外文翻譯--設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)低成本四自由度機(jī)器人手臂 中文版.doc

1設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)低成本四自由度機(jī)器人手臂作者：AshrafElfasakhany,EduardoYanez,KarenBaylon,RicardoSalgado接收于2011年10月19日，2011年11月7日修訂，2011年11月15日接受文摘：這項(xiàng)工作的主要焦點(diǎn)是設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和實(shí)施低成本、強(qiáng)控制、有競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)器人手臂。設(shè)計(jì)四自由度和才華橫溢的機(jī)器人手臂盡快實(shí)現(xiàn)精確簡(jiǎn)單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個(gè)移動(dòng)平臺(tái),作為一個(gè)助理工業(yè)的勞動(dòng)力。機(jī)器人手臂配備有伺服電機(jī)來(lái)做手臂之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動(dòng)作。伺服電機(jī)包括編碼器,以至于沒(méi)有控制器實(shí)現(xiàn)。我們控制機(jī)器人使用的虛擬儀器,它執(zhí)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和串行通信的適當(dāng)?shù)慕嵌葘?duì)一個(gè)單片機(jī),驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的功能修改位置、速度和加速度。測(cè)試和驗(yàn)證的機(jī)器人手臂結(jié)果顯示它正常工作。關(guān)鍵詞：機(jī)器人手臂,低成本，設(shè)計(jì)，驗(yàn)證，四自由度,伺服馬達(dá),Arduino機(jī)器人控制，虛擬儀器機(jī)器人控制1.介紹機(jī)器人術(shù)語(yǔ)實(shí)際上是定義為研究、設(shè)計(jì)和使用機(jī)器人系統(tǒng)制造1。機(jī)器人通常用于執(zhí)行不安全的,危險(xiǎn)的,高度重復(fù),和不愉快的任務(wù)。他們有很多不同的功能,如物料搬運(yùn)、裝配、電弧焊、電阻焊、機(jī)床裝載和卸載功能、繪畫(huà)、噴涂等。主要有兩種不同的機(jī)器人:服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人運(yùn)行的半或全自主執(zhí)行服務(wù)有用的福祉人類(lèi)和設(shè)備,不包括制造業(yè)務(wù)2。工業(yè)機(jī)器人,另一方面,是由ISO正式定義為可編程在三個(gè)或三個(gè)以上軸的自動(dòng)控制和多功能的機(jī)械手1。工業(yè)機(jī)器人的目的是實(shí)現(xiàn)材料、零件、工具或?qū)ｉT(mén)的設(shè)備通過(guò)變量編程動(dòng)作來(lái)執(zhí)行各種任務(wù)。一個(gè)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)不但包括工業(yè)機(jī)器人而且包括任何設(shè)備和/或傳感器需要機(jī)器人來(lái)執(zhí)行其任務(wù)以及測(cè)序或監(jiān)控通信接口。2007年世界市場(chǎng)增長(zhǎng)了3%,其中大約有114000個(gè)新安裝的工業(yè)機(jī)器人。2007年底約有一百萬(wàn)工業(yè)機(jī)器人在使用中,相比之下,估計(jì)有50000服務(wù)機(jī)器人對(duì)工業(yè)使用3。由于使用的工業(yè)機(jī)器人手臂的增加,一個(gè)進(jìn)化的話題開(kāi)始試圖模仿人類(lèi)的動(dòng)作在一個(gè)細(xì)節(jié)模式。例如一群學(xué)生在韓國(guó)做了一個(gè)機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)創(chuàng)新,考慮到跳舞的手,舉重,中國(guó)書(shū)法寫(xiě)作和顏色分類(lèi)4。另一組工程師在美國(guó)發(fā)展八自由度機(jī)器人手臂。這個(gè)機(jī)器人能夠掌握很多形狀對(duì)象從一筆一個(gè)球和模擬人類(lèi)的手25。在太空中,航天飛機(jī)遠(yuǎn)程控制器系統(tǒng),稱(chēng)為SSRMS或創(chuàng)意,和它的繼任者是例子,多自由度機(jī)器人手臂,已經(jīng)被用來(lái)執(zhí)行各種任務(wù),如檢查航天飛機(jī)的使用的一種專(zhuān)門(mén)部署與相機(jī)和傳感器連接在末端的執(zhí)行器和衛(wèi)星部署和從航天飛機(jī)的貨艙檢索策略6。在墨西哥,科學(xué)家有望設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)許多機(jī)器人手臂,墨西哥政府估計(jì),在墨西哥大約有11000個(gè)機(jī)器人手臂用在不同的工業(yè)應(yīng)用。然而,專(zhuān)家認(rèn)為,最奢華的機(jī)器人手臂不僅是高質(zhì)量的,而且要準(zhǔn)確、可重復(fù)性和粗短的成本。大多數(shù)機(jī)器人設(shè)置為一個(gè)操作的教和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下,一個(gè)訓(xùn)練有素的操作者(程序員)通常使用便攜式控制裝置(一個(gè)示教器)教機(jī)器人其任務(wù)手動(dòng)。機(jī)器人的速度在這些編程會(huì)話是緩慢的。目前的工作是一個(gè)兩階段的項(xiàng)目的一部分,這就需要一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人能夠運(yùn)輸工具從庫(kù)房到工業(yè)電解槽。