機器人機械系統并行設計的模式探討

摘要：機械人的機械系統的設計一直是在整體設計過程中的重點，一般在進行設計的過程中都會將設計重點放在基礎的分析上，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行了詳細的介紹。

關鍵詞機械人;機械系統;并行設計

1.前言

對于機械人而言，柔性設計個剛性設計都是在設計過程中的重點，因此是整個機電一體化產品中不可缺少的一部分，同時作為機械學科和電子學科的交叉學科在整個設計過程中有著復雜化的特點。

2.機器人機械系統的設計特點

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現機器人各種功能運動和操作任務的被控對象。它與機器人控制系統、感知系統等構成一個緊密聯系的整體。機器人機械系統的性能優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性和靈活性，能在復雜條件下滿足各種各樣的工作要求和作業任務，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本質的差別。其機械系統的設計具有如下特點：

（1）復雜性機器人的機械結構總的來看是相當于一系列懸臂桿件通過關節串連起來的開式鏈。但由于誤差和變形的累積，使得在結構設計時，一方面要保證開鏈結構的能動性和靈活性，另一方面又要處理這種結構帶來的運動傳遞、誤差補償和消除等問題，使機械結構的設計變得較為復雜。

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

（3）協調性機器人機械系統的形式、實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行不斷的協調才能進行。

3.常見的機械并行模式

3.1機器人設計的一般模式

機器人的設計主要分為3個過程：一是概念設計，即根據定義的任務來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。

對每一過程的評價若不通過，則都將返回到該過程的初始點或上一過程中去再設計。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化，同時將使設計過程變得漫長。

3.2機械系統并行設計的模式

所謂并行設計就是指在產品開發的設計階段即考慮產品生命周期中工藝規劃、制造、裝配、測試、維護等其它環節的影響，通過各環節的并行集成，以縮短產品的開發時間，提高產品的設計質量，降低產品成本。

對于機電一體化產品的機器人來說，其本身就是機械、控制、電子和計算機等高技術的集成，因此，機器人機械系統的設計需要機械運動與傳動、控制理論與方法、電子電氣和計算機應用技術等學科相互交叉和滲透的技術支持。針對機器人系統的設計要求和特點，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、領域技術分析、綜合與評價以及機械系統具體設計等部分構成。不難看出，方案設計與領域技術分析對應于一般意義上的機械設計的概念設計過程，綜合評價與系統設計對應于具體設計過程。由于機器人的運動和傳動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、動力學參數辨識、振動與防治、關節柔性等方面的內容，因此需要機構運動、傳動系統、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支撐，同時，機器人的運動與傳動形式也一定程度上決定了上述支撐技術系統的方式和方法。所以，運動方案和傳動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作關系。這樣才能達到機械系統方案與其它系統方案的協調、有效、可靠與快捷設計的實現。系統的綜合是對機器人機械系統各組成部分的總體協調，同時對設計方案進行評價。它力求避免方案中各支撐技術方案的沖突，引導并處理各支撐技術方案的完善統一，并對機械系統設計方案組織具體實施。

4.兩輪移動式倒立擺機器人的運動模型

二級倒立擺系統是一個快速響應系統，要求執行器能根據控制量變化快速做出動作系統主要由車輪車廂擺桿防震輪組成，2個車輪的軸線在同一直線上，分別由2臺直流力矩電機直接驅動，在車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線傳輸模塊等，控制小車的自平衡，測量左右車輪的旋轉角度。系統采用的傳感器包括傾角傳感器陀螺儀編碼器，通過它們可以測量和計算出小車的狀態參數，其中，車體傾角速度分別由傾角傳感器陀螺儀直接測量，左右車輪旋轉角度可由編碼器測量，通過微分可以計算左右車輪的角速度，進而推算出左右車輪的行駛速度，車體的前進速度，小車在地面的旋轉角速度。

輪式機器人因其具有良好的移動性能一直備受關注，國內外許多學者從理論方面研究了它的運動規劃軌跡跟蹤控制方法，并取得了很多成果。

兩輪式機器人，同時也是一個倒立擺系統，對它的運動進行控制時需要保持系統的平衡狀態機器人跟蹤目標，首先要由視覺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，這些信息是做出正確決策的基礎視覺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倒立擺機器人還沒有裝備視覺系統，為了檢測倒立擺機器人跟蹤能力，模擬了一個虛擬的跟蹤目標，PC機通過無線模塊不斷將目標位置發送給機器人，供機器人決策倒立擺機器人的位置可以通過自身的傳感器獲取。

5.結束語

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

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作者簡介

高世鑫（1992.02.16-），本科，邵陽學院機械系。