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我們提出一種新的低成本彈性機(jī)械手的設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)是獨(dú)一無二的，其性能達(dá)到所設(shè)想的任務(wù)（無反沖，重復(fù)性動(dòng)作分辨率為3mm，速度1.5米/秒，2公斤的有效載荷），但比同類機(jī)器手顯著降低零部件成本。本文探討了為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)我們在價(jià)格和性能的組合設(shè)計(jì)中的決策和作出權(quán)衡。這是一個(gè)新的安全的設(shè)計(jì)：近端使用步進(jìn)電機(jī)與一系列彈性連接提供四個(gè)自由度，非彈性連接提供遠(yuǎn)端的三自由度。我們尤其是在人類的安全和控制性上對(duì)這個(gè)折衷的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。手臂可用于煎餅的烹飪（澆面糊，翻轉(zhuǎn)煎餅），以及使用機(jī)械手進(jìn)行交互動(dòng)作。1 簡介許多機(jī)器手是非常昂貴的，這主要是因?yàn)椴捎酶呔茯?qū)動(dòng)器和定制加工的組件。我們建議機(jī)器人操縱研究推進(jìn)應(yīng)更迅速，如果采用合理的性能的設(shè)計(jì)將大大降低了價(jià)格。降低成本可以使機(jī)械手臂被廣泛地采用，反過來可以導(dǎo)致一個(gè)更快的進(jìn)步，在許多其他領(lǐng)域也是一樣的。然而，大幅降低成本，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)權(quán)衡和妥協(xié)。在機(jī)器手設(shè)計(jì)中有諸多因素需要考慮，例如有效載荷，速度，行程，重復(fù)性，人類安全和成本，以上僅是舉幾例。在機(jī)器手的研究，這些方面比其他方面更為重要如：抓取與對(duì)對(duì)象的操作，高重復(fù)性和低反沖。必須有足夠的有效載荷抓取所研究的對(duì)象。當(dāng)然如果在靠近工作人員或者在課堂上使用機(jī)器手，人的安全性是至關(guān)重要的。機(jī)器手技術(shù)研究的某些領(lǐng)域，需要高帶寬，高速操控。然而，在許多研究中速度和帶寬可能不那么重要。例如，在對(duì)象的操作，服務(wù)機(jī)器人，或其他利用復(fù)雜的視覺處理和對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行大量任務(wù)規(guī)劃，通常需要大量的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際機(jī)器手的方案中，要求這結(jié)果占總?cè)蝿?wù)的時(shí)間百分比盡量的小。此外，在許多實(shí)驗(yàn)室設(shè)置，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)往往故意放緩速度給操作員的時(shí)間來響應(yīng)意外碰撞或無意的舉動(dòng)。 在本文中，我們提出一個(gè)機(jī)器手設(shè)計(jì)，它具有高端研究機(jī)器人所有的性能，但是大大降低單位成本，僅有4135美元。一個(gè)產(chǎn)品花費(fèi)包括設(shè)計(jì)費(fèi)用、測試費(fèi)用、包裝和可能的技術(shù)支持的話費(fèi)，所以在研究原型上直接比較成本是很困難的。然而，我們記錄了我們的機(jī)械手的成本，主要是為了與目前的商業(yè)化生產(chǎn)者提供一個(gè)粗略的成本對(duì)比。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用毫米級(jí)的重復(fù)性可以顯著實(shí)現(xiàn)低成本，無需使用3-D加工工序來構(gòu)建機(jī)械手。圖1 本文中描述的低成本的柔性機(jī)器人。以下為必須確保的因素，用來保證手臂操縱研究是有益的：宏觀工作區(qū)7個(gè)自由度至少有2公斤有效載荷（4.4磅的有效載荷）人類安全：符合或容易來回通行飛行質(zhì)量在4公斤下精度3毫米重復(fù)性至少在1.0米/秒的最大速度零背隙為了滿足這些要求，盡可能降低的成本，我們開發(fā)了一個(gè)新的ARM設(shè)計(jì)。手臂使用成本低步進(jìn)電機(jī)連接同步帶和使用電纜驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)無反沖的性能，減少成本，我們將使用結(jié)構(gòu)緊湊的減速機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)人類安全，我們使用一系列彈性的設(shè)計(jì)，并通過使電機(jī)接近地面最大限度地減小了機(jī)械手的飛行質(zhì)量。本文的一個(gè)簡要概述如下。第二章給出其他機(jī)器人研究中使用的機(jī)器人手概述。第三章為機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)概述，討論了其獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方案的利弊。第四章，討論了一系列符合要求的規(guī)格。第五章、第六章和第七章討論了檢測，性能和控制，第八章討論了機(jī)器人的應(yīng)用關(guān)于手臂煎餅的任務(wù)，其次是一個(gè)結(jié)論。2 相關(guān)研究2.1機(jī)器手研究在機(jī)器人研究中已經(jīng)大量使用的機(jī)器手。它們有許多獨(dú)特的功能和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在這一章，我們討論一些最近被廣泛使用有影響力的機(jī)器人手。