相平面技術(shù)進(jìn)行推導(dǎo)運(yùn)算求解。1、前言在過(guò)去的幾年人們主要關(guān)注于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù),尤其是使用通用機(jī)器人技術(shù)。由于工業(yè)機(jī)器人的目的是為了提高生產(chǎn)力,如何使每1美元的機(jī)器人控制投入獲得盡可能多的效益成為越來(lái)越突出的問(wèn)題。通常固定成本在生產(chǎn)項(xiàng)目成本中占主導(dǎo)地位,所以人們總希望在給定的時(shí)間中生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品。有多種算法可用于最短時(shí)間或接近最短時(shí)間機(jī)械手控制運(yùn)算。這些算法通常劃分為兩個(gè)層次。第一個(gè)層次是所謂的路徑規(guī)劃,第二個(gè)層次是所謂的路徑跟蹤或路徑控制。通常路徑控制的定義是企圖實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人的實(shí)際位置和速度匹配理想的位置和速度。這種控制用控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)??刂破鹘邮丈弦淮斡?jì)算的理想位置值與速度值進(jìn)行路徑位置描述,然后通過(guò)路徑跟蹤系統(tǒng)跟蹤機(jī)械手實(shí)際位置和速度得到運(yùn)動(dòng)偏差。這樣分開(kāi)控制方案是基于機(jī)械手控制程序,如果把控制作為一個(gè)整體考慮將會(huì)非常復(fù)雜,由于幾乎最簡(jiǎn)單的機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)之后是高度地非線性甚至更復(fù)雜。把控制分為兩部分來(lái)分別處理使得整個(gè)控制過(guò)程變得簡(jiǎn)單。路徑追蹤通常是一個(gè)線性的控制算法,機(jī)械手動(dòng)力學(xué)的非線性在這一個(gè)水平時(shí)常不被考慮,如此的追蹤控制通常能得到需要的軌道并使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)與實(shí)際要求保持非常接近。使得精密加工得以實(shí)現(xiàn),例如解析運(yùn)動(dòng)速度控制(參考文獻(xiàn)1 ) ,突然的加速度控制(參考文獻(xiàn)2 ), 及斷續(xù)速度變化控制(參考文獻(xiàn)3-5 )。不幸的是,單純地劃分為路徑規(guī)劃和路徑追蹤是以犧牲效率為代價(jià)的。效率低下的根源是路徑規(guī)劃,為了提高機(jī)械手的效率,路徑規(guī)劃時(shí)必須了解該機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性,以及準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型。然而,規(guī)劃運(yùn)算法則的大部份的路徑計(jì)算只與數(shù)據(jù)計(jì)算有關(guān),有關(guān)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)計(jì)算非常少。通常假定機(jī)械手的速度和加速度為恒定或按一定規(guī)律變化的(參考文獻(xiàn)6,7),并具有一定的區(qū)域邊界約束。事實(shí)上,這些約束因位置,負(fù)載大小,甚至隨有效載荷面積而改變。因此為了使邊界約束為有效的恒定值,速度面積法的邊界取值必須是速度和加速度的整體最低值;換句話說(shuō),對(duì)于最壞情況的限制必須有效。由于機(jī)械手關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加速度有限制,可能被三個(gè)或更多的條件所約束,這些多出的約束造成機(jī)械手的效率低下。為了提高效率,本文提出了一種依據(jù)幾何路徑和輸入扭矩/扭力上的最短時(shí)間機(jī)械手路徑控制解決方案,方案以路徑運(yùn)算法則的方式加入機(jī)械手動(dòng)力學(xué)運(yùn)算。路徑規(guī)劃輸出真實(shí)的最短時(shí)間,作為其它可被測(cè)量的路徑規(guī)劃的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。