灵巧手(翻译)

2、机械手设计
机械手是由许多部分组成的机电系统。 这一设备的两个主要部分是电器元件 和能够运动的机械结构。 机械结构的复杂性与机械手能够操纵的自由度直接相关（自由度） ，一个典 型的机械手的结构包括旋转接头，驱动器和关节连接，以及致动器组件。旋转接 头 （指定的自由度） 被用来将机械手指并起来。 这些接头允许机械手指旋转操作， 类似于人类手指。 这些接头必须连接到驱动器上才能运动。驱动器是一个模拟装 置，例如电机或液压幻灯片。 两个主要的连接方案是渐近的和离散的。在一个前进的驱动方案中，一组连 接接头的成功旋转基于最基础的关节。这种基础关节主要由驱动器驱动。离散格 式允许每个关节一个致动器。 这种方案允许机械手在重量和复杂性的成本增加的 情况下进行更好的控制。 致动器必须连接到至少一个关节 （进步） 或所有关节 （离 散）去允许手动控制。关节和致动器的连接能够以许多方式实现，常见的有齿轮 传动和肌腱型安排。 齿轮传动系统允许致动器和一个关节或者各个关节之间的直 接连接。 这种方案最适合前进的系统，因为它有使用率度量传动实现连续连接的 能力。 肌腱安排用于大多数离散机械方案，通常是连接到一个连续系统的主要关 节。肌腱是一个灵活的金属或塑料，连接各个关节（离散）或基础关节（进步） 和致动器。 这种安排类似于人体的解剖特点， 即肌腱连接可旋转的关节到肌肉 （致 动器） 。通过旋转而不是复杂的齿轮系统，肌腱安排节省了空间。 多指手的机械结构是由多种电子部件组成的， 电子部件主要包括传感器和电 线。一个机械手的传感器能够测量角位置，并且随着一定程度的触觉反馈调整关 节速度。 触觉传感器可以用来获取数字接触或非接触的信息，通过可用来为控制 系统提供反馈的表面特征的类似展示。机械手的主要传感器是位置和速度，如果 这两个传感器不存在， 最基本的机械手的运动控制就只能通过视觉识别系统实现。 辅助电气系统包括离散和集成电路， 离散电路通常提供模拟功率放大和微调， 这些程序允许的模拟执行器的正确操作， 集成电路在电路的放大极和处理系统之 间形成一个接口。 处理系统可以是一个车载微控制器或者一个单独的计算机系统。 接口负责量化传感器输入和中继这些处理系统。 在处理系统之后还要进行数据操 作，产生控制输出（致动器信号） ，将这些转化成相应的致动器模拟信号 这些电子和机械部件的组合形成了几乎所有类型的机械手的基础， 机械结构 的关节通过齿轮或者肌腱进行操作， 致动器和关节的状态通过电子传感器进行监 测。触觉信息也可以被其他传感器监测。一个电子接口负责采集传感器数据并将 其发送到处理器。该处理器提供数字输出返回到接口，通过接口，这些输出从数
图5
前页所示的模拟考虑了关节在没有外力作用下的转换。 线性化模拟考虑机械 结构的摩擦影响。静摩擦力要求总控制力的15%，动摩擦力要求总控制力的5%， 这样模拟才能够进行。 模拟显示了当控制力增加时的转换反应和摩擦变化。当转换发生时（X轴上 的18）控制力就增加到一点，在这一点上，控制系统有能力实现平滑转换而忽视 非线性摩擦的影响。 利用率值R3-10进行转化模拟。率值10代表最快的方式，率值3代表最慢的方 式，假设摩擦力是相同的。图6描述了关节的转换反应。 图6显示了速率3-10的转换反应。这个图表代表了关节位置与迭代。模拟图 显示了不管摩擦力的影响，平滑转换在任意被选择的率值上的发生。
图1
接口框图
控制软件有能力独立调节控制每个电机（输出电压），将一个新的 8 位值加 载到 D/锁存。界面是有偏差的，0-255 对应的电压范围在 12 和 C12 VDC 之间。 该软件还可以选择一个独立的模拟源通过 A/D 锁存器采样。
2.2 机械结构
图 2 表示机械手的单个手指。手指的关节使用单束式布置逐步连接。结构是 这样的：角 3 随着角 2 增加，最后是角 1. 一个简化的力方程，Fr 指肌腱的弹性 阻力，K 指的是肌腱的弹性常数，如下所示。
鉴定是有问题的，需要一个非常精确的值去衡量 UKI（初始动摩擦系数）。 这种衡量是不切实际的，因为测量这一项需要很慢的速度。速度的重复性有限因 此 UKI 很难衡量。 额外的摩擦条件可以考虑用致动器动力引入。致动器有摩擦条件"s 和 "k （静态和动力学系数），一对 GS 和 GK 的术语表示由致动器推动的相反的静态和 动态摩擦。Q 函数也可以用来表示电机的负摩擦力。
