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(guò)程中的重點(diǎn)，一般在進(jìn)行設計的過(guò)程中都會(huì )將設計重點(diǎn)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(jìn)行了詳細的介紹。

　　關(guān)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(gè)剛性設計都是在設計過(guò)程中的重點(diǎn)，因此是整個(gè)機電一體化產(chǎn)品中不可缺少的一部分，同時(shí)作為機械學(xué)科和電子學(xué)科的交叉學(xué)科在整個(gè)設計過(guò)程中有著(zhù)復雜化的特點(diǎn)。

　　2.機器人機械系統的設計特點(diǎn)

　　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(shí)現機器人各種功能運動(dòng)和操作任務(wù)的被控對象。

　　它與機器人控制系統、感知系統等構成一個(gè)緊密聯(lián)系的整體。

　　機器人機械系統的性能優(yōu)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(guān)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(dòng)性和靈活性，能在復雜條件下滿(mǎn)足各種各樣的工作要求和作業(yè)任務(wù)，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(zhù)本質(zhì)的差別。

　　其機械系統的設計具有如下特點(diǎn)：

　　(1)復雜性機器人的機械結構總的來(lái)看是相當于一系列懸臂桿件通過(guò)關(guān)節串連起來(lái)的開(kāi)式鏈。

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

　　(2)依賴(lài)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(gè)緊密體，因此機械系統的總體方案、結構方案依賴(lài)于控制系統、感知系統的方式、方法及手段的確立。

　　(3)協(xié)調性機器人機械系統的形式、實(shí)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(jìn)行不斷的協(xié)調才能進(jìn)行。

　　3.常見(jiàn)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(gè)過(guò)程：一是概念設計，即根據定義的任務(wù)來(lái)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(jìn)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(guò)程的評價(jià)若不通過(guò)，則都將返回到該過(guò)程的初始點(diǎn)或上一過(guò)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(yōu)化，同時(shí)將使設計過(guò)程變得漫長(cháng)。

　　3.2機械系統并行設計的模式

　　所謂并行設計就是指在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設計階段即考慮產(chǎn)品生命周期中工藝規劃、制造、裝配、測試、維護等其它環(huán)節的影響，通過(guò)各環(huán)節的并行集成，以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。

　　對于機電一體化產(chǎn)品的機器人來(lái)說(shuō)，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，機器人機械系統的設計需要機械運動(dòng)與傳動(dòng)、控制理論與方法、電子電氣和計算機應用技術(shù)等學(xué)科相互交叉和滲透的技術(shù)支持。

　　針對機器人系統的設計要求和特點(diǎn)，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(lǐng)域技術(shù)分析、綜合與評價(jià)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(lǐng)域技術(shù)分析對應于一般意義上的機械設計的概念設計過(guò)程，綜合評價(jià)與系統設計對應于具體設計過(guò)程。

　　由于機器人的運動(dòng)和傳動(dòng)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(shù)、動(dòng)力學(xué)參數辨識、振動(dòng)與防治、關(guān)節柔性等方面的內容，因此需要機構運動(dòng)、傳動(dòng)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(shù)支撐，同時(shí)，機器人的運動(dòng)與傳動(dòng)形式也一定程度上決定了上述支撐技術(shù)系統的方式和方法。

　　所以，運動(dòng)方案和傳動(dòng)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(xié)作關(guān)系。

　　這樣才能達到機械系統方案與其它系統方案的協(xié)調、有效、可靠與快捷設計的實(shí)現。

　　系統的綜合是對機器人機械系統各組成部分的總體協(xié)調，同時(shí)對設計方案進(jìn)行評價(jià)。

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

　　4.兩輪移動(dòng)式倒立擺機器人的運動(dòng)模型

　　二級倒立擺系統是一個(gè)快速響應系統，要求執行器能根據控制量變化快速做出動(dòng)作系統主要由車(chē)輪車(chē)廂擺桿防震輪組成，2個(gè)車(chē)輪的軸線(xiàn)在同一直線(xiàn)上，分別由2臺直流力矩電機直接驅動(dòng)，在車(chē)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(wú)線(xiàn)傳輸模塊等，控制小車(chē)的自平衡，測量左右車(chē)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(guò)它們可以測量和計算出小車(chē)的狀態(tài)參數，其中，車(chē)體傾角速度分別由傾角傳感器陀螺儀直接測量，左右車(chē)輪旋轉角度可由編碼器測量，通過(guò)微分可以計算左右車(chē)輪的角速度，進(jìn)而推算出左右車(chē)輪的行駛速度，車(chē)體的前進(jìn)速度，小車(chē)在地面的旋轉角速度。

　　輪式機器人因其具有良好的移動(dòng)性能一直備受關(guān)注，國內外許多學(xué)者從理論方面研究了它的運動(dòng)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(shí)也是一個(gè)倒立擺系統，對它的運動(dòng)進(jìn)行控制時(shí)需要保持系統的平衡狀態(tài)機器人跟蹤目標，首先要由視覺(jué)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(wù)，這些信息是做出正確決策的基礎視覺(jué)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(dòng)倒立擺機器人還沒(méi)有裝備視覺(jué)系統，為了檢測倒立擺機器人跟蹤能力，模擬了一個(gè)虛擬的跟蹤目標，PC機通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊不斷將目標位置發(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(guò)自身的傳感器獲取。

　　5.結束語(yǔ)

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

　　參考文獻：

　　[1]宋昌統.兩輪移動(dòng)式倒立擺機器人系統結構及模型設計[J].鎮江高專(zhuān)學(xué)報2014(1).