Barrett WAM2 3被稱為電纜驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，它具有高速來回運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行速度快。它有高速（3米/秒）的操作和重復(fù)性精度高達(dá)2毫米。Meka A2系列彈性機(jī)械手4，用于與人類互動(dòng);當(dāng)然定制機(jī)器人系列彈性武器包括COG，domo，Obrero，Twendy-1，和agile ARM 5 6 7 8 9。 Meka機(jī)械手和Twendy使用諧波傳動(dòng)減速器，同時(shí)使用行星齒輪變速箱。domo，Obrero，agile機(jī)械手使用滾珠絲杠。這些機(jī)器手都使用各自不同的機(jī)制的彈性裝置。這些機(jī)械手有較低的控制帶寬（小于5赫茲），但是似乎沒有出現(xiàn)操縱性問題限制其研究使用。斯坦福大學(xué)開發(fā)了幾個(gè)使用宏微型驅(qū)動(dòng)的方法的機(jī)械手，結(jié)合系列彈性元件與一個(gè)小馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器用來增加帶寬10 11。PR2的機(jī)器人12 13有一個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng)，采用了被動(dòng)的重力補(bǔ)償機(jī)制，使機(jī)械手浮動(dòng)在任何位置。因?yàn)槭直鄣拇蟛糠仲|(zhì)量被機(jī)構(gòu)支持，使用相對(duì)較小的電機(jī)就可以移機(jī)械手和支承有效載荷。這些小型電機(jī)很安全，因?yàn)樗麄兛梢院苋菀讈砘匾苿?dòng)，并且使用低齒輪傳動(dòng)比。DLRLWR 三型機(jī)械手14，Schunk輕型機(jī)械手15，和Robonaut 16全部采用電機(jī)直接安裝在連接處，通過諧波傳動(dòng)減速器連接，提供零背隙的快速運(yùn)動(dòng)。這些機(jī)械手著更高有效載荷，對(duì)比在本節(jié)中討論的其他機(jī)械手，有效載荷范圍從3-14公斤。他們沒有過多的考慮人類安全，有比較大的飛行質(zhì)量（DLRLWR 三型機(jī)械手接近14公斤），雖然DLR-LWR III將遠(yuǎn)端力/力矩傳感器合并,但必須使用手臂的高帶寬才能在檢測到碰撞迅速停止的時(shí)候。在前面討論過的機(jī)械臂，都是那些市面上都比較昂貴，終端用戶購買價(jià)格遠(yuǎn)高于100,000美元。然而，有幾個(gè)例子可以用于低成本的機(jī)器手研究。例如Dynamaid機(jī)器人的手臂17和Robotis Dynamixel機(jī)器人伺服系統(tǒng)構(gòu)建輕便小巧。該機(jī)器人具有安全工作區(qū)，但有效載荷較低相對(duì)于其他機(jī)械手臂（1公斤）。其總成本至少為3500美元，這僅是Dynamixel舵機(jī)的價(jià)格。庫卡youBot手臂是一個(gè)新的5自由度機(jī)器人手臂18。它有一個(gè)比較小的工作區(qū)，剛好差不多超過0:5立方米，0.1毫米的可重復(fù)性，有效載荷0.5公斤。它的定制了緊湊的電機(jī)和減速機(jī)，售價(jià)為14000歐元。2.2機(jī)器手使用步進(jìn)馬達(dá)許多機(jī)器人手已使用步進(jìn)電機(jī)。Pierrot 和Dombre 19 20討論如何使用步進(jìn)電機(jī)來制作更加安全的醫(yī)療機(jī)器手，因?yàn)楫?dāng)發(fā)生電子故障事件，步進(jìn)電機(jī)將保持固定，但是傳統(tǒng)的電機(jī)可能會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。此外，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作時(shí)扭矩相對(duì)接近其最大扭矩，與傳統(tǒng)電機(jī)相比獲得更多的扭矩用于電機(jī)連續(xù)運(yùn)行。 ST機(jī)器人提供了由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，它們具有亞毫米重復(fù)性21。然而，這些并沒有為人類安全考慮。所以成本也相對(duì)成本低，例如R17的手臂（5自由度，0.75米工作區(qū)，2公斤的有效載荷）的上市為10,950美元。當(dāng)然在20世紀(jì)80年代到90年代存在著幾種其他小，不符合規(guī)定由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人用于教學(xué)的22。例如，的Armdroid機(jī)械臂是5自由度工作區(qū)達(dá)0.6米，它采用同步帶齒輪，采用電纜連接其他機(jī)械手23。3 整體設(shè)計(jì)機(jī)械手采用一個(gè)近似球形的肩膀和腕，肘相連。機(jī)械手采用聯(lián)合限制和拓?fù)湓O(shè)計(jì)，它被安裝在工作臺(tái)高度附近來執(zhí)行操作任務(wù)，與此不同的是類人型機(jī)械手，它必須從肩部垂下，并要求該手臂到安裝的工作區(qū)有一定距離。我們設(shè)計(jì)的機(jī)械手擁有近180度的工作范圍，允許手臂觸及在地板上的對(duì)象，也可以適應(yīng)在工作臺(tái)的工作。設(shè)計(jì)的機(jī)械手的性質(zhì)和性能所下所示：到手腕的長度為 1.0米總重量 11.4公斤飛行質(zhì)量 2.0公斤有效載荷 2.0公斤最大速度 1.5米/秒重復(fù)性 3毫米圖2 近端四自由度的驅(qū)動(dòng)方案3.1驅(qū)動(dòng)方案圖2顯示了近端4個(gè)自由度的方案。