機(jī)器人機(jī)電一體化設(shè)計中英文對照外文翻譯文獻(xiàn)

機(jī)器人機(jī)電一體化設(shè)計中英文對照外文翻譯文獻(xiàn)機(jī)器人機(jī)電一體化設(shè)計中英文對照外文翻譯文獻(xiàn)(文檔含英文原文和中文翻譯)譯文：機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計1.1概述本文是研究一個試驗(yàn)性協(xié)同工作機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計，內(nèi)容包括：系統(tǒng)設(shè)計、實(shí)踐運(yùn)用和檢驗(yàn)。本研究工作運(yùn)用了兩個主要的學(xué)科：它們是機(jī)器人社會工程框架的通用概念和操作自動移動多機(jī)器人合作系統(tǒng)的控制架構(gòu)，這個原型的系統(tǒng)是由多個需要在液體環(huán)境中使用的移動機(jī)器人傳感器或制動器組成。

作為一個研究領(lǐng)域,多機(jī)器人合作系統(tǒng)是一個相對較新的科學(xué)領(lǐng)域。在先前研究移動機(jī)器人平臺和自治模型的基礎(chǔ)上，1980年代，官方授意了人工智能的代理人；在1990年代初，人們對多機(jī)器人系統(tǒng)的興趣開始成長并且迅速擴(kuò)張。也許這個時間還沒有到來，或者技術(shù)方面還不成熟，但是到目前為止，尚未形成一個統(tǒng)一的來控制多機(jī)器人合作的控制架構(gòu)或完善的理論。因此，這一領(lǐng)域一直是根據(jù)實(shí)踐來研究的。各種多機(jī)器人系統(tǒng)的潛在應(yīng)用范圍是非常廣泛的，它們包括人們?nèi)粘Ｉ钪械奈⒅圃鞓I(yè)和遙遠(yuǎn)的地球外的行星任務(wù)。全球領(lǐng)先的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室和研究團(tuán)體介紹了數(shù)十種方法作為多機(jī)器人合作系統(tǒng)的控制架構(gòu)。盡管實(shí)際評價與各自的物理模型已經(jīng)證明非常重要，許多推薦的系統(tǒng)仍僅或多或少地作為理論研究模型。在感知、通信、移動等方面還存在局限。機(jī)器人在正確動態(tài)的指令下仍出現(xiàn)犯錯的情況，這證明了許多好的想法在技術(shù)上不可行。機(jī)器人合作系統(tǒng)在科學(xué)和技術(shù)方面涵蓋了很大的范圍。為了給這些系統(tǒng)的某些關(guān)鍵領(lǐng)域命名，必須運(yùn)用到自主運(yùn)作、合作、自組織、分布式感知、分布式控制方面機(jī)器人的概念。可以看到,先進(jìn)的多機(jī)器人系統(tǒng)正轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€真正的多學(xué)科的研究領(lǐng)域。機(jī)器人的智能行為所需的特征都來于控制架構(gòu)，這個控制構(gòu)架已經(jīng)理解為程序結(jié)構(gòu)，而不是任何特定軟件的一部分。這個控制架構(gòu)應(yīng)該支持執(zhí)行多個低端程序（如傳感器的采樣或通信），并且能執(zhí)行高端的任務(wù)（如導(dǎo)航和性能的優(yōu)化）。這個結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在一定程度上是可以通用的，但是輸入（傳感器）和輸出（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）之間的連接將附加到應(yīng)用程序。由于復(fù)雜的系統(tǒng)需求，在設(shè)計機(jī)器人的軟件和硬件之前，徹底的進(jìn)行系統(tǒng)層面的分析和設(shè)計是一個重要的過程。因此，大量的注意力應(yīng)該被放在用戶界面的實(shí)現(xiàn)和在系統(tǒng)設(shè)計階段的安全方面。機(jī)電一體化是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)的一個重要技術(shù)。在這種背景下，機(jī)電一體化被人們理解為最智能和最先進(jìn)的方法?，F(xiàn)在先進(jìn)的機(jī)電一體化技術(shù)集成了力學(xué)、電子和嵌入式軟件學(xué)知識。在很多情況下，由于集成設(shè)計，這些元素的功能不能再被分開。并且,機(jī)械、電子和軟件相互增強(qiáng),價值大于他們獨(dú)自的總和。自主移動機(jī)器人是說明機(jī)電一體化設(shè)備先進(jìn)性的說明例子。在整個論文里，技術(shù)簡化是另一個關(guān)鍵方面；在整個機(jī)電一體化設(shè)計過程中，盡管最大限度的減少和簡化步驟，但是具體的解決方案仍然沒有尋到。這個簡化方法的局限性可以通過機(jī)器人的合作來彌補(bǔ)。極簡的設(shè)計方案可以促進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)的可靠。當(dāng)1990年代早期多機(jī)器人的研究只是在小型自動化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室時，出現(xiàn)了各種測試多機(jī)器人合作和控制行為的平臺。在這種情況下，所謂的微型機(jī)器人系統(tǒng)的想法（在3.2節(jié)討論）是在機(jī)器人系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上發(fā)展的。第二年，也就是1994年，這些想法導(dǎo)致了一個研究項(xiàng)目的誕生，這些項(xiàng)目旨在建立一個完整的微型機(jī)器人操作演示系統(tǒng)來促進(jìn)物理多機(jī)器人的研究。這個示范性系統(tǒng)由幾種合作機(jī)器人組成。