注意,本文提到的問(wèn)題和解決辦法與參考文獻(xiàn) 8,9 中的接近最短時(shí)間控制理論不同。本文分為五個(gè)部分分別論述,第二部分描述了使機(jī)械手輸入扭矩的動(dòng)態(tài)約束方程更易于處理和控制的方法;第三部分考慮公式化時(shí)間控制的細(xì)節(jié)問(wèn)題;第四部分用狀態(tài)平面的技術(shù)求解最優(yōu)解;第五部分是本文亮點(diǎn),推導(dǎo)產(chǎn)生最佳的運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)算法則;最后部分是該方法則使用意義討論。2、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與約束在進(jìn)行最短時(shí)間控制問(wèn)題研究前,先考慮對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行控制,即機(jī)器人的手臂動(dòng)力學(xué)模型。有多種方法獲得的機(jī)器人臂的動(dòng)力學(xué)方程,即方程中有關(guān)位置處的綜合力和扭矩,速度扭矩和加速度。最常使用的兩種方法是拉格朗日和牛頓、歐拉公式。牛頓、歐拉公式雖然計(jì)算效率高,但卻很難用于控制問(wèn)題的遞推計(jì)算。拉格朗日雖然計(jì)算效率不高,但確實(shí)產(chǎn)生一組非常適用于機(jī)械手控制問(wèn)題的微分方程式。在這里動(dòng)力方程僅用于獲得分析結(jié)果,我們使用拉格朗日的方法得出以下機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程(參考文獻(xiàn)12,13)。qi=vi (1a)ui=Jijqvj+Rijvj+Cijkqvjvk+Giq (1b)式中 qi=ith 廣義坐標(biāo) vi=ith 廣義速度 ui=ith 廣義力 Jij= 慣性矩陣 Gi = 在 ith 加上重力的力 Cijk= 科氏陣列 Rij= 粘性摩擦矩陣愛(ài)因斯坦求和約束的使用使所有指數(shù)從1到n包含在n自由度機(jī)器人中。慣性矩陣Jij的比例常數(shù)是施加于ith的總的扭矩/扭力與Jij上的總加速度。科里奧利數(shù)列描述了結(jié)合 j 和 k 的速度進(jìn)入Cijk的力。粘性摩擦矩陣R給出由于速度 j 產(chǎn)生的 i 而受到的摩擦力。注意這個(gè)矩陣為對(duì)角矩陣,所有輸入數(shù)值無(wú)負(fù)值。機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)當(dāng)然不會(huì)完全不受約束。事實(shí)上,在關(guān)節(jié)處機(jī)器人手臂必須限制在一個(gè)固定的空間運(yùn)動(dòng),且運(yùn)動(dòng)軌跡為給定的參數(shù)化曲線。曲線被由參數(shù) 的n個(gè)函數(shù)集決定,所以我們有qi=fi , 0max (2)其中為理想軌跡的一個(gè)參數(shù),當(dāng)從 0 到max變化時(shí)坐標(biāo) qi 也連續(xù)地變化且路徑不重復(fù),即0=0 ,tf=max .應(yīng)當(dāng)指出,在實(shí)際空間的運(yùn)動(dòng)軌跡是建立在笛卡爾坐標(biāo)上。一般很難把曲線從笛卡爾坐標(biāo)完全轉(zhuǎn)換到機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)中,相對(duì)地執(zhí)行單個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換卻很容易。在笛卡爾的路徑上拾足夠多的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換,利用插值法技術(shù) (例如 三次樣條函數(shù))獲得機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的一個(gè)相似的軌跡。