图2
线性电位器直接与末端肌腱耦合。 这种电位器作为电压分压器其功能是为控 制系统提供位置反馈。一个 C5 V 电势应用在该装置和输出电压取决于幻灯片的 位置。这个电压的采样使用 8 位 D/A 转换器去提供 0-255 之间的整数，其中 0 代表完全的收缩，255 代表所能伸展的最大值。 在图 3 中，每根手指由一个直流电机安装在显示驱动中。
1、引言
先进机器人系统的目标是要开发一个结合计算机和机械的结构， 这个结构可 以用一种类似人类的方式进行操作。 这种机器人系统必须有能力使用抓取末端执 行器去改变它的环境。 复制人类手的机械五指手对于这种机器人来说是最好的选 择，因为世界是围绕着五指手设计的。拥有这种末端执行器的机器人有非常强大 的操作能力。 根据经典控制理论，先进机器人的目标被无法精确地模拟这种复杂 的末端执行器的动力所困扰，其结果就是无法控制末端执行器。 提高机械手控制能力的尝试已经进行了，这些尝试分布于 PID、神经网络和 模糊逻辑控制的领域。模糊逻辑已经被证明比 PID 控制效果更好。神经网络控制 系统需要耗时的训练过程，因此不适合必须执行未知操作限制的新任务的系统。 本文展示了一种通过自定义接口使用模糊控制系统实现 IBM 兼容计算机的 低成本多指机械手的设计、 仿真和实现。控制系统的仿真已经说明该控制器能够 在静态和动态摩擦存在时进行稳健的操作。一系列的实验也进行了验证，该控制 方法能够高精度精细地进行转换。
这种非线性模型通过假设某种操作限制得以简化。 控制系统的目标是实现关节的平滑转换而忽视T＇friction（fs， fk，ω). 的价值。
2.4 模拟解决方案
控制问题在本质上是非线性的。 模糊逻辑控制系统已经能够为这种非线性系 统提供良好的控制。稳健性问题仍然存在，因为传统的模糊逻辑控制器在一个固 定的规则内运行，这可能不能为所有的操作方式提供足够的控制。 模糊逻辑控制器提出解决稳健性问题，有能力基于规则功能再生其成员。这 条规则的功能被划分为一组非重叠块提供一个单输入单输出控制系统。 该控制器 的输入是关节位置输出是致动器响应。 在操作区间（PI,PF）上，高斯归一化函数被选择成为该控制器的规则函数。 参数PI代表关节发生的位置， 参数PF代表关节的最终位置。块的数量被计算为PF —PI。对于任何给定的对P值，高斯都只能存在于那个区间，然后高斯被分成块。 在线计算价值作为关节转换，这个值（假设没有外部反应）将会继续减少到零。 阈值β=30被用于在模糊集内维持成员，这贯穿整个转换时期。基本上，在转换 的初始时期，许多成员存在并且作为转换发生，模糊程度增加。 模糊控制的空间可以扩展到三分之一维，通过乘以每个缩放因子块。缩放块 改变了关节转换的值。影响缩放因素的参数是关节速度（ω），加速度（α）， 加速率（α＇）和位置误差（β）。 平滑运动的定义如下。
图6
2.5 控制系统的框图表示
图 9 表示用于模拟的响应的控制系统机械手。 控制系统通过确定错误 E 的位 置来实现功能。该误差信号被发送到一个模糊的定标器（常规规则系统）而且使 用操作的标准化界高斯块发生器。该模糊定标器生成主缩放因子。 w，α的值从 输入位置获得。 通过功能定标器接收这些值。此设备使用逻辑运算来调整二次缩 放因子。 主和次要比例因子的功能性活动块内相乘。这个值然后由模糊块发生器 的输出，以产生相乘一个信号的致动器。致动器随后驱动关节，其又驱动位置编 码器，并提供一个当前位置的反馈。
机械手关节的最终摩擦模型可以表示为下面的模型。
当满足下面条件时转换可以发生。 Fm≥Tfriction 这个模型是高度非线性的， 任何估计这些参数的尝试都将在不正确的耗时的 伪解的情况下产生。 线性化可以应用到这个问题。 人们假设接头和电动机的动摩擦系数的浮动可 以忽略要好。这 些简化产生了下面的非线性模型。 T＇friction=FS+FK=fssign(ω)+fkω=T＇friction(fs, fk, ω)
3、模糊块控制方法