這些關(guān)節(jié)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用同步帶和電纜線路，其次是一系列的彈性聯(lián)軸器。采用同步帶與電纜線路是為了實(shí)現(xiàn)低摩擦傳動(dòng)，最小的黏附，零背隙。這使機(jī)械手有較好的分辨率（小于0.5mm），以及在施加外力下不宜出現(xiàn)損壞。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)，它具有高扭矩低轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，這使制造一個(gè)低成本，較高的性能驅(qū)動(dòng)方案稱為可能。但這個(gè)方案的缺點(diǎn)是占據(jù)了比較大的空間，使機(jī)械手近端部分顯得點(diǎn)大。分兩個(gè)階段使用同步帶以及電纜線路不僅是獲得一個(gè)較大減速比相對(duì)于單一的階段，這也使得電機(jī)接近地面。接近地面電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)自由度，肘部和上臂輥電機(jī)關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度。通過將相對(duì)較重的步進(jìn)電機(jī)安裝于地面，飛行臂的質(zhì)量大打折扣：第二個(gè)關(guān)節(jié)，手臂是2.0公斤。相比較，一個(gè)典型的成人人的手臂是3.4公斤左右24。兩階段的減速連接，意味著1和第2關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)2，3，4之間為耦合連接。非常幸運(yùn)的是，這種耦合是完全線性的，并可以很容易地估計(jì)為在軟件中的反饋量。同步帶路線和電纜圖連接如圖3所示。經(jīng)過同步帶電纜線路，采用系列彈性接頭連接電纜絞盤和輸出鏈路，這些將在在第四部分討論。這些部分采用力傳感器進(jìn)行內(nèi)部的控制反饋，這個(gè)將在第五章說明。 遠(yuǎn)端的三自由度采用Dynamixel的RX-64舵機(jī)控制。這些關(guān)節(jié)沒有遵循限制的扭矩。然而，在三維笛卡爾坐標(biāo)中，由于近端四自由度遵循限制的扭矩，這將產(chǎn)生末端效應(yīng)，只有兩個(gè)維度是相同的。圖33.2使用步進(jìn)電機(jī)的權(quán)衡使用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是因?yàn)槠渚哂性S多優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)擅長在低轉(zhuǎn)速下提供大扭矩，這也是機(jī)械手的目標(biāo)。這樣只需要一個(gè)降速比較低的齒輪減速裝置，這樣就可以由同步帶和電纜驅(qū)動(dòng)器完成。圖4 用于緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)端的三個(gè)關(guān)節(jié) 本文所討論的機(jī)械手，前四個(gè)關(guān)節(jié)減速比分別為6，10，13和13。相比之下，直流電機(jī),通常需要通過齒輪箱提供一個(gè)更大的減速比，同時(shí)間隙更大造價(jià)更為昂貴。步進(jìn)電機(jī)作為電磁離合器，當(dāng)有大的力量作用于輸出軸還具有很高的安全性。如果施加力量，扭矩超過其最大的轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機(jī)將滑動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手將移動(dòng)一段距離，直到足以承載輸出端所受扭矩。步進(jìn)保持轉(zhuǎn)矩為最大的移動(dòng)扭矩約60以上（因此機(jī)械手有較大有效載荷），大的保持轉(zhuǎn)矩避免不必要的打滑。但是，步進(jìn)電機(jī)作為一種電磁離合器有一些缺點(diǎn)。首先，如果一個(gè)步進(jìn)電機(jī)發(fā)生滑動(dòng)，那么機(jī)械手可能需要重新校準(zhǔn)。機(jī)械手使用角度編碼器進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，所以閉環(huán)位置可以控制后滑，但力傳感將失效（見第五章）。第二，機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)滑后突然移動(dòng)。如果輸出端負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大，后滑發(fā)生后的的步進(jìn)電機(jī)最初提供阻力小，那么機(jī)械手可能與其他物體或人碰撞。添加編碼器步進(jìn)電機(jī)啟用跟蹤轉(zhuǎn)子的位置，能夠更快地停止打滑的電機(jī)。關(guān)于是否采用額外的編碼器是否合理，取決于任務(wù)和關(guān)于意外的高速碰撞的預(yù)期頻率。按照設(shè)想，步進(jìn)電機(jī)滑動(dòng)只是作為最后一層安全性考慮，因此不預(yù)計(jì)這是一個(gè)頻繁運(yùn)作模式。3.3混合sea/no-sea驅(qū)動(dòng)方案建議機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方案在近端4個(gè)自由度采用一系列彈性的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（SEA），但遠(yuǎn)端的三自由度采用非彈性系列的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。遠(yuǎn)端的三自由度比近端4個(gè)自由度的帶寬要高，允許有限的高頻動(dòng)作。