国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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| Gaurav r。Thakur1，安基塔。Chauhan1拉贾。m。Agrawal2 |
| 有关文章载于Pubmed，谷歌学者 |
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灵巧的机械臂由于其高度的灵活性，能够在高度密闭的空间中机动。这些机器人具有广泛的应用前景，因此在构型和控制方面的优化设计引起了人们的广泛关注和研究。本文针对多址试验与观测设备(MATOF)的空间暴露实验，研究了一种由灵巧机械臂组成的协作机器人支持系统。MATOF的目的是为空间利用的各种用户提供一个用户友好的实验设施。ROS(机器人操作系统)已经成为机器人软件开发的标准。它是一个开源的元操作系统，提供硬件抽象服务。它实现了解决机器人感知、控制和规划问题的低级和高级功能组件，重点关注由不断增长的用户社区贡献的代码的模块化和可重用性。ROS被设计成尽可能的精简，没有用户代码的包装，因此它可以与其他机器人软件框架一起使用。首选的开发模型是具有干净接口的ROS独立库。它独立于语言，易于使用，可扩展到大型运行时系统和进程。
关键字 |
| 采购产品机器人，执行器，控制器，电位器，传感器，机器人，变速器。 |
介绍 |
| 机器人在我们的脑海中一直有一种魔力。随着它们在各个领域的各种应用，它们已经成为我们日常生活中常见的一部分。它们是为了减轻我们的工作，提高我们的生活舒适度。“机器人”一词早在20世纪50年代就开始突出，当时卡尔·恰佩克在他的戏剧《罗森的万能机器人》中指出，一种具有与人类相似智能的高级种族的诞生。机械臂是一种机械手，通常可编程，具有与人的手臂类似的功能。它可以用来减少重工业所需的人力。它还可以用于人工干预可能导致致命结果或不可能的情况，如图1所示 |
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| 1979年，美国机器人研究所对机器人的定义是: |
| “机器人是一种可重复编程的多功能机械手，旨在通过可变的编程运动来移动材料、零件、工具或专用设备，以完成各种任务”。机器人技术是研究和应用机器人的一个分支。机器人学的目标是尽可能地模仿自然世界。机器人技术是一个相对较新的工程领域(大约有50年的历史)，在不同的领域都有很多应用。随着机电一体化和数学建模领域的不断发展，机器人技术已经取得了长足的发展。从一个只能移动几英寸的铁片，现在的机器能够从高层建筑上跳下来，探测地雷，执行复杂的操作，并排除故障。 |
| 基于力的搜索 |
| 在设计组件时，力反馈和控制能力是至关重要的。装配过程可分为四个常见步骤:零件定位、形状插入、齿轮啮合和卡扣装配。有时，装配特征(如孔或表面)是不可见的，因此使用视觉是无用的。在这些情况下，需要基于力量的搜索策略。为了精确定位你想要处理的装配特性，力反馈和控制是非常有用的。一个常见的步骤是在工具中心点(TCP)上标准化扭矩。然后，在装配点上对齐TCP并使施加的力标准化。通常情况下，您可能希望在监视力反馈的同时移动工具来保持这个力。当你正在寻找的装配特征被找到时，力的变化将被记录下来，例如，当零件被扣到位时。这种技术对于许多操作非常有用，例如表面精加工(研磨，抛光…)或质量保证检查，其中力控制和监测非常重要。 |
| 力的控制 |
| 在控制施加力时，需要考虑两个重要步骤。第一步是感知所产生的力。通常通过连接在工具法兰或接头扭矩传感器上的力/扭矩传感器来实现。另一种方法是监控这些力量;现在较少使用的是监测电机电流，并从这些值推断关节转矩。第二步是控制输入力。这是通过输入传感器读数，输出关节扭矩或通过闭合反馈回路来实现的。 |
| 无论使用何种方法，反应速度快是可取的。这可以通过提高控制更新速率，改变控制参数或减少机器人的惯性来实现。 |
| 协作机器人 |
| 会议上讨论的方法和技术主要负责当今机器人的新协作功能。它们能让机器人感知环境并做出反应。我们可以很容易地说库卡轻量级机器人就是一个很好的例子。每个关节都有自己的力传感器来监测外力和力控制。在亲身体验后，Robotiq团队对用手移动它时的流动性印象深刻。Rethink Robotics公司也在Baxter公司使用这项技术。这种双臂机器人的每个关节都有集成力传感器。为了实现力控制，Rethink Robotics公司使用了弹性驱动器。此外，百特在每只手臂上都集成了摄像头，用于视觉引导运动和视觉物体识别。 |
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| 所有这些新组件都是必要的，可以让人与机器人在安全的环境下协作。 |
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| 目前的机器人场景是难以想象的，从一些规定的动作到执行各种复杂的操作和空间访问，机器人已经在各个领域找到了应用。机器人臂端加工的作用从未如此重要。随着机器人用户在其工艺中要求更多的通用性，制造商面临着提供灵活、智能的臂端工装(EOAT)的压力，这将为整个系统增加价值。从伺服夹具和混合工具，到先进的刀具更换器和控制模块，今天的EOAT不仅更容易实现和使用，而且非常智能。针对特定应用的抓手正在将机器人技术带到更广泛的受众范围内，进入新的行业和中小型企业，而就在一年前，这些行业和企业还认为机器人技术遥不可及。一种新型的拟人化末端执行器不仅在实验室中表现良好，而且正在寻找进入车间的方式。一款与市场上任何产品截然相反的磁性手环吸引了众多粉丝。挑选和放置，焊接，去毛刺，应用材料，检查和定位，装载/卸载-所有这些都用一个EOAT完成-机器人用户正在发出挑战，制造商正在举起他们的“手”迎接挑战。[2] |
