外文翻譯--設(shè)計和開發(fā)一個競爭低成本四自由度機(jī)器人手臂 中文版.doc

1設(shè)計和開發(fā)一個競爭低成本四自由度機(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：這項工作的主要焦點是設(shè)計、開發(fā)和實施低成本、強(qiáng)控制、有競爭力的機(jī)器人手臂。設(shè)計四自由度和才華橫溢的機(jī)器人手臂盡快實現(xiàn)精確簡單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個移動平臺,作為一個助理工業(yè)的勞動力。機(jī)器人手臂配備有伺服電機(jī)來做手臂之間的聯(lián)系和執(zhí)行手臂的動作。伺服電機(jī)包括編碼器,以至于沒有控制器實現(xiàn)。我們控制機(jī)器人使用的虛擬儀器,它執(zhí)行逆運動學(xué)計算和串行通信的適當(dāng)?shù)慕嵌葘σ粋€單片機(jī),驅(qū)動伺服電機(jī)的功能修改位置、速度和加速度。測試和驗證的機(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，驗證，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)語實際上是定義為研究、設(shè)計和使用機(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、裝配、電弧焊、電阻焊、機(jī)床裝載和卸載功能、繪畫、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)器人運行的半或全自主執(zhí)行服務(wù)有用的福祉人類和設(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或三個以上軸的自動控制和多功能的機(jī)械手1。工業(yè)機(jī)器人的目的是實現(xiàn)材料、零件、工具或?qū)ｉT的設(shè)備通過變量編程動作來執(zhí)行各種任務(wù)。一個工業(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)器人來執(zhí)行其任務(wù)以及測序或監(jiān)控通信接口。2007年世界市場增長了3%,其中大約有114000個新安裝的工業(yè)機(jī)器人。2007年底約有一百萬工業(yè)機(jī)器人在使用中,相比之下,估計有50000服務(wù)機(jī)器人對工業(yè)使用3。由于使用的工業(yè)機(jī)器人手臂的增加,一個進(jìn)化的話題開始試圖模仿人類的動作在一個細(xì)節(jié)模式。例如一群學(xué)生在韓國做了一個機(jī)械手臂的設(shè)計創(chuàng)新,考慮到跳舞的手,舉重,中國書法寫作和顏色分類4。另一組工程師在美國發(fā)展八自由度機(jī)器人手臂。這個機(jī)器人能夠掌握很多形狀對象從一筆一個球和模擬人類的手25。在太空中,航天飛機(jī)遠(yuǎn)程控制器系統(tǒng),稱為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)被用來執(zhí)行各種任務(wù),如檢查航天飛機(jī)的使用的一種專門部署與相機(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)計和開發(fā)許多機(jī)器人手臂,墨西哥政府估計,在墨西哥大約有11000個機(jī)器人手臂用在不同的工業(yè)應(yīng)用。然而,專家認(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)置為一個操作的教和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下,一個訓(xùn)練有素的操作者(程序員)通常使用便攜式控制裝置(一個示教器)教機(jī)器人其任務(wù)手動。機(jī)器人的速度在這些編程會話是緩慢的。目前的工作是一個兩階段的項目的一部分,這就需要一個移動機(jī)器人能夠運輸工具從庫房到工業(yè)電解槽。在這個階段,該項目開展的科技大學(xué),墨西哥蒙特雷,主要關(guān)注的是設(shè)計,發(fā)展和實施一個工業(yè)機(jī)器人手臂粗短的成本、準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。設(shè)計四自由度和才華橫溢的機(jī)器人手臂盡快實現(xiàn)精確簡單的任務(wù),如光材料處理,這將被集成到一個移動平臺,作為一個助理工業(yè)的勞動力。2.機(jī)械設(shè)計機(jī)械設(shè)計的機(jī)器人手臂是基于機(jī)器人機(jī)械手和一個人類的手臂具有相似的功能6-8。這樣一個機(jī)械手的鏈接進(jìn)行連接接頭允許轉(zhuǎn)動運動和鏈接的機(jī)械手被認(rèn)為形成一個運動鏈。業(yè)務(wù)結(jié)束的運動鏈機(jī)械手稱為末端執(zhí)行器或結(jié)束臂工具，它類似于人類的手。圖1顯示了自由體對機(jī)械設(shè)計的機(jī)械臂。如圖所示,末端執(zhí)行器不包括在設(shè)計中，因為商用夾具已被使用。這是因為,末端執(zhí)行器是一種最復(fù)雜的系統(tǒng)的部分,反過來,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)計僅限于4自由度主要是因為這樣一個設(shè)計允許最必要的運動和保持成本和復(fù)雜的機(jī)器人有競爭力。因此,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)活動受到限制,旋轉(zhuǎn)完成約兩軸肩和周圍只有一個在手肘和手腕,見圖1。機(jī)械臂關(guān)節(jié)通常由電機(jī)驅(qū)動。伺服電機(jī)的選擇,因為它們包括編碼器自動提供反饋到汽車和相應(yīng)的調(diào)整位置。但是,這些汽車的缺點是,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)荷計算力線圖。進(jìn)行的計算只對關(guān)節(jié)最大的負(fù)載,因為其他關(guān)節(jié)會有相同的運動,即電動機(jī)可以移動鏈接沒有問題。計算考慮了電動機(jī)的重量,約50克,除了電動機(jī)的重量在聯(lián)合B,因為它進(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)和計算進(jìn)行了如下。值用于計算轉(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(電動機(jī)重量)LBC=0.14m(長度鏈接BC)LCD=0.14m(長度鏈接CD)LDE=0.05m(長度鏈接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,見方程(1)-(4)。類似地,執(zhí)行時刻的總和在C點,方程(5)和B點,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)計算結(jié)果,是HextronikHX12K,扭矩280/盎司。這個電動機(jī)是推薦的,因為它比其他任何相同規(guī)格電動機(jī)更便宜。因為我們需要更多的扭矩在聯(lián)合B,見方程(8),我們使用兩個電動機(jī)在B點符合轉(zhuǎn)矩要求；然而,一個電動機(jī)對于其他關(guān)節(jié)是足夠的。使用兩個電動機(jī)聯(lián)合B是比使用一個560/盎司大的電動機(jī)便宜很多。在圖5中的其他相關(guān)特征的電動機(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)器人手臂和電動機(jī)被定義,設(shè)計進(jìn)行使用SolidWorks平臺；設(shè)計應(yīng)該仔細(xì)考慮亞克力板的厚度和其他每個碎片會被附加到哪里。用來制造機(jī)器人的這個亞克力是在1/8的厚度薄鋼板中被選中,因為它方便加工且更少的重量與良好的阻力。在設(shè)計過程中，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。這是需要工具來燃燒，并