這是所描述的類似25，它采用了宏觀微型驅(qū)動(dòng)方案提供近端的自由度并采用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器更遠(yuǎn)端自由度。在我們的計(jì)劃中，遠(yuǎn)端三自由度從近端一系列彈性執(zhí)行機(jī)構(gòu)得到好處，包括調(diào)節(jié)位置來控制力量的能力。這種方法的缺點(diǎn)，一個(gè)完整的系列彈性執(zhí)行機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)端自由度齒輪更受更多沖擊負(fù)載的影響，因?yàn)檎麄€(gè)手臂的質(zhì)量是有可能超過設(shè)計(jì)的預(yù)期。3.4機(jī)械手慣性和系列彈性剛度系列彈性的機(jī)器手的一個(gè)重要的考量就是臂慣性和系列彈性剛度。考慮一自由度手臂瞬間慣性Ikg.m2由一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)剛度k N.m/radian。機(jī)械手的固有頻率。如果機(jī)械手采用低慣性或彈性聯(lián)軸器，機(jī)械手采用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可能沒有足夠的扭矩或帶寬，以彌補(bǔ)這種振蕩。普拉特和威廉姆森建議增加手臂的慣性，以消除這種效應(yīng)26其他選項(xiàng)包括系列彈性聯(lián)軸器阻尼，保持不變；提高帶寬，降低電機(jī)齒輪減速，在成本較低的有效載荷。對(duì)于人類安全的機(jī)器人手臂降低慣量，這個(gè)問題得以解決的。在我們的機(jī)械手，考慮到關(guān)節(jié)，固有頻率f0 = 5.1hz，與K= 86 N.m/radius= 0.083 kgm2。這是符合設(shè)計(jì)對(duì)帶寬的要求以及符合當(dāng)前的使用的齒輪減速電機(jī)。3.5低成本制造用幾種方法實(shí)現(xiàn)了低成本的設(shè)計(jì)。步進(jìn)電機(jī)的總成本是700美元。如下所示：踏步機(jī) $ 700機(jī)器人舵機(jī) $1335電子產(chǎn)品 $ 750硬件 $ 960編碼器 $ 390總額為 $4135另一種是使用具有相同速度/轉(zhuǎn)矩性能的直流有刷電機(jī)，并使用行星齒輪減速。雖然他們的價(jià)格更低，但是直流有刷電機(jī)采用廉價(jià)的減速機(jī)性能并不良好，反沖度超過1度。如果采用高性能減速機(jī)將會(huì)增加成本。例如，一個(gè)零隙諧波傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的成本超過1000美元，提供足夠的扭矩?zé)o刷行星減速器和0.75度反彈將花費(fèi)500美元。5層膠合板用于現(xiàn)在的原型機(jī)械。這種膠合板生產(chǎn)公差為0.025mm，在激光切割機(jī)（45瓦）取得了優(yōu)異的成績。木塊銜接，使他們緊密結(jié)合在一起，法蘭軸承和軸也可以安放在這些孔中。如何使這樣的結(jié)構(gòu)適應(yīng)溫度和濕度變化，這種變化是未知的，但在一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，這些都是是相對(duì)恒定的。木材是一種快速的優(yōu)良材料原型，是剛性的，足以滿足重復(fù)性設(shè)計(jì)要求。在今后，我們打算使用折疊鈑金結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固耐用的。這種低成本的機(jī)器手將使用鈑金件，是這個(gè)方向的第一步。折疊金屬件制造精度不算太高，但校準(zhǔn)技術(shù)可以用來制造誤差的補(bǔ)償。其他技術(shù)來保持成本低，是為了避免使用定制件。零部件成本如前面所思所示。當(dāng)然還沒有包括在激光切割機(jī)的時(shí)間和裝配時(shí)間的費(fèi)用;激光切需要2.5小時(shí)，整體制作裝配一個(gè)手臂大約需要15個(gè)小時(shí)。4 系列規(guī)格機(jī)器手在近端四個(gè)自由度使用兼容的耦合關(guān)節(jié)。主要是提高安全性，讓手臂步進(jìn)電機(jī)即不能來回移動(dòng)，也可以使用力傳感器進(jìn)行測量。一個(gè)耦合連接如圖5所示。它主要是用類似的彈性聯(lián)軸器來連接27 2829。在關(guān)節(jié)處，電纜電路（1）通過軸承輸出連接在輸出軸上（2）。在絞盤上采用聚氨酯材料的管穿過。通過中間有兩個(gè)孔的絞盤，減少中間兩個(gè)板塊連接到輸出鏈路。 每孔含有聚氨酯管（3），這是在絞盤壓縮板和側(cè)孔之間的輸出鏈路。在圖5（右），絞盤（4）固定的，有外部力量（F）作用于他。這導(dǎo)致聚氨酯管（5）壓縮，而其他（6）擴(kuò)大。聚氨酯管最初預(yù)壓縮略大約為其最大可能的壓縮一半，他們將在絞盤上保持壓縮狀態(tài)。圖5。左，符合耦合任何外部作用；右，作用力導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)。圖6 通過其正常運(yùn)行范圍的70聚氨酯提供一些機(jī)械阻尼，從而使手臂動(dòng)作表現(xiàn)有些滯后，但有助于消除振蕩。當(dāng)然，彈簧也可以使用在這些位置。聚氨酯在連接方向上有4度左右的活動(dòng)范圍，這就要求有幾毫米的間隙。圖6顯示了在肘關(guān)節(jié)的耦合連接時(shí)剛度和滯后的關(guān)系。5 傳感器如前所述，近端四個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)主要是步進(jìn)電機(jī)嵌在底部和連接處。