(見(jiàn)10為一個(gè)例子)回到之前的問(wèn)題,我們用時(shí)間來(lái)區(qū)分參數(shù)化的qi 得到 其中 = 運(yùn)動(dòng)方程沿著曲線(Le幾何學(xué)的路徑)變成注意,如果表示沿著路徑的弧長(zhǎng),那么和分別表示沿著路徑的速度和加速度?;谶@種參數(shù)化有兩個(gè)狀態(tài)變量,即和,但有(n + 1)個(gè)方程。選擇方程=和剩余方程序之一為狀態(tài)方程,其他方程作為輸入 的約束。將ith乘以dfi()d 就可以從給出的n個(gè)方程中得到一個(gè)狀態(tài)方程這個(gè)公式有個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn),在約束函數(shù)導(dǎo)出的向量中參數(shù)是二次的,當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)存在時(shí)曲線可以進(jìn)行參數(shù)化,且慣性矩正定,整個(gè)的方程能被正的、非零的參數(shù)分開(kāi),由和得到的一個(gè)解?,F(xiàn)在得到二個(gè)狀態(tài)方程,而最初的n個(gè)方程則由輸入和 約束(關(guān)于這方面將在后面討論)。 通過(guò)變換,狀態(tài)方程變?yōu)楝F(xiàn)在考慮由|ui|umaxi和公式(4a)限制的約束,動(dòng)態(tài)方程(4a)可以寫成這樣的形式:ui=gi()u+hi(,). 對(duì)于一個(gè)給定的狀態(tài),也就是給定的 h 和,u,這是一個(gè)參數(shù)p的一組線性參數(shù)方程,約束存在于輸入變化區(qū)間及因輸入變化形成的約束矩陣中。因此把矩陣約束在u上,通過(guò)方程參數(shù)使輸入扭矩/扭力變化的所有位置、速度在路徑上彼此限制,給出初始的(,)及u的大小,如果知道機(jī)械手關(guān)節(jié)處的輸入扭矩、扭力這樣就能用數(shù)的處理來(lái)代替n個(gè)矢量的處理進(jìn)而得到一系列的約束(路徑狀態(tài)方程)。因?yàn)樾阅芡耆蓇決定,我們用-umaxiui+umaxi于是有:簡(jiǎn)化:于是得到:注意:前面的方程都是的函數(shù),為了簡(jiǎn)化計(jì)算,功能的依賴性在下面的計(jì)算不再指出。給出的控制不等式:另一種格式:LBiuUBi,這些參數(shù)由n決定,u滿足:maxLBiuminUBi 或者GLB(,)uLUB(,) (7e)路徑計(jì)劃要呈現(xiàn)的運(yùn)算法則與之前依照慣例得到方程的不同,可知參數(shù) 是笛卡爾的空間的弧長(zhǎng),是速度,是幾何加速度。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃把加速度劃分為幾個(gè)常數(shù)間隔,于是:GLB(,)uminuumaxLUB(,)式中umin 和 umax是常數(shù)。傳統(tǒng)方法把加速度進(jìn)行了過(guò)多的約束,使速度也有過(guò)多的約束。3、最佳控制問(wèn)題的公式化現(xiàn)在我們得到根據(jù)幾何路徑和輸入系統(tǒng)規(guī)定參數(shù)的機(jī)械手動(dòng)力方程,就可以分析實(shí)際控制問(wèn)題了。機(jī)械手控制的目的是以最小的輸入得到最大的動(dòng)力輸出,這可以用最佳控制語(yǔ)言來(lái)描述,常用的方法使龐特里亞金最大值原理11。最大值問(wèn)題即點(diǎn)的連接問(wèn)題,除了一些簡(jiǎn)單的點(diǎn)不能使用閉環(huán)控制,而且很難以數(shù)字的方式解決。我們使用最大值原理獲得加工質(zhì)量而不僅僅是獲得方程的解,這個(gè)解將用于之后的最小時(shí)間求解??紤]實(shí)際情況,最低成本即最短加工時(shí)間,就是求機(jī)械手運(yùn)動(dòng)最大速度,可以表示為:C=0tf l dt (8)這里tf由電子激光器決定,價(jià)值函數(shù)C必須服從下面給出的3個(gè)約束:機(jī)械手的動(dòng)力微分方程約束(即式(6a),(6b));輸入量要求,關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸入扭矩允許范圍要求(即|ui|umaxi);第三個(gè)參數(shù)是空間參數(shù)設(shè)置,機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定工位不能與如何物體相碰。