机器人分类 |
| 机器人的分类取决于机器人的电路和应用范围。机器人的分类有三种: |
| •简单关卡机器人 |
| •中级机器人 |
| •复杂级别机器人 |
| 简单级别机器人 |
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| 它们是能扩展人类潜能的自动机器。它们不能被编程，也不包含复杂的电路 |
| .E.g。:简单关卡机器人的最佳例子是半自动洗衣机。 |
| 3二、中级机器人 |
| 他们是那些可以被编程但不能被重新编程的机器人。它们是多用途设备。它们有基于传感器的电路，可以做人类做的工作。例:中等水平机器人的最好例子是全自动洗衣机。 |
| 3三、复杂水平机器人 |
| 他们是那些可以被编程，也可以被重新编程的机器人。它们是可重复编程的多功能机械手。它们包含一个基于模型的电路，非常复杂。 |
| 例子:复杂级别机器人的最佳例子是个人电脑 |
框图 |
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| •传感器安装在我们的手上。这些传感器探测到任何微小的移动。 |
| •在检测到运动时，传感器(在我们的例子中是电位器)发出控制信号。这种控制信号以模拟电压的形式出现。 |
| •该模拟电压作为微控制器的输入。 |
| 微控制器使用模数转换器将模拟值转换为数字值。 |
| •处理该数字值，并根据处理值激活执行器。 |
| •根据传感器感知到的值和处理后的电压值，电机在不同的时间间隔内被激活 |
| •这些时间间隔是根据不同的延迟程序来决定的。 |
| •信号的传输可以是有线或无线的。 |
机械装配 |
| 机械臂由三个手指组成。每根手指都有三个旋转关节。手指的运动是通过电缆来实现的。电缆系在电机的轴上。当轴旋转时，电缆缠绕在电机轴上，导致手指弯曲。[7] |
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| 腕关节也是一个旋转关节，由手指组成的手掌与之相连。腕关节处有一个伺服电机。 |
图片描述 |
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致动器 |
| 促动器是使运动成为可能的装置。执行机构的基本形式是电动机。驱动器是一种将能量转化为运动的机械装置。它们是将输入信号(主要是电气信号)转换为电气信号的设备。所使用的各种电动机有: |
| 1.直流电机:用于控制机器人手指的运动。 |
| 2.伺服电机:用于控制机器人的手腕和肘部运动。 |
| 执行器通常是线性或旋转执行器。它们也可以是电动的、气动的或液压的。通常，电动执行器或电机更适合高速、低负载应用，而液压执行器更适合低速和高负载应用。气动执行器类似于液压执行器，除了它们通常不用于高载荷。执行器安装在机械臂末端。这些是用来促进机械臂的运动。 |
| 传动装置是执行器和机械连杆接头之间的元件。 |
| •通常有三个原因: |
| •执行器输出通常不直接适用于驱动机器人连杆。 |
| •执行器的输出可能在运动上与关节运动不同。例如，线性驱动器在运动学上与它驱动的肘关节不同。因此，由三个被动关节和线性致动器组成的连杆机构可以看作是将致动器的线性运动转换为肘关节的旋转运动的传动装置。 |
| •执行器通常又大又重，将执行器定位在关节处通常是不实际的。首先，大型驱动器有很大的惯性，它们比组成机械连杆的连杆更难在空间中移动。因此，最好将它们安置在一个固定的基地上。其次，由于它们的大小，它们可以阻碍机器人的一个或多个连杆的运动。因此，找到将动力从驱动器传输到关节的远距离的连杆或电缆并不罕见。 |
| 传感器 |
| 传感器是一种测量物理量并将其转换为可被仪器读取的信号的设备。机械臂的控制是基于对感官信息的正确解读。这些信息既可以在机器人内部获得(例如，关节位置和电机扭矩)，也可以通过各种传感器从外部获得。 |
| 电位计 |
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| 本例中使用的传感器是电位器。电位器(俗称“锅”)是一个带有滑动触点的三端电阻，形成一个可调分压器。雷竞技网页版安装在人手指上的传感器能感应到手指最轻微的动作，并相应地向微控制器发送信号。这些信号是阻值变化的结果，而阻值的变化总是由于我们手指的运动而产生的。由于电阻的变化，不断变化的电压信号被馈送到微控制器。 |
| 所使用的不同类型的传感器有: |
| 1.触觉传感器 |
| 2.时间飞行传感器 |
| 3.指南针 |
| 4.杂项 |
| 控制器 |
| 控制器提供控制机械臂系统所必需的智能。它查看感官信息并计算必须发送到执行器以执行指定任务的控制命令。 |
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| 控制器一般包括: |
| •存储从传感器获得的控制程序和机器人系统状态的存储器 |
| •计算单元(CPU)，用于计算控制命令 |
| •与外部世界连接的适当硬件(传感器和执行器) |
| •用户界面的硬件。 |
| 我们使用的是Atmel ATmega 32微控制器。它是一个内置模数转换器(ADC)的8位微控制器。ADC有8个通道，即它可以将8个模拟值转换为数字值。ADC的分辨率为10位 |