關(guān)于傳感器的一個(gè)關(guān)鍵方面是步進(jìn)電機(jī)內(nèi)在穩(wěn)定性，首先這有一個(gè)假設(shè)：步進(jìn)電機(jī)不滑，步進(jìn)電機(jī)可以接受精確的輸入并給出準(zhǔn)確位移，當(dāng)然這需要直接使用光學(xué)編碼器測量角度。通過與標(biāo)準(zhǔn)元素的偏轉(zhuǎn)的對(duì)比，從而可以衡量的電機(jī)位置和關(guān)節(jié)角度的差異，從而得以判斷。電機(jī)步進(jìn)數(shù)的整合主要由嵌入式微控制器控制。當(dāng)傳感器開始上電，從而步進(jìn)電機(jī)作為一個(gè)相對(duì)位置開始初始化。關(guān)于對(duì)估計(jì)的位置偏移，使與絕對(duì)聯(lián)合角編碼器比較（索引），機(jī)器人帶動(dòng)指數(shù)脈沖，并保持固定。步進(jìn)計(jì)算時(shí)，機(jī)器手是固定的，此時(shí)所有編碼器指數(shù)脈沖可以被視為一個(gè)靜態(tài)偏移，這時(shí)允許力傳感校準(zhǔn)，當(dāng)然排除滯后或塑性變形的影響。遠(yuǎn)端三個(gè)自由度采用Robotis Dynamixel，RX - 64舵機(jī)，它有一個(gè)內(nèi)部300度的使用范圍。電位器電壓由伺服內(nèi)部采樣。為了簡化操縱布線，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服系統(tǒng)共用一個(gè)共同的RS-485總線。傳感器采樣和驅(qū)動(dòng)器在100赫茲下工作。在未來，初始靜態(tài)姿態(tài)估計(jì)由加速度計(jì)提供30，使新一代安全軌跡到達(dá)編碼器索引脈沖。6 性能ARM的性能主要通過幾個(gè)指標(biāo)來表現(xiàn)。閉環(huán)重復(fù)性，測試移動(dòng)交替之間的位置誤差和工作區(qū)周圍的八個(gè)點(diǎn)。如圖7所示，手臂的位置被記錄后，它返回然后在次前往那個(gè)位置，光電跟蹤系統(tǒng)測量位置的重復(fù)性。 編碼器記錄檢測0.036度的變化，對(duì)應(yīng)到機(jī)械手上可以檢測到0.64mm的變化。步進(jìn)電機(jī)可以在控制下實(shí)現(xiàn)末端0.52毫米變化。向下移動(dòng)機(jī)械手,采用有效的齒輪比和較短的距離卡盤可以使電機(jī)可以完成更精細(xì)的連續(xù)動(dòng)作。有效載荷是衡量慢慢地增加重量直到步進(jìn)滑動(dòng)時(shí)最壞情況。最大速度由系統(tǒng)控制機(jī)械手完全伸出向上移動(dòng)最高速率，同時(shí)觀察光電跟蹤系統(tǒng)的速度。這些實(shí)驗(yàn)證明最大有效載荷為2.0公斤，最大速度1.5米/秒。由于編碼器的能力，可以進(jìn)行很小的位移，力傳感可以相當(dāng)準(zhǔn)確地完成測量位移。 圖7可重復(fù)性的測試結(jié)果在工作區(qū)內(nèi)反復(fù)移動(dòng)機(jī)器人之間的位置和8個(gè)地點(diǎn)相距甚遠(yuǎn)。此圖顯示了每個(gè)來回后到終點(diǎn)位置相應(yīng)的位置，由一個(gè)光電跟蹤系統(tǒng)測量。測量精度為0.1毫米。7 控制和軟件機(jī)械手的控制使用的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)：基于空間的PID閉環(huán)控制，使用聯(lián)合編碼。在笛卡爾坐標(biāo)系下的控制使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的OROCOS-KDL庫31聯(lián)合控制。采用C+進(jìn)行零空間控制數(shù)值計(jì)算，32。一些連接由于重型電機(jī)的位置更接近地面。線性前饋項(xiàng)被添加到關(guān)節(jié)空間控制器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算。在Linux下采用系統(tǒng)集成和可視化機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）33，以紓緩調(diào)試。 ROS的支持熱插拔的軟件模塊，和信息導(dǎo)致設(shè)置同行插入和刪除數(shù)據(jù)連接。因此，這是可以輕松地交換基本控制器，以支持附加功能，例如，改善力傳感或模擬遵守。本文中使用的所有軟件和固件作為BSD許可的開源軟件：http:/stanford-ros-pkg.googlecode.com以下展示機(jī)器人的能力，執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)，我們創(chuàng)建了一個(gè)低成本的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)34中描述的類似。結(jié)構(gòu)緊湊，采用價(jià)格低廉的USB設(shè)備還使用MEMS慣性傳感器和磁力計(jì)貼。圖8 每個(gè)機(jī)器人執(zhí)行器的主要類型的反應(yīng)。8 應(yīng)用要探索現(xiàn)實(shí)世界中使用的可行性機(jī)械手，我們創(chuàng)建了一個(gè)演示應(yīng)用程序來烹飪煎餅。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，機(jī)械手遠(yuǎn)端與材料連接的組成鍋鏟和勺子。機(jī)器手通過軌跡移動(dòng)，挖出一勺煎餅面糊，倒入兩個(gè)煎餅，翻轉(zhuǎn)他們，并最終沉積在板（圖11）。關(guān)鍵位置信息將被記錄。機(jī)械手遵循必要的操作特性以簡化必要的編程：為了獲得可靠的自主完成任務(wù)，聯(lián)合線性空間插值移動(dòng)設(shè)定與控制是必要的，在本文提供的視頻顯示。在刮操作過程中，鍋鏟和燒烤表面保持接觸，憑借與遵守鍋鏟相結(jié)合的一系列彈性的關(guān)節(jié)。