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橋式起重機小車運行機構設計
譯 文
摘 要
本文提出了自動機械衛(wèi)星（RS）雙機械手協(xié)調運動的規(guī)劃設計?；谖⒅亓Νh(huán)境下RS運動特性的分析，兩個機械手分為主機械手和從機械手。接著介紹了雙機械手RS協(xié)調運動的四種模式：穩(wěn)定功能、平衡功能、調整功能和協(xié)作運轉。還介紹了雙機械手的運動規(guī)劃算法。最后，給出了微重力環(huán)境下，RS俘獲目標實驗模型的四種協(xié)調運動的計算機仿真結果。仿真試驗顯示本文所提出的運動模型和規(guī)劃算法是非常有效的。
關鍵詞：自動機械衛(wèi)星、運動規(guī)劃、雙機械手協(xié)調運動、構位空間、微重力環(huán)境
0 介紹
隨著空間技術的發(fā)展，諸如構造和修理人造衛(wèi)星和航天飛機等的航天員艙外活動越來越多。但是，航天員艙外活動非常危險并且費用昂貴，因此使用空間機器人來代替宇航員的需要變得日益急迫。這種機器人可以在太空中自由飛行，因此命名為自由飛行空間機器人。自動機械衛(wèi)星就是自由飛行空間機器人的非常重要的一類，它由人造衛(wèi)星和安裝在人造衛(wèi)星上的機械手組成。
空間機器人需要多機械手來在微重力環(huán)境下進行復雜的操作，雙機械手RS是多機械手系統(tǒng)中重要的一員，并且雙機械手的研究是多機械手研究的基礎。為了增加機械手的功能并降低它們之間的意外干擾，應該研究RS多機械手的協(xié)調運動。多機械手的協(xié)調運動包括協(xié)調任務、協(xié)調動作和協(xié)調控制。盡管在[1，2]中提出了有關多機械手RS的動力學和協(xié)調控制，但是多機械手RS協(xié)調運動規(guī)劃的相關研究還是非常有限。
一般機器人的運動規(guī)劃問題是在給定環(huán)境和任務下，尋找無碰撞自動運動路徑和軌道。運動規(guī)劃有多種方法，例如構位空間方法、人工位場方法和拓撲方法。由于RS在空間微重力環(huán)境中缺乏固定基礎，空間機械手的運動將擾亂其基礎人造衛(wèi)星的位置和姿態(tài)，并改變RS機械手的工作空間。直接采取帶有固定基礎的地面機器人的運動規(guī)劃方法 ，以及規(guī)劃路徑和軌道是非常危險的，對RS有可能是錯誤的。因此，對微重力環(huán)境下RS運動特性的研究是非常重要的。
1 微重力環(huán)境下RS的運動特性
這里討論的RS由人造衛(wèi)星主體和k空間機械手組成。假設沒有外力和外部扭力施加在該系統(tǒng)上，并且RS可以在微重力環(huán)境中自由飛行或飄浮。機械手的每一處接點都是由扭力控制器控制的旋轉接點。整個系統(tǒng)的能量守恒。
如果第j個空間機械手具有nj個旋轉連接，則系統(tǒng)可以被看作是由N1個鏈接（N＝n1+n2+…+nk）組成的多鏈接自由飛行（飄?。┫到y(tǒng)。研究人造衛(wèi)星的姿態(tài)時，要在衛(wèi)星主體上建立協(xié)調系統(tǒng)。如果Ω和Φ分別是RS衛(wèi)星姿態(tài)角矢量和空間機械手接點角矢量，它們分別為3-D和N-D矢量。衛(wèi)星姿態(tài)的極小改變δΩ可以表示為機械手極小運動δΦ的函數(shù) δΩ＝G(Φ) δΦ………………………………………………………(1)
此處，G是一個 3×N的擾動靈敏度矩陣。δΩ定義為瞬時擾動。G的奇異值分解給出了衛(wèi)星最大干擾和最小干擾的方向和數(shù)量。如果Φ的變化量ΔΦ使衛(wèi)星姿態(tài)的變化量為ΔΩ，在公式（1）的數(shù)值積分將給出一個新的公式：ΔΩ＝F(Φ, ΔΦ) ………………………………… (2)