假定理想的幾何方程已經(jīng)把最小時(shí)間控制參數(shù)化,就像之前希望的(即等式(3),但最初的點(diǎn)為=0,結(jié)束點(diǎn)為=max且dfid存在,這樣保證(6a),(6b)存在,同時(shí)當(dāng)從0到max方程是單調(diào)的。把這些代入動(dòng)力方程,我們得到如下的最短時(shí)間方程(簡(jiǎn)稱MTPP)。MTPP:求出x0=0,0和ui0 通過(guò)將式(8)代入(6a),(6b), |ui|umaxi ,及邊界條件0=0 , tf=f (9a)0=0 , tf=max (9b)3.1、最大原則的應(yīng)用為了使0max需要增加一個(gè)第三個(gè)狀態(tài)方程,第三狀態(tài)v,并要求:v=2l-+max-2l-max (10)其中:lx=1 (x0) 0 (x0) v0要求邊界約束v0=vtf=0這樣v無(wú)限接近0,當(dāng)在0max中間隔取值使v無(wú)限接近0。在對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行變化前,先定義函數(shù):這樣就可以簡(jiǎn)化公式,得到:區(qū)間M表示機(jī)械手功能的二次形式,如果把參數(shù)qi加入到動(dòng)能方程,得到K=M2/2 ;Q表示科里奧利的組成和沿著路勁加上參數(shù)化的地心引力;區(qū)間R表示摩擦力,S給出沿著路勁的地心引力,U表示輸入重力區(qū)間。 之前的MTPP可以這樣變化將(8)代入(11a),(11b),(11c),(7d),(9a),(9b)求y0=0,0,v0和U0的極小值,通過(guò)MTPP變換哈米爾頓函數(shù)變?yōu)椋夯蚴褂们懊娴奶鎿Q得到哈米爾頓函數(shù)對(duì)求導(dǎo),對(duì)求導(dǎo),最后對(duì)v求導(dǎo),應(yīng)用最大值原理,我們需求出H在(12b)中的最小值,聯(lián)合各式(11a),(11b),(11c),(9a)及(7b),且H必須滿足邊界條件。這里y是矢量(,v)的狀態(tài)向量,我們得到一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入?yún)^(qū)間 在式(14)中知道H不明確依賴t,也可以看作 是由約束(9)和vtf=0得到。注:哈米爾頓函數(shù)(12b)在U上線性,且由于ui和dfid在0,max有界使得U有界,這就要求U的最優(yōu)解必須滿足繼電氣控制邏輯,在最優(yōu)軌跡上任意點(diǎn)的式(12b)中U的解是U的最大或最小值,通過(guò)對(duì)ui求導(dǎo)得到U的極值,關(guān)于ui的等式約束為ui=gi()+ hi (,),得到由于U的繼電器控制和給定的參數(shù)(,)U的大小線性地跟隨,也必須滿足繼電氣控制邏輯。因此等于GLB(,)或LUB(,)。再考慮三維空間,作用于不均等加工時(shí)輸入等式約束線上一點(diǎn),如果 ith 的聯(lián)合輸入在約束的一邊慢慢趨近于最大值,將推使機(jī)械手向正方向推動(dòng)。無(wú)論輸入的系數(shù)是否為零以上的推論都成立,即p2在(13a)中不為0。如果p2只在孤立的點(diǎn)處為0,則得到各處的最佳控制。另一方面,如果p2在某些區(qū)間內(nèi)為0,我們有下列的定理。定理1:如果p2在區(qū)間t1,t2 (t1S0Umin(0) 則p2(0)0 ;證明:已知0max則當(dāng)t=tf有0,又tf=0,則當(dāng)ttf時(shí)(t)max。但在tf處tf=M-1U-S0于是U-S0,矛盾,故有p2(tf)0;確定p2(0)的符號(hào)及(0)的大小,同理可得00 ,則U-S0,使用繼電器控制于是有U=Umax否則 U=Umin且Umin-S0,但如果U=Umax則p20,于是p2(0)0.這些理論的一個(gè)重要原則是開(kāi)關(guān)點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù),如果開(kāi)關(guān)點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù),p2(tf)的符號(hào)將和p2(0)的符號(hào)相同,則sinp2tf=(-1)msin( p20)其中m為符號(hào)變化次數(shù)。