當(dāng)然這只是一個(gè)結(jié)果，既不是高帶寬的控制，也不需要為了避免末端效應(yīng)采用準(zhǔn)確的力/力矩傳感器 。圖9 遙控機(jī)器人的軀干采用低成本的MEMS慣性傳感器圖10 通過遙玩國際象棋圖11。示范任務(wù)：煎餅（見視頻）9結(jié)論與展望9.1結(jié)論我們已經(jīng)提出了一個(gè)低成本的機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)的操縱研究。我們準(zhǔn)備工作空間、同步帶、一個(gè)零背隙由電纜驅(qū)動(dòng)電路減速機(jī)。在電機(jī)的選擇上，我們用步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)樗麄兙哂械娃D(zhuǎn)速高扭矩，沒有使用無刷或有刷交流電機(jī)。機(jī)器人設(shè)想的目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境在典型的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的交互在家中或工作場所。在這個(gè)在設(shè)計(jì)中被權(quán)衡，其中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮遵守內(nèi)在的機(jī)械安全。本設(shè)計(jì)對(duì)所描述的成本控制權(quán)衡作出了很大努力，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，我們建議可以通過機(jī)器人的速度上控制，這將對(duì)典型的家庭和工作場所有很大的影響。9.2今后的工作我們打算繼續(xù)將簡化機(jī)制引入，以實(shí)現(xiàn)低成本的目標(biāo)生產(chǎn)合理的高性能機(jī)器人。我們打算繼續(xù)探索低成本的制造技術(shù)功能部件，并期待許多采用更多用低成本金屬技術(shù)，允許快速裝配和維修方便，以及減輕重量和增加剛度。REFERENCES1 C. 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Hsu摘要本文對(duì)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床提出了一種新的測量裝置和相應(yīng)的精確度測試的方法。這種裝置名為探頭球，包括一個(gè)三維探頭，一個(gè)延長塊和一方帶有測量頭的底板。三維探頭有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)錐度，并有能力完成三自由度位移測量。延長塊的自由端有一個(gè)插口。一個(gè)永磁體集成在插口上以致于延長塊和測量球可在磁力作用下連接在一起。在安裝完探頭球設(shè)備以后，五軸機(jī)床的該運(yùn)動(dòng)鏈就關(guān)閉了。為了5軸機(jī)床測量的準(zhǔn)確性，球測試表面曲線被定義為工具的路徑。該工具的取向是指在表面正常的方向。該球形表面的中心恰好測試檢測球的中心。隨著這條路徑和方向投入數(shù)控控制器，三維探頭相對(duì)測量球的球形測試表面動(dòng)作。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的整體定位誤差被三維測量探頭檢測出來，用來證明5軸機(jī)床的容積準(zhǔn)確性。1 引言五軸數(shù)控機(jī)床廣泛用于加工工件的自由曲面。除了傳統(tǒng)的三線性定位軸， 5軸機(jī)床一般還有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。所有五個(gè)軸是可以同時(shí)控制來最優(yōu)化調(diào)整刀具對(duì)工件表面的路徑。5軸機(jī)床的技術(shù)優(yōu)勢的包括更高的金屬去除率，改善表面光潔度，并顯著降低切削時(shí)間。在過去幾十年里，許多工作的重點(diǎn)放在幾何誤差或熱變形對(duì)機(jī)床精度的影響上。許多測量設(shè)備已開發(fā)來衡量個(gè)別的錯(cuò)誤部分，并把一個(gè)多軸機(jī)床作為一個(gè)整體來測精度。最強(qiáng)大，最節(jié)省時(shí)間的設(shè)備是六自由度激光測量裝置，可用于在同一時(shí)間測量直線運(yùn)動(dòng)馬車六個(gè)運(yùn)動(dòng)誤差的組成部分。此外，雙球桿（ DBB ）常被用來確定了飼料驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差，如增益不匹配，空轉(zhuǎn)和粘滑。為了擴(kuò)大DBB測量范圍，所謂的激光球桿已經(jīng)開發(fā)為能測量三維工作空間定位誤差的裝置。另一方面，網(wǎng)格編碼特別適合于測量銳角轉(zhuǎn)角的動(dòng)態(tài)路徑錯(cuò)誤。雖然這些測量裝置已成功地用來測量三軸數(shù)控機(jī)床精度，沒有測量裝置可用來測試五軸數(shù)控機(jī)床體積準(zhǔn)確性。本文提出了一種新的測量裝置，探頭球，即能夠測量5軸機(jī)床的總體定位誤差。2 探頭測量裝置2.1設(shè)計(jì)特點(diǎn)探頭球如圖1所示。它包括一個(gè)三維探頭，一個(gè)延長塊和一方帶有測量頭的底板。三維探頭有標(biāo)準(zhǔn)錐度的刀柄，并能夠測量三自由度偏差。三維探頭采用光電編碼器的位移傳感器。其他位移傳感器，如線性可變位移傳感器（LVDT型 ）或電容傳感器也是可以的。伸長桿的自由端有個(gè)孔，它和測量球形成了球窩接頭。一個(gè)永磁體和孔結(jié)合在一起使伸長桿和測量球在磁力的作用下連接在了一起。底板被固定在5軸機(jī)床的轉(zhuǎn)盤上用來調(diào)整方向。圖1 探頭球測量裝置為了測量工具和工件之間的定位誤差，探頭安在刀架上，底板固定在轉(zhuǎn)盤上。