公式（2）表達的方程由一個不能顯式表達的數(shù)值積分得到。這需要對G重復進行數(shù)值積分的大量的計算。
2 雙機械手RS地面模型及其C-空間量子化
為了研究RS自主控制技術，首先建立一個RS地面試驗臺，通過空氣軸承來模擬微重力環(huán)境。RS試驗模型可以在試驗臺中自由地飛行。該試驗模型。
如圖2.1所示。
圖2.1雙機械手RS地面試驗模型
假設機械手有N個接點組成，且它們的角度為Φi，i=1，2，…,N。當機械手的基礎固定時，矢量Φ=（Φ1，Φ2…,ΦN）組成機械手的C空間。對于微重力環(huán)境下的RS試驗模型來說，需要其他一些參數(shù)來決定RS的相對位置，例如Ω，人造衛(wèi)星姿態(tài)角矢量。用Ψ=(Ψ1, Ψ2)和Θ=(Θ1, Θ2)和表示兩個機械手的接點角矢量。這里Φ=(Ψ,Θ)，RS模型的相對位置由(Ω, Ψ1, Ψ2, Θ1, Θ2)來確定，其中Ψ1, Ψ2,Θ1,Θ2的值可以相互獨立。任何接點的運動都會影響Ω的值：ΔΩ=F(Ψ,Θ, ΔΨ, ΔΘ)。
其中，F(xiàn)為公式（2）定義的函數(shù)。Ψ（或Θ）的變化會影響衛(wèi)星的姿態(tài)以及衛(wèi)星姿態(tài)矢量Ω的變化，從而導致機械手位置的變化。盡管干擾使控制問題變得復雜，但是依然有可能利用動態(tài)干擾來簡化航天任務。例如，通過機械手的運動，可以將衛(wèi)星姿態(tài)和另一個機械手的位置變動到需要的相對方位上。
由于高維和復雜的動態(tài)控制問題，RS相對位置之間的關系很難用顯式表達。本文提出了C空間量子化方法，即將每個接點角Φi平均地分成Ni個點，如下公式（4）所示：
Φ(i, j)＝Φi’＋（Φi”－ Φi’）·j/（Ni－1）
i＝1,2,3,4. j＝0，1，…，Ni－1 Φi∈[Φi’,Φi”] (4)
因此，機械手的角矢量（Φ1，Φ2，Φ3，Φ4）量化為N1×N2×N3×N4點。定義這些點為參考節(jié)點（C-節(jié)點），并記C-節(jié)點為（a1，a2，a3，a4），ai∈[1, Ni],其中，ai 為正整數(shù)，i=1,2,3,4。對Ω也進行同樣的過程。所有的C-節(jié)點及任意兩個相鄰節(jié)點的鏈接組成了RS量子化C-空間中的一個參考節(jié)點網(wǎng)絡(CNN)。
定義8種C-節(jié)點的相鄰關系，即RS實驗模型的標準運動。對每個具有8種標準運動的C-節(jié)點計算ΔΩ以建立一個標準基。在標準基中，基左邊為向量（a1，a2，a3，a4）和一種標準運動，基右邊為ΔΩ的值。則RS的C-空間就轉化成了一個運動標準基，它刻劃了RS的運動。在這個規(guī)劃中，我們可以從標準基中獲得ΔΩ的值而無須進行大量計算。因此，這種方法可以支持運動規(guī)劃運行得更快。
3 機械手協(xié)調方案
兩個機械手可以平等地工作來實現(xiàn)相同的目標，如共同抓住目標；或不平等地工作，如一個機械手完成需要的操作，另一個在某些方面協(xié)助第一個完成操作。為了分析雙機械手協(xié)調模式，我們提出了相對概念：主機械手和從機械手。
定義
主機械手（M-機械手）：完成主操作任務的機械手叫做主機械手。
從機械手（A-機械手）：幫助主機械手完成主操作任務的機械手叫做從機械手。
A-機械手的協(xié)助功能一般是擾亂衛(wèi)星主體的姿態(tài)。它的影響包括維持衛(wèi)星穩(wěn)定或相對穩(wěn)定，以及使衛(wèi)星主體變換到需要的姿態(tài)或位置。前一個降低M-機械手運動所造成的干擾；后一個通過制造干擾，使主體變換到需要的姿態(tài)。