4、相平面解釋在相位平面中審查系統(tǒng)行為,相位平面軌跡的方程由方程(11 b )及(11 a)獲得有趣的是整個(gè)時(shí)間T從開(kāi)始到結(jié)束可以寫為然后將得到給定的整體最小參數(shù),這就希望越大越好。參數(shù)有兩個(gè)影響因數(shù):運(yùn)動(dòng)軌跡的斜率和值的大小。用除以得到dd= ;為了得到就必須考慮的范圍,通過(guò)和的特征值,我們有LUB(,)0且20,則在區(qū)間1,2至少存在一個(gè)零點(diǎn)。證明:如果g( )的微分在區(qū)間1,2連續(xù),那么一定存在一個(gè)零點(diǎn)。如果g( )不連續(xù),假設(shè)不存在零點(diǎn),則在g( )溢出區(qū)間存在一個(gè)或更多的點(diǎn),符號(hào)變化發(fā)生于這一個(gè)或更多的這些點(diǎn)。如果不是這樣,那么在g( )存在一個(gè)符號(hào)變化的點(diǎn)使g( )微分連續(xù),而且因此會(huì)有一個(gè)零點(diǎn)。兩個(gè)限制參數(shù)記為g1,g2;g1作用于d,由lim0lim有對(duì)于0我們有代入約束,由g( )=min gi( )得g1 d+ di的約束解,和假設(shè)矛盾。這樣至少存在一個(gè)點(diǎn)使為零。這一個(gè)定理的圖解意義在圖 7 說(shuō)明。從圖中看出, g( )一定超出區(qū)域,且是分段連續(xù)的,曲線向上跳躍。證明完畢。為了要證明ACOTNF 結(jié)束,我們對(duì)函數(shù)fi() 進(jìn)行一些假設(shè) ,假設(shè)fi可分段求解且由有限個(gè)不含實(shí)際價(jià)值的數(shù)組成。非正式地,因?yàn)閼T性矩陣,科里奧利數(shù)列,重力加速度等是全局解析函數(shù),而且自從路徑被限制之后是分段求解的,我們已經(jīng)處理的所有函數(shù)也是分段求解的,函數(shù)也是分段求解的,于是將會(huì)因此在每個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)或有限個(gè)零點(diǎn)。如果間隔地為0,軌跡將沿著邊界停止在間隔結(jié)束的地方,相同的零間隔不會(huì)引起問(wèn)題。只有間隔的最右面點(diǎn)可能是一個(gè)交換點(diǎn),因此只有如此有限的間隔會(huì)引起ACOTNF 有限的反復(fù)。如此收斂被保證,因此有限數(shù)目的解域我們有下列的定理:定理3b:如果函數(shù)fi有有限個(gè)實(shí)際價(jià)值解,那么函數(shù)存在一定數(shù)量的間隔結(jié)束于區(qū)域外的零。證明:慣性矩陣,科里奧利陣列,重力加速度在 qi 中分段解,fi在處的解等等作為函數(shù)(就像公式(4a)和(4b))的分段解或有限的單解。公式(7b)中的M,Q,R,S也是單個(gè)的解。一個(gè)在有限區(qū)間內(nèi)沒(méi)有奇點(diǎn)的實(shí)際價(jià)值的解析函數(shù),一定存在有限個(gè)零點(diǎn)或同一零點(diǎn),工程量M必須在區(qū)間內(nèi)為零。如果假設(shè) 我們可以得到所有的Mi零點(diǎn)。如果其中一個(gè)Mi不為零,就不存在邊界曲線,就沒(méi)有零點(diǎn)。只要有兩個(gè)或更多不為零的點(diǎn),就可得到邊界曲線。坐標(biāo)i,j代入式(17b)(用=代替)得到曲線,式(17b)中系數(shù)A,B,C,D排除在Mi中的零之外,由于Mi存在零點(diǎn),考慮用Mi中的零點(diǎn)進(jìn)行區(qū)間分割。在每個(gè)小區(qū)間內(nèi),只有一個(gè)(17b)方程有效。在區(qū)間內(nèi)是的一個(gè)解,邊界曲線g( )是特解,也是特解且在每個(gè)區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)或數(shù)個(gè)零點(diǎn)。由于在區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)或數(shù)個(gè)零點(diǎn),因此區(qū)間個(gè)數(shù)是有限的,且結(jié)束于區(qū)域外的零。證明完畢。