因此，水下導(dǎo)彈機(jī)器人（智能水下測量球和驅(qū)動程序）是智能的，組成的水下機(jī)器人都包含內(nèi)部3D監(jiān)視和液體環(huán)境控制的移動自治傳感器、制動器。這些水下機(jī)器人都是嚴(yán)格遵守極簡的方法設(shè)計的，舉個例子，這方法導(dǎo)致機(jī)器人在這種狀況下欠缺可操作性和只有粗略的區(qū)域定位能力。在真實(shí)的應(yīng)用中，這種水下炸彈類型的傳感器、制動器機(jī)器人可以增加過程儀表的標(biāo)準(zhǔn),還可以作為在溢流過程中控制某些任務(wù)的自動化系統(tǒng)的一部分。在圖1.1中，為開發(fā)系統(tǒng)的主要功能特性說明，在圖中顯示的是物理模型微型機(jī)器人的運(yùn)動情況。1.2研究動機(jī)和目的本論文研究背后的動機(jī)是研究、開發(fā)、和分析在一個新的環(huán)境下水下多機(jī)器人學(xué)術(shù)論文所需的技術(shù)。在水下炸彈機(jī)器人原型機(jī)電一體化的開發(fā)過程中，在聯(lián)合各種機(jī)器設(shè)備和智能儀器特征的情況下新的解決方案創(chuàng)新了出來。然而，終極目標(biāo)是建立一系列水下炸彈機(jī)器人原型來確保實(shí)際的機(jī)器人研究與機(jī)器人系統(tǒng)在一個3D實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境中架構(gòu)出來。研究工作為本論文進(jìn)行了實(shí)踐研究并且提出一個實(shí)際工程的觀點(diǎn)。關(guān)于系統(tǒng)設(shè)計和機(jī)電一體化設(shè)計流程,特別是通過案例研究解決了以下的困難和問題:?創(chuàng)建一個在水下環(huán)境中工作的分布式機(jī)器人系統(tǒng)的最低限度前提是什么？?如何讓一個簡單的機(jī)器人變成一個能干的系統(tǒng)來應(yīng)對復(fù)雜和多樣的任務(wù)??如何實(shí)現(xiàn)這些機(jī)器人的自組織和自優(yōu)化結(jié)構(gòu)??如何促進(jìn)合作機(jī)器人之間的簡單交互??在通信結(jié)構(gòu)中需要的機(jī)制是什么??什么是影響動態(tài)分布式多傳感器感知和機(jī)器人意識的因素?1.3論文的科學(xué)貢獻(xiàn)這篇論文的科學(xué)貢獻(xiàn)包括以下主題:?介紹了一個新穎的通過各種溢流過程來水下使用的移動機(jī)器人傳感器/致動器的概念。極簡主義的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)和模塊化的水下炸彈機(jī)器人原型已經(jīng)詳細(xì)描述了力學(xué)、電子和軟件方面的解決方案。也調(diào)查了相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用前景。?機(jī)器人系統(tǒng)作為一個系統(tǒng)性的框架來控制機(jī)器人合作任務(wù)已經(jīng)制定了按配方制造的方法和提出了面向應(yīng)用的工程觀點(diǎn)。?大量注意力應(yīng)該放在實(shí)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)上。作為這項(xiàng)研究工作的成果，這個模型系統(tǒng)對如何結(jié)合機(jī)器人技術(shù)和未來工業(yè)化液體監(jiān)控3D處理系統(tǒng)的想法已經(jīng)成熟。?獨(dú)特的水下導(dǎo)彈系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的測試環(huán)境下進(jìn)行了分析與廣泛的測試。系統(tǒng)是如何評價使用情況？哪里是仿真機(jī)器人執(zhí)行的動態(tài)目標(biāo)。機(jī)器人意識的發(fā)展和整個社會的集體意識也被在任務(wù)中研究。到目前為止，這是第一個分布式合作機(jī)器人系統(tǒng)在3D環(huán)境中的示范。1.4論文的大綱這篇論文的章節(jié)如下:第一章：簡介。一個簡短的對論文研究對象的介紹。第二章：自主機(jī)器人系統(tǒng)和移動儀器。各種機(jī)器人范疇，多機(jī)器人系統(tǒng)，和一些新方法為移動儀器相關(guān)論文的范圍進(jìn)行了綜述。第三章：運(yùn)用機(jī)器人系統(tǒng)的概念。在這一章,機(jī)器人系統(tǒng)及其控制的體系結(jié)構(gòu)將作為工程概念被討論。實(shí)驗(yàn)平臺,簡約的水下機(jī)器人，水下導(dǎo)彈將被介紹。第四章：機(jī)電一體化水下導(dǎo)彈機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。本章包含一個詳細(xì)描述和為水下導(dǎo)彈機(jī)器人開發(fā)進(jìn)行的力學(xué)分析，電子處理，和軟件解決方案。第五章：水下導(dǎo)彈機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。測試環(huán)境中，對任務(wù)的定義，實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩個實(shí)驗(yàn)系列來進(jìn)行功能驗(yàn)證和對水下導(dǎo)彈系統(tǒng)的運(yùn)作進(jìn)行分析，這將在這一章節(jié)提到。在第一系列的實(shí)驗(yàn)中，將進(jìn)行分布式動態(tài)的搜索和摧毀目標(biāo)的測試。第二個系列將分析在它們的使命中交流對機(jī)器人意識的發(fā)展。第六章：技術(shù)考慮。討論各種水下導(dǎo)彈機(jī)器人技術(shù)增強(qiáng)的可行性的以及對于這樣的機(jī)器人的潛在應(yīng)用。