| 微控制器处理模拟信号，并根据给定的指令集给出所需的输出。这个输出作为电机的输入，导致机械臂的运动。 |
应用程序 |
| 机械臂在各个领域都很有用。它的主要工作是减少人类的努力。机械臂在机械强度大、危险环境和对人的手臂工作有较高难度的工作场所，是一种非常有效的工具。它提供了工作的灵活性，消除了工作单调的问题。机器人手臂可以自主或手动控制，可用于执行各种任务，具有很高的准确性。因此，它在以下领域具有重要意义: |
| •机械臂可以是固定的或移动的(即轮式)，可用于工业或家庭应用。 |
| 机械臂在医学领域也有很大的应用。 |
| 机械臂是航天飞机系统不可分割的一部分。例如-航天飞机遥控系统。 |
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| 汽车工业是机器人技术发展的重要伙伴之一。在汽车工业中，机械臂主要用于: |
| •各种零件的焊接 |
| •零件装配的稳健性和精度 |
| •操作非常重的负载 |
| •用于喷漆室。 |
| •用于难以到达的地方。 |
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| 医疗 |
| •机械臂可用于假肢。 |
| 核能源 |
| •核发电机装置是我们可以发现大量机器人应用的地方。 |
| •用于核反应堆的维护。 |
| •用于更换放射性燃料管。 |
| •密封污染区域的放射性泄漏。 |
| •在不损害工作人员健康的情况下对放射性区域进行清洁和净化也是必要的。 |
| 水下检验 |
| •机器人用于人体无法生存的水下检查 |
| •多年来，潜水机器人一直被用于探索海床。 |
| •救助遇难人员 |
| •找回坠毁飞机的黑匣子。 |
| •探索深海和古老的沉船，以找到它们的秘密。 |
| •检查大坝被淹没的一侧，以检测裂缝。 |
| •检查和维护采油平台。 |
| 人体运动学 |
| 在开发灵巧手时，接近人手的运动学是我们的首要任务。该手有20个驱动自由度和另外4个欠驱动运动，共24个关节。每个关节的活动范围与人手相同或非常接近，包括拇指，甚至小指的手掌弯曲。[6] |
| 人类大小的 |
| 暗影灵巧手是一个微型化的壮举。在与人手相同的外壳中，我们包装了高度感应的指尖，每个关节的位置传感器和手掌上的控制板，允许通过附加组件进行系统扩展。这大大提高了操作能力，例如在特定任务中佩戴标准手套进行保护 |
robonaut |
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| Robonaut是美国宇航局位于德克萨斯州休斯顿的约翰逊航天中心(JSC)的Dextrous机器人实验室开展的一个类人机器人开发项目。Robonaut与目前其他太空机器人的不同之处在于，目前大多数太空机器人系统(如机械臂、起重机和探测车)都是为了移动大型物体而设计的，而Robonaut的任务要求更高的灵活性。Robonaut系列的核心理念是让人形机器与宇航员一起工作。它的外形和灵活性的设计使机器人可以使用太空工具，并在适合宇航员的类似环境中工作。太空旅行最有趣的事情之一就是剧情。人类将自己置于神奇的交通工具中，进入一个几乎超出想象的完全敌对的环境，然后用文字和图片为我们描述他们的经历。如果没有宇航员为我们提供文字和月球景观的粗糙黑白照片，登月就不会是这样了。然而，人类太空探索的问题是，人体太脆弱，无法承受太空的恶劣条件。我们已经了解到太空旅行会对宇航员造成伤害。太空中的温度可以在248华氏度(120摄氏度)到-148华氏度(-100摄氏度)之间波动，而且地球上也没有大气层来保护我们免受太阳辐射的伤害。 In order to survive, astronauts must wear bulky space suits that cost about $12 million each. Space suits are not practical for an emergency situation. NASA has recognized the frailty of our bodies and is preparing a new breed of astronauts to perform some of the more difficult tasks in space. These new space explorers won't need space suits or oxygen to survive outside of spacecraft. These Astronauts are called Robonauts which will assist humans in future space applications. |
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| 机器人的各个部分是: |
| •头 |
| •躯干 |
| •腿 |
| •武器 |
| •手 |
结论及未来范围 |
| 使用尚未开发的执行器设计控制系统是提出的设计过程中最相关的部分。人手的研究在拟人化建筑的设计中起着重要的作用，因为它展示了成功的多功能性、灵活性和操作能力。现有的传感器系统可以被先进的传感器取代，以提高系统的精度。 |
参考文献 |
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