定理4:由ACOTNF產(chǎn)生的任何軌跡在最短時(shí)間控制上是最優(yōu)的。證明:該定理的證明是直接證明。假設(shè)一個(gè)軌跡比由ACOTNF算法產(chǎn)生的軌跡有更小的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。由等式(8)可知,必然存在使新軌跡上的點(diǎn)(,)高于ACOTNF軌跡上的點(diǎn)(,),即。否則,就不存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間更短的軌跡。我們根據(jù)最大原則分析可知解不唯一,即存在數(shù)條最大加減速曲線,所以我們只能應(yīng)用那些不確定的軌跡?,F(xiàn)在有四種可能,(,)可能位于ACOTNF軌跡初始的加速段,也可能位于最后的減速段,也有可能位于其他的加速或減速軌跡上。在第一種情況下,新軌跡的初始值必須大于ACOTNF的初始值。否則,新的軌跡必須在某些點(diǎn)上具有比ACOTNF更大的加速度,而這是不可能的,因?yàn)锳COTNF軌跡擁有可允許的最大加速度。新軌跡因此就可能達(dá)到合適的臨界條件。第二種情況與之類似。因?yàn)椋?,)點(diǎn)在ACOTNF軌跡上,新軌跡必須比擁有最大的減速度的ACOTNF軌跡減速更快才能達(dá)到相同的臨界條件。這也是不可能的,因?yàn)锳COTNF使用最大的減速度。在第三種情況下,(,)在其他的加速軌跡上,在這種情況下,通向(,)點(diǎn)的軌跡必須移出可行域的邊界。否則,這些軌跡必須通過(guò)ACOTNF軌跡的加速階段,因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)邊界上的一個(gè)點(diǎn)。新軌跡在該相交點(diǎn)的加速度將大于ACOTNF的軌跡,同樣,這也是不可能的。最后一種情況與前者類似。從(,)出發(fā)的加速或者減速軌跡必須要么與可行域的邊界相交,要么比ACOTNF減速軌跡減速快,因此,無(wú)解。證明完畢。這種產(chǎn)生最優(yōu)軌跡的方法可以在相位平面內(nèi)任何有可行域的情況下工作,而不只是無(wú)摩擦的情況?;舅枷胧菬o(wú)限接近可行域的邊緣而不超出它。因此軌跡僅僅是沒(méi)有接觸到非可行域。在實(shí)際中這當(dāng)然會(huì)很危險(xiǎn),因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)輸入和測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)的小錯(cuò)誤都將很可能使機(jī)器人偏離預(yù)定的軌跡。然而從理論上說(shuō),這個(gè)軌跡是最節(jié)約時(shí)間的。我們現(xiàn)在考慮一般的情況,即摩擦力足以使相位平面產(chǎn)生孤島。在這種情況下,該算法必須用一種超微不同的形式來(lái)展現(xiàn)。因?yàn)榇嬖跀?shù)條邊界曲線而不是一個(gè),不可能像ACOTNF中做的那樣只研究零點(diǎn)的一個(gè)函數(shù)。因此我們不再在算法過(guò)程中尋找零點(diǎn),而是一次性的全找出來(lái)。然后建立沒(méi)有邊界的軌跡,不管這些邊界是可行域的邊緣還是孤島的邊緣。合適的軌跡可以通過(guò)搜索結(jié)果曲線圖找到一直選擇盡可能高的軌跡,有必要的話回溯。更正式的,最優(yōu)軌跡建立算法是:第一步:建立初始的加速軌跡。(與ACOTNF相同)第二步:建立最終的減速軌跡。(與ACOTNF相同)第三步:計(jì)算可行域邊線和所有的孤島邊線的函數(shù)()。在每一個(gè)零點(diǎn),建立一個(gè)以零點(diǎn)為轉(zhuǎn)換點(diǎn)的軌跡,就像ACOTNF的第五步和第六步。轉(zhuǎn)換方向(加速到減速或者反過(guò)來(lái))應(yīng)該以不使軌跡離開(kāi)可行域?yàn)闇?zhǔn)來(lái)選擇。延長(zhǎng)每條軌跡,使它或者離開(kāi)可行域或者通過(guò)max.第四步:找到軌跡的所有交點(diǎn)。這是潛在的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。第五步:從=0,=C穿過(guò)網(wǎng)格,這些網(wǎng)格是由從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的最高的軌跡形成的。