　　[2]張葛.基于運動(dòng)控制器的微創(chuàng )手術(shù)系統設計與實(shí)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(xié)同設計平臺設計與實(shí)現[J].計算機應用與軟件

　　機械系統人機界面優(yōu)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(jià)是設計人機系統不可回避的問(wèn)題之一, 根據人機界面設計準則，確定人機界面的優(yōu)化設定變量以人機界面的評價(jià)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(gè)人機界面中的匹配優(yōu)度作為單個(gè)目標函數，以人機界面各元件的幾個(gè)位置可布置區域作為約束條件，提出機械系統人機界面優(yōu)化設計方案將優(yōu)化設計理論和方法應用與機械系統人機界面設計當中。

　　[關(guān)鍵詞] 機械系統 人機界面 優(yōu)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(yōu)化方法仍不完善。

　　由于人機界面設計中個(gè)元部件幾何未知的布置非常重要。

　　所以?xún)?yōu)化設計機械系統人機界面至關(guān)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(dòng)器官的的界面，人機系統與環(huán)境之間的界面。

　　機器的構成有其自身的規律，操作環(huán)境或生活環(huán)境也會(huì )因個(gè)各種因素在空間和時(shí)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(shí)的外界環(huán)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(fā)揮人的因素有一定可塑性的特點(diǎn)，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(shí)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(chēng)為硬件，而將人與計算機組成的人機界面稱(chēng)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(xué)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(diǎn)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(jué)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(huán)，其目的是根據系統工作要求，使人機系統可靠、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(diǎn)。

　　但是，功能分配的基本策略則應根據實(shí)際情況把系統的操作看作一個(gè)整體，同時(shí)也應注意為操作人員創(chuàng )造一個(gè)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(fā)生作用的交界面稱(chēng)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�？梢苑殖蓹C器顯示器和人的感覺(jué)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(shí)現的(見(jiàn)圖)。

　　人的感覺(jué)器官接收已轉換成某種標志或圖像形式的機器加工過(guò)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(jìn)行加工、解釋,轉化為實(shí)際狀態(tài)的信息,并把它與預期的結果進(jìn)行比較、分析、作出決策,發(fā)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(jìn)行加工，并通過(guò)顯示器將機器加工過(guò)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(guān)的信息。

　　顯示器一般可分為視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和嗅覺(jué)等顯示器。

　　控制器：控制器是人機界面中另一個(gè)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(jiàn)的控制器是手、足控制器和言語(yǔ)控制器。

　　三、機械系統人機界面優(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，也采取了系統工程、控制理論、統計學(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)境要素間復雜的關(guān)系問(wèn)題。

　　這些方法中包括：測量人體各部分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數據：調查、詢(xún)問(wèn)或直接觀(guān)察人在作業(yè)時(shí)的行為和反應特征：對時(shí)間和動(dòng)作的分析研究;測量人在作業(yè)前后以及作業(yè)過(guò)程中的心理狀態(tài)和各種生理指標的動(dòng)態(tài)變化;觀(guān)察和分析作業(yè)過(guò)程和工藝流程中存在的問(wèn)題;分析差錯和意外事故的原因：進(jìn)行模型實(shí)驗或用計算機進(jìn)行模擬實(shí)驗：運用數字和統計學(xué)的方法找出各變數之間的相互關(guān)系，以便從中得出正確的結論或發(fā)展成有關(guān)理論。

　　目前常育的研究方法有：

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

　　實(shí)測法：是一種借助于機器設備進(jìn)行實(shí)際測量的方法。

　　例如對人體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數的測量對系統參數及作業(yè)環(huán)境參數的測量等。

　　b實(shí)驗法：它是當實(shí)測法受到限制時(shí)采用的一種研究方法，一般在實(shí)驗室進(jìn)行.但也可以在作業(yè)現場(chǎng)進(jìn)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(shí)，一股在實(shí)驗室進(jìn)行。

　　c模擬和模型實(shí)驗法：由于機器系統一般比較復雜，因而在進(jìn)行人機系統研究時(shí)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(guān)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(shí)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(xué)模型進(jìn)行仿真性實(shí)驗研究，如人體動(dòng)作分析仿真等。

　　在電子計算機的推動(dòng)下，最優(yōu)化理論與方法在經(jīng)濟計劃、工程設計、生產(chǎn)管理、交通運輸等方面得到了廣泛應用，成為一門(mén)十分活躍的學(xué)科。

　　將優(yōu)化設計理論和方法應用于機械產(chǎn)品結構設計的范疇來(lái)說(shuō)，大致可分為結構參數優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。

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

　　通過(guò)尋找最佳參數可以直接得到好的設計，它是在已定結構方案、零部件結構形狀和選擇材料下完成參數設計的優(yōu)化。

　　形狀優(yōu)化是在結構類(lèi)型、材料和布局已定條件下，對結構幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，包括二維和三維的形狀優(yōu)化及與形狀有關(guān)的參數優(yōu)化，這是優(yōu)化設計的深化。

　　而拓撲優(yōu)化是對結構中的構件布局和節點(diǎn)的聯(lián)接關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，即在外部設計要求下首先要從結構方案、類(lèi)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 )新的概念設計。

　　從目前研究和應用的成熟程度來(lái)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據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(jué)與運動(dòng)信息分析法、動(dòng)作負荷分析 法、頻率分析法、危象分析法和相關(guān)分析法。

　　f調查研究法：人機工程學(xué)專(zhuān)家采用各種調查研究方法來(lái)抽樣分析操作者或使用者的意見(jiàn)和建議。

　　參 考 文 獻

　　[1]許忠華.火電廠(chǎng)控制室顯控系統人因評價(jià)研究與應用 2007

　　[2]林建.機械系統中人機操作界面的評價(jià) 2001

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