在安裝完探頭球測量裝置，該5軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈就因此關(guān)閉了。測試路徑可能是球測試表面的任何曲線。刀具方向是以曲面法線的方向定義的。該球形測試表面的中心和測量球的中心重合。球面半徑為三維探頭球的原點(diǎn)和測量球中心之間的距離。伸長桿根據(jù)測試范圍有不同的長度。把方向和路徑輸入到數(shù)控控制器，三維探頭就以測量球?yàn)橹行脑谇蛐螠y試表面上運(yùn)動(dòng)?？傮w定位誤差就這樣被三維探頭球測量出來了。由于球面對(duì)稱性質(zhì)，它有利于裝入測量球，因此，測試表面的中心和轉(zhuǎn)盤軸就有一個(gè)偏差?？紤]到這點(diǎn)，在測量觀察中測量球應(yīng)該跟底盤一起旋轉(zhuǎn)，這樣5軸才能同時(shí)被驅(qū)動(dòng)。因此，測量誤差包括了來自所有軸的誤差。測量球的偏移和伸長桿的長度決定了驅(qū)動(dòng)軸的測試范圍。為了確保探頭球裝置本身并不是一個(gè)部分誤差來源，有必要在它的使用之前進(jìn)行精確的校準(zhǔn)。這些程序包括初始化三維探頭傳感器和在坐標(biāo)測量機(jī)上對(duì)測量球準(zhǔn)確定位測試。在精度測試中，三維探頭的輸出代表了測量球相對(duì)于球形測試表面的偏差。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，探頭球裝置并不能在工件坐標(biāo)系中測量定位誤差，雖然似乎能。2.2測試路徑如上文所說，測試表面可能是球形面上的任何曲面。圖2表示了一些測試路徑。路徑A沿著測試表面的經(jīng)線。在這個(gè)路徑上，只有A,Y和Z軸動(dòng)了。A軸是唯一的主動(dòng)軸，而Y和Z軸是從動(dòng)軸。換句話說，A軸動(dòng)了，Y和Z軸才跟著動(dòng)的。這個(gè)路徑適合測試A軸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差。路徑C沿著球形測試表面的赤道方向。這個(gè)情況下，C軸是主動(dòng)軸，X和Z為從動(dòng)軸。同樣，路徑C適合測C軸的誤差。路徑F是測試球形表面的螺旋樣曲線，它涵蓋整個(gè)球形體積。所有機(jī)器軸可同時(shí)在這種情況下驅(qū)動(dòng)。測量誤差提供足夠的信息來描述目標(biāo)5軸機(jī)床的總體體積誤差。路徑S是上球面測試表面上的一個(gè)圓圈。在這種情況下，所有軸往復(fù)驅(qū)動(dòng)。因此路徑S很適合測試旋轉(zhuǎn)A和C軸的動(dòng)態(tài)誤差。圖2 測試路徑測量球有很多用途。如果測總體定位誤差，那么選路徑F。如果它是用來識(shí)別或估算單軸錯(cuò)誤組成部分，最好是選擇簡單的測試路徑，如路徑A或C ，因?yàn)橹挥杏邢薜闹饕M成部分影響測量結(jié)果。下面，將得出測試路徑和目標(biāo)5軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)之間的詳細(xì)關(guān)系。3 運(yùn)動(dòng)變換由于測試路徑是在工件坐標(biāo)系中，數(shù)控輸入三維探頭球的準(zhǔn)確性測量與5軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)是獨(dú)立的。該機(jī)器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對(duì)X和Y表兩自由度一體化，如圖3所示。坐標(biāo)系如圖4所示。圖3 5軸銑床圖4 5軸銑床坐標(biāo)系機(jī)器坐標(biāo)系到工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變是傳統(tǒng)所謂的先進(jìn)轉(zhuǎn)變。另一方面，工件坐標(biāo)系到機(jī)器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變稱為落后轉(zhuǎn)變。5軸機(jī)床的先進(jìn)轉(zhuǎn)變總是可以解決的而且只有一個(gè)解決辦法。相反，考慮到旋轉(zhuǎn)軸的定位落后轉(zhuǎn)變有兩種解決方法。下面，在均勻變換矩陣的幫助下我們將得出機(jī)器坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的關(guān)系。假設(shè)(Xm,Ym,Zm)為機(jī)器坐標(biāo)系中的一點(diǎn)，而這點(diǎn)在工件坐標(biāo)系這坐標(biāo)為(Xw,Yw,Zw)。為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)轉(zhuǎn)變，首先機(jī)器坐標(biāo)系的原點(diǎn)以矢量(X1,Y1,Z1)移動(dòng)到兩轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)上，接著A軸以a轉(zhuǎn)動(dòng)C軸以c轉(zhuǎn)動(dòng)使轉(zhuǎn)盤垂直。最后，機(jī)床坐標(biāo)系以矢量(X0,Y0,Z0)移動(dòng)到工件坐標(biāo)系上。變換過程可表示為因?yàn)榭倳?huì)有兩種解決辦法后，落后的轉(zhuǎn)變，是必要的戰(zhàn)略選擇一個(gè)合適的一個(gè)。一個(gè)簡單的標(biāo)準(zhǔn)是推動(dòng)能源需要。一個(gè)與移動(dòng)距離較小，將被選中。當(dāng)然碰撞的可能性，必須予以考慮。4 測試路徑和誤差模型4.1在工件坐標(biāo)系中的測試路徑如上所述，探頭球設(shè)備使用球形測試表面上的任何路徑測試5軸機(jī)床的精度，下面將得出工件坐標(biāo)系中測試路徑的描述。