這在下面的網(wǎng)格穿越算法中有介紹。穿越有上面的第三步和第四步產(chǎn)生的軌跡形成的網(wǎng)格是對(duì)曲線圖的一個(gè)搜索,目的是要找到最終的減速軌跡。如果設(shè)想一個(gè)人沿著這些軌跡搜索這些網(wǎng)格,那么如果這可能的話他就會(huì)一直左轉(zhuǎn)。如果一個(gè)轉(zhuǎn)向引向了死角,那么就有必要回溯,然后就向右轉(zhuǎn)了。整個(gè)過(guò)程是遞歸的,就像瀏覽樹(shù)狀圖的過(guò)程一樣。算法包含兩個(gè)過(guò)程,一個(gè)是搜索加速曲線,另一個(gè)搜索減速曲線。算法是:加速搜索:在當(dāng)前的(加速)軌跡上,找到最后一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在這一點(diǎn),當(dāng)前的軌跡到達(dá)一個(gè)減速軌跡。如果那條曲線是最終的減速軌跡,那么現(xiàn)在考慮的轉(zhuǎn)換點(diǎn)就是最終的最優(yōu)軌跡的一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。否則,從當(dāng)前的轉(zhuǎn)換點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行減速搜索。如果減速搜索成功,那么當(dāng)前的點(diǎn)就是最優(yōu)軌跡的一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。否則,沿當(dāng)前的加速曲線回到前一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn),重復(fù)這個(gè)過(guò)程。減速搜索:在當(dāng)前的(減速)軌跡,找到第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。從該點(diǎn)開(kāi)始應(yīng)用加速搜索。如果成功,那么當(dāng)前的點(diǎn)就是一個(gè)最優(yōu)軌跡的轉(zhuǎn)換點(diǎn),則前移至下一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)并重復(fù)這個(gè)過(guò)程。這兩個(gè)算法一直是首先尋找速度最高的曲線,因?yàn)榧铀偎阉骺偸菑募铀偾€的末端開(kāi)始,而減速搜索總是從減速曲線的開(kāi)端開(kāi)始。因此算法找到(如果有可能)速度最快的軌跡,因此搜索時(shí)間最短。這個(gè)算法的最優(yōu)性和一致性的證明實(shí)質(zhì)上與ACOTNF是一樣的,這里不再重復(fù)。注意在ACOTNF的一致性證明中,在零摩擦情況下只存在一條邊界曲線的事實(shí)沒(méi)有用到;因此同樣的證明也適用于高摩擦條件下。6.討論和總結(jié)在這篇文章里,我們展示了一種獲得在提供理想的幾何軌跡和輸入扭轉(zhuǎn)約束力的條件下機(jī)械手運(yùn)動(dòng)最小時(shí)間控制軌跡的方法。就像前面提出的,最優(yōu)軌跡可能接觸到可行域的邊界,產(chǎn)生相當(dāng)危險(xiǎn)的情況。但是,如果在計(jì)算中使用略微保守的扭轉(zhuǎn)約束值,那么實(shí)際的可行域就會(huì)略微大于計(jì)算可行域,留出失誤的空間。在高摩擦和低摩擦情況下的算法都已經(jīng)展示了。在這兩種情況下,算法產(chǎn)生“僅僅丟失”非可行域的軌跡,不管丟失的非可行域部分是一個(gè)孤島還是有較高的速度限制形成的域。假設(shè)機(jī)器人的輸入轉(zhuǎn)矩被約束,我們得到一個(gè)測(cè)試機(jī)器人沿給定的空間路徑運(yùn)動(dòng)的最小時(shí)間開(kāi)環(huán)控制的算法。但是,對(duì)不同的輸入?yún)?shù)也應(yīng)該可能獲得解。因?yàn)樵撍惴óa(chǎn)生真正的最小時(shí)間解,而不是一個(gè)近似值,所以該算法的結(jié)果能夠?yàn)槠渌穆窂皆O(shè)計(jì)算法提供一個(gè)絕對(duì)的測(cè)量參考。