在這個(gè)階段,該項(xiàng)目開(kāi)展的科技大學(xué),墨西哥蒙特雷,主要關(guān)注的是設(shè)計(jì),發(fā)展和實(shí)施一個(gè)工業(yè)機(jī)器人手臂粗短的成本、準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。設(shè)計(jì)四自由度和才華橫溢的機(jī)器人手臂盡快實(shí)現(xiàn)精確簡(jiǎn)單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個(gè)移動(dòng)平臺(tái),作為一個(gè)助理工業(yè)的勞動(dòng)力。2.機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂是基于機(jī)器人機(jī)械手和一個(gè)人類(lèi)的手臂具有相似的功能6-8。這樣一個(gè)機(jī)械手的鏈接進(jìn)行連接接頭允許轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和鏈接的機(jī)械手被認(rèn)為形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈。業(yè)務(wù)結(jié)束的運(yùn)動(dòng)鏈機(jī)械手稱(chēng)為末端執(zhí)行器或結(jié)束臂工具，它類(lèi)似于人類(lèi)的手。圖1顯示了自由體對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)械臂。如圖所示,末端執(zhí)行器不包括在設(shè)計(jì)中，因?yàn)樯逃脢A具已被使用。這是因?yàn)?末端執(zhí)行器是一種最復(fù)雜的系統(tǒng)的部分,反過(guò)來(lái),比建造它更容易經(jīng)濟(jì)使用在商業(yè)中。圖2顯示了工作區(qū)域的機(jī)械手臂。這是典型的工作空間有四自由度(4自由度)機(jī)械手臂。機(jī)械設(shè)計(jì)僅限于4自由度主要是因?yàn)檫@樣一個(gè)設(shè)計(jì)允許最必要的運(yùn)動(dòng)和保持成本和復(fù)雜的機(jī)器人有競(jìng)爭(zhēng)力。因此,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)受到限制,旋轉(zhuǎn)完成約兩軸肩和周?chē)挥幸粋€(gè)在手肘和手腕,見(jiàn)圖1。機(jī)械臂關(guān)節(jié)通常由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)的選擇,因?yàn)樗鼈儼ň幋a器自動(dòng)提供反饋到汽車(chē)和相應(yīng)的調(diào)整位置。但是,這些汽車(chē)的缺點(diǎn)是,旋轉(zhuǎn)范圍小于180跨度,大大降低了胳膊達(dá)到的區(qū)域和可能的位置9。選擇伺服電機(jī)基于最大扭矩所需的結(jié)構(gòu)和可能的負(fù)載。在目前的研究中,這些材料用于結(jié)構(gòu)丙烯酸。3圖1：自由體的機(jī)器人手臂圖2：工作區(qū)域的機(jī)械手臂。圖3顯示了用于負(fù)荷計(jì)算力線圖。進(jìn)行的計(jì)算只對(duì)關(guān)節(jié)最大的負(fù)載,因?yàn)槠渌P(guān)節(jié)會(huì)有相同的運(yùn)動(dòng),即電動(dòng)機(jī)可以移動(dòng)鏈接沒(méi)有問(wèn)題。計(jì)算考慮了電動(dòng)機(jī)的重量,約50克,除了電動(dòng)機(jī)的重量在聯(lián)合B,因?yàn)樗M(jìn)行鏈接英航。圖4顯示了力圖在鏈接CB,其中包含關(guān)節(jié)(B和C)具有最高負(fù)荷(攜帶鏈接DC和ED)和計(jì)算進(jìn)行了如下。值用于計(jì)算轉(zhuǎn)矩：Wd=0.011kg(重量鏈接DE)Wc=0.030kg(重量鏈接CD)Wb=0.030kg(重量鏈接CB)L=1kg(負(fù)載)Cm=Dm=0.050kg(電動(dòng)機(jī)重量)LBC=0.14m(長(zhǎng)度鏈接BC)LCD=0.14m(長(zhǎng)度鏈接CD)LDE=0.05m(長(zhǎng)度鏈接DE)執(zhí)行力的總和在Y軸,使用負(fù)載如圖4,和解決為CY和CB,見(jiàn)方程(1)-(4)。類(lèi)似地,執(zhí)行時(shí)刻的總和在C點(diǎn),方程(5)和B點(diǎn),方程(6),得到扭矩在C和B,方程(7)、(8),分別為。4所選擇的伺服電機(jī),根據(jù)計(jì)算結(jié)果,是HextronikHX12K,扭矩280/盎司。這個(gè)電動(dòng)機(jī)是推薦的,因?yàn)樗绕渌魏蜗嗤?guī)格電動(dòng)機(jī)更便宜。因?yàn)槲覀冃枰嗟呐ぞ卦诼?lián)合B,見(jiàn)方程(8),我們使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)在B點(diǎn)符合轉(zhuǎn)矩要求；然而,一個(gè)電動(dòng)機(jī)對(duì)于其他關(guān)節(jié)是足夠的。使用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)聯(lián)合B是比使用一個(gè)560/盎司大的電動(dòng)機(jī)便宜很多。在圖5中的其他相關(guān)特征的電動(dòng)機(jī),他們可以在130毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)換60度并擁有47.9克。一旦最初尺寸的機(jī)器人手臂和電動(dòng)機(jī)被定義,設(shè)計(jì)進(jìn)行使用SolidWorks平臺(tái)；設(shè)計(jì)應(yīng)該仔細(xì)考慮亞克力板的厚度和其他每個(gè)碎片會(huì)被附加到哪里。用來(lái)制造機(jī)器人的這個(gè)亞克力是在1/8的厚度薄鋼板中被選中,因?yàn)樗奖慵庸で腋俚闹亓颗c良好的阻力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們遇到了一些困難，由于強(qiáng)烈的方式，加入薄丙烯酸部分。這是需要工具來(lái)燃燒，并