第七章：結(jié)論。在這最后一章節(jié)對研究和結(jié)論進(jìn)行了總結(jié)以及提出了對未來工作的建議。原文：MECHATRONICSDESIGNOFAROBOTSOCIETY1.1OverviewThisthesisdealswiththemechatronicsdesignofanexperimentalcooperativemulti-robotsystem,includingsystemsleveldesign,practicalimplementation,andtesting.Towmainsubjectsareintegratedintheresearchwork;thegenericconceptoftheRobotSocietyasanengineeringframeworkandcontrolarchitecturetocontrolanautonomouslyoperatingcooperativemobilemulti-robotsystem,andtheconstructedprototypesocietyconsistingofseveralmobilesensor/actuatorrobotsforsubmergeduseinaliquidenvironment.Asaresearchfield,cooperativemulti-robotsystemsisarelativelymewareaofscience.Basedonthepreviousresearchonmobileroboticplatformsandsimulatorstudiesonautonomous,AI-inspiredagentsinthe1980s,theinterestinmulti-robotsystemsstartedtogrowandexpandrapidlyatthebeginningofthe1990s.Maybethetimehasnotcomeyet,orthetechnologicalpremisesdonotexistyet,butatleastsofar,aunifiedorwell-establishedtheoryforacontrolarchitecturetocontrolacooperativemulti-robotmissionhasnotbeenformed.Therefore,researchinthisfieldhasbeenveryexperimentalbynature.Thescopeofpotentialapplicationsforvariousmulti-robotsystemsisenormouslywide,coveringdutiesfromeverydayhumanlifetomicro-scalemanufacturinganddistantextra-terrestrialplanetarymissions.Dozensofapproacheshavebeenintroducedbyleadingroboticslaboratoriesandresearchgroupsaroundtheworldascontrolarchitecturesforcooperativemulti-robotsystems.Manyoftheproposedsystemshaveremainedmoreorlessastheoreticalsimulatorstudiesonly,althoughpracticalevaluationwithrespectivephysicalembodimenthasprovenhighlyimportant.Practicallimitationsinperception,communication,mobility,etc.Encounteredbytherobotsinthedynamicreal-wordenvironmenthaveprovedmanygoodideastobetechnologicallyinfeasible.Cooperativemulti-robotsystemscoverawiderangeofscientificandtechnologicalaspects.Tonameafewkeyareasforthesesystems,theautonomousfunctioning,cooperation,self-organization,distributedperception,anddistributedcontrolofrobotshavetobementioned.Ascanbeseen,advancedmulti-robotsystemsturnoutasatrulymulti-disciplinaryresearcharea.Therequiredfeaturesfortheintelligentbehavioroftherobotsareallderivedfromthecontrolarchitecture,whichhastobeunderstoodratherasaprogramstructurethanasanyspecificpartofthesoftware.Thecontrolarchitectureshouldsupportparallelexecutionofseveralprogramprocessesatalowlevel(e.g.sensorsamplingorcommunication)andtasksatahighlevel(e.g.navigationoroptimizationofperformance).Thestructureofthecontrolarchitecturecanbegenericbynaturetoacertainextent,buttheconnectionstoinputs(sensors)andoutputs(actuators)attachthearchitecturetotheapplication.Duetothecomplexsystemrequirements,thoroughgoingsystemslevelanalysisanddesignisanessentialprocessbeforemovingontotheactualsoftwareandhardwaredesignoftherobots.Forexample,detailedattentionshouldbepaidtotheimplementationoftheuserinterfaceandsafetyfeaturesalreadyatthesystemsleveldesignphase.Mechatronicsisanessentialtechnologytotherealizationofaroboticsystem.Inthiscontext,mechatronicsisunderstoodinitsmostintelligentandadvancedmeaning.Today’sadvancedmechatronicsintegratesmechanics,electronics,andembeddedsoftware.Inmanycases,duetotheintegratednatureofthedesign,thefunctioningoftheseelementscannolongerbeclearlyseparated.Instead,mechanics,electronics,andsoftwareaugmenteachother,producingafunctionalvaluegreaterthantheirsumalone.Autonomousmobilerobotsareconcreteandillustrativeexamplesofadvancedmechatronicsdevices.Technologicalminimalismisanotherkeyaspectthroughoutthisthesis;concerningtheentiremechatronicsdesignprocess,maximallyreducedandsimplified,butstillfunctionalandrobustsolutionshavebeensought.Thelimitationsofthisminimalistapproacharecompensatedforwiththemultipleandcooperativeuseofrobots.Aminimalistdesignschemepromotesreliableandcost-effectivesolutionspreparedformassproduction.Whenmulti-robotresearchwasjustunderwayattheHUTAutomationTechnologyLaboratoryintheearly1990s,varioussuitableplatformswereconsideredtotesttheideasrelatedtocooperativemulti-robotbehaviorandcontrol.Inthiscontext,theideaoftheso-calledbacteriumrobotsociety(discussedinSection3.2)wasdevelopedbasedontheconceptoftheRobotSociety,see[Halmeetal.,1993].Inthefollowingyear,1994,thesethoughtsledtoaresearchproject,whichaimedatsettingupafullyoperationaldemonstrationsystemofabacteriumrobotsocietytoallowmulti-robotstudieswithphysicalrobots.Thedemonstrationsocietyconsistsofseveralcooperativerobotsmembers.ForthesepurposesSUBMAR(SmartUnderwaterBallforMeasurementandActuationRoutines)robotsweredeveloped.Thesearemobileautonomoussensor/actuatorplatformsintendedforthe3Dinternalmonitoringandcontrollingofliquidprocesses.Theseunderwaterrobotsaredesignedbystrictlyfollowingtheminimalistapproach,which,forinstance,resultsinunderactuatedmaneuverabilityandonlyrougharealpositioningcapabilitiesinthiscase.Inareal-worldapplication,theSUBMARtypeofsensor/actuatorrobotscouldaugmentstandardfixedprocessinstrumentationandasapartoftheautomationsystembycontrollingcertaintasksinflow-throughprocesses.InFigure1.1,themainfunctionalfeaturesofthedevelopedsystemareillustrated,whileFigureshowsthephysicalembodimentofthebacteriumrobotsocietyinaction.1.2MotivationandaimsforthestudyThemotivationforthestudybehindthisthesiswastoresearch,develop,andanalyzethetechnologyrequiredforthenovelbreedofmobileunderwaterrobotsalongwithmulti-robotstudiesinanewenvironment.InthemechatronicsdevelopmentprocessofSUBMARrobotprototypes,newsolutionswereinnovatedwhilecharacteristicsfromvarioustypesofroboticdevicesandintelligentinstrumentationwerecombined.However,theultimateaimwastosetupaprototypeseriesofSUBMARrobotstoenablepracticalmulti-robotstudieswithRobotSocietyarchitectureina3Dlaboratorytestenvironment.Researchworkforthisthesishasbeencarriedoutasahands-onstudytopresentapracticalengineeringpointofviewonthesubject.Concerningthesystemsdesignandmechatronicsdesignprocesses,thefollowingproblemsandquestionsinparticularhavebeenaddressedbymeansofacasestudy:?Whatarethetechnologicalpremisesforaminimalistapproachtocreateadistributedroboticsysteminanunderwaterenvironment??Howcansimplerobotunitsbeturnedintoasystemcapableofcopingwithcomplexmissionsandmulti-tasking??Howtoimplementtheself-organizingandself-optimizingstructuresoftheserobots??Howtopromotecooperationinsimpleinteractionsbetweenrobots??Whatmechanismsareneededinthecommunicationstructure??Whatfactorsaffectthedynamicsofthedistributedmulti-sensorperceptionandrobotconsciousness?1.3ScientificcontributionofthedissertationThescientificcontributionofthisdissertationconsistsofthefollowingthemes:?Anovelmobilesensor/actuatorrobot-conceptforthesubmergeduseofvariousliquidflow-throughprocesseshasbeenintroduced.ThemechatronicsstructureofminimalistandmodularSUBMARrobotprototypeshasbeendescribedindetailincludingmechanics,electronics,andsoftwaresolutions.Relatedtechnologyandpotentialapplicationshavealsobeensurveyed.?TheconceptoftheRobotSocietyasasystems-levelframeworktocontrolamulti-robotmissionhasbeenformulatedandpresentedfromanapplication-orientedengineeringpointofview.?Agreatdealofattentionwasgiventothepracticalimplementationofthecomplexsystem.Asaresultofthisresearchwork,theprototypesystemhasmaturedyieldingideasonhowtocombineroboticsandtheprocessindustryinautomationsystemsmonitoringliquidprocessesin3D,inthefuture.?ThefunctioningoftheuniqueSUBMARsocietywasanalyzedwithextensivetestingwiththeactualrobotsinalaboratorytestenvironment.Theperformanceofthesystemwasevaluatedusinga?searchanddestroy??typeoftask,wheretherobotsperformedagainstemulateddynamictargets.Thedevelopmentofrobotconsciousnessandthecollectiveconsciousnessofthewholesocietywasalsostudiedduringthetaskexecution.Asfarasisknown,thishasbeenthefirstdistributedandcooperativemulti-robotsystemdemonstrationina3D-environment.1.4OutlineofthedissertationThechaptersofthisdissertationareorganizedasfollows:Chapter1:Introduction.Ashortintroductiontotheresearchsubjectsofthethesis.Chapter2:Autonomousroboticsystemsandmobileinstrumentation.Variousrobotcategories,multi-robo