參考文獻(xiàn)1 D. E. Whitney, Resolved motion rate control for manipulators and human prostheses, IEEE Trans on Man-Manchine Systems, vol. MMS-10, pp. 47-53, June 1969.2 J. Y. S Luh, M. W. Walker, and R. P. C. Paul, Resolved acceleration control of mechanical manipulators, IEEE Trans on Automatic Control, vol. AC-25, no. 3, pp. 468-474, June 1980.3 S. Dubowsky and D. T. DesForges, The application of model-referenced adaptive control to robot manipulators,ASME J DSUC, vol. 101, pp. 193-200, September 1979.4 A.J. Koivo, and T. -H. Guo, Adaptive linear controller for robotic manipulators, IEEE Trans. on Automatic Control.vol. AC-28, no. 2, pp. 162-1 70, February 1983.5 B.K. Kim, and K. G. Shin, An adaptive podel following control of robotic manipulators, to appear in IEEE Trans Aerospace and Electronic Systems.6 J.Y. S. Luh and M. W. Walker, Minimum-time aiong the path for a mechanical manipulator, Proc . of the IEEE CDC, Dec. 7-9, 1977, New Orleans, pp. 755-759.7 J.Y. S. Luh, and C. S. Lin, Optimum path planning for mechanical manipulators, .4,5,VE Jounzal 3f Dynarzic Systems, Mearurement and Control , vol. 2, pp. 330-335, June 1981.8 M.E. Kahn and B. E. Roth, The near minimum-time control of open-loop articulated kinematic chains, .ASME J . DSMC, vol. 93, no. 3, pp. 164-1 72, September 1971.9 B.K. Kim and K. G. Shin, Near-optimal control of industrial manipulators with a weighted minimum time fuel criterion, to appear in Proc. 22nd CDC: San Antonio, TX., Dec. 1983.10 C.-S. Lin, P.-R. Chang, and J. Y. S. Luh, Formulation and optimization of cubic polynomial joint trajectories for mechanical manipulators, Proc . 21 CDC, Orlando, FL., Dec. 1982.11 D. E. Kirk, Optimal control theory: an introduction , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1971, pp, 227-238.12 R. P. C. Paul, Robot manipulators: Mathematics. programming. and control, MIT Press, Cambridge, Mass., 1981, pp. 157-1 95.13 D. Ter Haar, Elements of Hamiltonian mechanics , Secondedition, Pergamon Press, 1971, pp. 35-49. 附圖:附件2外文資料
收藏