机械手的控制问题是在本质上是高度非线性的。模糊逻辑已经显示出提供非 线性系统的良好的控制。稳健性问题仍然存在，因为传统的模糊逻辑控制器的工 作组固定的，可能不适合所有可能的操作提供足够的控制规则制度。 即提出了解决鲁棒性问题的模糊逻辑控制器能够再生的会员基础上的规则 的功能。此规则功能分为一组离散的块，以提供一个单输入单输出的控制系统。 输入该控制器是关节位置而输出是致动器的响应。 归一化的高斯函数，在一个操作周期为界（Pi; Pf） ，是选择作为规则功能 此控制器。 参数 Pi 代表关节和参数 pf 代表最终期望位置关节。块β的数量计算 为 pf--pi。对于任何给定的一对的 p 值，高斯为界存在仅在该时间间隔。高斯 是那么分成若干块β的值计算， 上线， 作为联合平移。 此值 （假设没有外部反应） 将继续降低至零。阈值β= 30 的值用于整个模糊集内保持构件转换期。从本质 上讲，在翻译的初期，许多成员存在并作为翻译时，模糊的水平增加。 模糊控制空间通过乘以每个延伸到第三维通过缩放系数块。 缩放因素变化值 作为联合翻译。影响比例因子的参数是关节速度（w） ，加速度（α） ，加速度率 （α‘） ，和位置误差（β） 。 该控制系统还接受转换率.r/输入。这个速度将决定关节如何迅速到达最终 位置（pf） 。
图3
2.3 数学公式的问题
机械手任何关节的转换都需要满足以下条件才能发生。
Fm Fs
只有在应用驱动力优于静摩擦力的反作用力时，转换才可能发生。转换可以 通过以下条件进行维持。
Fm Fk
转换的控制问题存在于这一点 Fm _> Fs。负摩擦力这一方面也影响着转换。 在 Uk，由于旋转关节速度 w 的增加负摩擦力减少了，可以通过下面的关系表示：
据转为模拟，并且被用来控制致动器。这样的安排形成了一个闭环控制系统，包 括该结构的电子机械部分。
2.1 界面设计
如图所示框图表示手的接口。 这个接口能够激活四个直流电机和反向偏置模 式，组合式电压/功率放大器连接到每个模拟输出从而驱动直流电机，这个接口 目前能够示例 8 个模拟输入，但是它将升级为 128 输入。A/D 转换系统在 15khz 采样率的通信接口进行操作已经通过 IBM 兼容计算机的平行端口实现了 （见图 1） 。
图7
图8
2.6 比率发生器
前馈率发生器用于在线调整的要求的比率.r/。需要使用此方法，用户只提 供最后的位置并且允许系统以相对于执行跟踪控制， 以一随时间变化的外部基准 信号。 率发生器是基于对模糊的方法块。比率发生器的传递函数显示在柱的顶部 图 10 中。
图9
图 10
比率发生器传递函数（R 与 E）
签名：
年 月 日
块化低成本多指机械手的设计与应用
史蒂文·m·斯帕诺思·g·布尔巴基 宾厄姆顿大学电机工程系, 智能机器人和人工智能应用研究实验室,宾厄姆顿纽 约,美国
摘
要
机械手的控制一直被无法获得一个精确的机械动力学模型而困扰。控制机械 手的主要障碍来自静态和动态摩擦的方面。 本文展示了一个基于模糊控制器的研 究和应用的低成本机械手。 该控制器有能力通过机械手任意关节的转换自动生成 成员组。 一系列的模拟已经得出了结论，即该控制器对于提供不考虑摩擦力的平 滑转换的有效性。 该控制器的应用要基于在 IBM 兼容计算机上使用一个自定义设计的采集/转 换接口和一个机械手装备。 拥有逐步链接指结构的机械手被用于简化。这里使用 的采集系统允许机械手的传感器和执行器的双向通信。 一系列的实验已经验证了用块的方法控制关节的位置是成功的。 仿真结果包 括精细移动， 必要的灵巧性以及能够被用来抓取的总运动。这个机械手在低成本 应用方面得到了好的结果。 关键词：灵巧；位置；速度；块的方法；机械手；多指手
｜α＇｜≤1 该控制系统还接受转换率 （R） 的输入， 这个率决定了关节到达最终位置 （Pf） 的速度。 控制系统的效率可以通过考察一个关节转换的例子来进行观察。 关节开始于 P1=0，最终以速率r=10的Pr=220结束。假设没有摩擦，图4就是一个转换的模拟。
图4
这个图代表了设置再生成功能的关节转换。初始值为220，因此个人成员220 名（块的高斯函数）生成。如此多的块允许在控制力范围内的小变化。这些小的 变化本质上是一个高控制分辨率类似于人类举起未知重量的控制过程。 通常情况 下，当举起一个未知重量的时候，一个人在开始时会关注他举起的结果，结束时 会转换。
大连海事大学
毕业设计(论文)外文资料翻译
学 院： 交通运输装备与海洋工程学院 机械设计制造及其自动化 黄志伟 2220113884
系（专业） ： 姓 学 名： 号：
外文出处 ：Journal of Intelligent and Robotic Systems 30:209-226,2001
指导教师评语：