圖5表示了定義路徑F的參數(shù)，為了盡量減少測試時(shí)間，路徑F上升角度設(shè)定為90 大意是，該工具到達(dá)頂端的位置后，C軸旋轉(zhuǎn)360 。工件坐標(biāo)系中的路徑描述是這樣的：其中Rw是球形測試表面的半徑，是圓形角。類似的，別的上升角的路徑描述也能同樣得到。 圖5路徑F的參數(shù)4.2在軸坐標(biāo)系中的測試路徑由于落后的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變，工件坐標(biāo)系的測試路徑和方向轉(zhuǎn)化為機(jī)器或軸坐標(biāo)。圖 6和圖7顯示軸命令值路徑S和f。在案件路徑F中，旋轉(zhuǎn)軸C和A線性驅(qū)動(dòng)，而其他軸之后從動(dòng)保持運(yùn)動(dòng)鏈關(guān)閉。在路徑S上，所有的軸來回動(dòng)，最后回到起點(diǎn)。反轉(zhuǎn)點(diǎn)的速度可以查明清楚。正如人們所知的雙球桿測量技術(shù)，這些速度反轉(zhuǎn)點(diǎn)提供必要的條件，顯示動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤，如粘滑，空轉(zhuǎn)和反彈。圖8中，速度反轉(zhuǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在A軸的180和C軸的120和210。可以看出，有些軸也有其速度扭轉(zhuǎn)在同一時(shí)間，例如軸C和X。你還可以使用雙球桿查明動(dòng)態(tài)誤差的線性軸頭。從探頭球裝置的測試結(jié)果，可確定以后旋轉(zhuǎn)軸A或C的動(dòng)態(tài)誤差。圖6 測試路徑F命令值圖7 測試路徑S命令值4.3誤差模型解釋探頭球的測量結(jié)果，有必要建立一個(gè)探頭球測量的誤差模型。模型描述的錯(cuò)誤之間的關(guān)系總體定位誤差測量的誤差來源的是5軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈每個(gè)組成部分。在同質(zhì)變換矩陣的方法為這一理論的任務(wù)提供了一個(gè)很好的方法。幾何組成部分可分為兩類。第一個(gè)是與一個(gè)不正確的運(yùn)動(dòng)伺服控制軸。第二個(gè)是有關(guān)錯(cuò)誤的鏈接組成部分。對(duì)于每一個(gè)線性或旋轉(zhuǎn)軸，有一般6運(yùn)動(dòng)中的錯(cuò)誤熱媒。錯(cuò)誤的鏈接部分包括軸垂直度誤差和偏移誤差塊部件，如主軸和旋轉(zhuǎn)塊。坐標(biāo)框架中定義圖3 。錯(cuò)誤模型可通過連續(xù)的產(chǎn)品的所有HTMs每個(gè)運(yùn)動(dòng)的組成部分。工件坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的關(guān)系是rTw=rTyyTxxTaaTccTttTw其中指數(shù)w, t, c, a, x, y, r分別代表工件，轉(zhuǎn)盤，C軸，A軸， X軸， Y軸和參考系的縮寫。同樣，探頭坐標(biāo)系和參考坐標(biāo)系的關(guān)系是rTp=rTzzTssThhTp其中p, h, s, z分別代表探頭，刀柄，主軸塊和Z軸的縮寫。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖8表示用三維探頭球測量目標(biāo)5軸銑床的精度。圖9，10，11表示幾個(gè)測試結(jié)果。圖10顯示靜力試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)預(yù)先確定好的點(diǎn)位置確定后進(jìn)行誤差采樣。圖11和圖12顯示動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)軸按輸入的進(jìn)給量運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行誤差采樣。由于A軸不正常的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)，隨著進(jìn)給速度的增加，Y方向誤差急劇增加。圖8 探頭球裝置在測量圖9 路徑F的靜態(tài)測量誤差圖10 進(jìn)給量為30 mm/min時(shí)，路徑F的動(dòng)態(tài)測量誤差圖11 進(jìn)給量為150 mm/min時(shí)，路徑F的動(dòng)態(tài)測量誤差在另一項(xiàng)研究開展旨在確定和估計(jì)所有的誤差項(xiàng)，三維探頭球的測量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，5軸銑床的主要誤差來源是兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差。6 總結(jié)本文提出了一種新的測量裝置稱為三維探頭球。它能夠測量五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的總體定位誤差。誤差測量的原則是閉鏈測量。在測試的準(zhǔn)確性，三維探頭球目標(biāo)5軸機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈的關(guān)閉。由于運(yùn)動(dòng)的限制，適合測試路徑的路徑為球形測試表面。測量定位誤差是指在調(diào)查坐標(biāo)系和可轉(zhuǎn)化為參考坐標(biāo)系，目標(biāo)5軸機(jī)床預(yù)測的準(zhǔn)確性。隨著三維探頭球可用，進(jìn)一步的調(diào)查，目的是提高機(jī)床的精度，包括估計(jì)和補(bǔ)償?shù)膸缀握`差。References1 E.E. 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