通過上述分析，我們定義四種RS雙機械手協(xié)調運動模式。
穩(wěn)定功能：A-機械手通過抓取空間中的某些固定結構來穩(wěn)定衛(wèi)星主體。
平衡功能：A-機械手通過移動來使衛(wèi)星免受M-機械手的干擾。
調整功能：A-機械手通過移動來干擾衛(wèi)星的姿態(tài)，來修正M-機械手的操作位置或工作空間。
協(xié)作運轉：兩個機械手同時地平等地進行空間操作。
對于RS試驗模型，四種協(xié)調運作模式通常更形象地表示為：Ψ和Θ分別表示M-機械手的角矢量和A-機械手接點的角矢量；Ω表示主體姿態(tài)矢量。
穩(wěn)定功能：Δθ＝0，ΔΩ＝0，規(guī)劃運動路徑Ψ。
平衡功能：運動路徑Ψ給定，保持Ω不變或在某一特定范圍內(nèi)變動，規(guī)劃運動路徑θ。
調整功能：運動路徑Ψ給定，Ω的初始值Ωi和最終值Ωj給定，規(guī)劃運動路徑θ。
協(xié)作運轉：操作任務給定，規(guī)劃運動路徑Ψ和θ。
4 協(xié)調運動規(guī)劃算法
首先，給定協(xié)調運動模式的一般算法。然后，討論每種協(xié)調運動模式下的特殊問題。
算法
第一步 建立RS運動標準基：
1) 在定義域內(nèi)將Φj平均地分成Ni個點，i=1,2,3,4。
2) 構造C-節(jié)點，表示為（a1，a2，a3，a4）。
3) 對每個節(jié)點和八種標準運動，計算ΔΩ并根據(jù)（a1，a2，a3，a4）的地址存儲在內(nèi)存中。
4) 構造CNN，即RS的運動標準基。
第二步 設計目標函數(shù)f(n)。f(n)由特定的協(xié)調運動模式?jīng)Q定。
第三步 確定符合初始狀態(tài)的節(jié)點n0并計算f(n0)，令n0為表示為n-當前的當前節(jié)點。
第四步 確定符合目標狀態(tài)的節(jié)點和函數(shù)值。
第五步 用A-臨近（n-當前）表示n-當前臨近節(jié)點的集合，并選擇使f值最小的節(jié)點為擴展節(jié)點。在堆棧中保存n-當前并令新的節(jié)點為n-當前。
第六步 如果得到了目標節(jié)點或目標函數(shù)的最終值，轉至第七步。如果經(jīng)過了L步驟，沒有得到最優(yōu)值，則放棄LT節(jié)點并標記路徑。返回第五步。
第七步 將C-節(jié)點序列翻譯為RS操作手的接點角。
第九步 結束。
這里，f(n)是啟發(fā)式搜索中估計函數(shù)。采用A*算法， f(n)＝g(n)＋h(n)，n為n-當前節(jié)點，g(n)是初始節(jié)點n0和n節(jié)點之間的 代價，h(n)是節(jié)點n和目標節(jié)點之間代價的估計。
四種協(xié)調運動模式的C-節(jié)點之間的代價d定義如下。對于穩(wěn)定功能，d表示兩個相對位置下M-機械手末端效應器之間的距離；對于平衡功能和調整功能，d表示兩種狀態(tài)下，衛(wèi)星姿態(tài)角度之差；對于協(xié)調操作，d由目標和兩個操作手末端效應器之間的距離之和決定。
5 計算機仿真
仿真試驗在IBM PC 386上進行，RS運動規(guī)劃和圖形仿真使用C語言來進行編程。
RS模型的主操作是捕獲目標并避免與工作空間中的障礙物發(fā)生碰撞。四種協(xié)調運動模式下的計算機仿真結果如圖5.1－圖5.2所示。
計算機仿真顯示RS雙機械手協(xié)調運動規(guī)劃模式和算法是合理而有效的。3-D RS模型的運動規(guī)劃和計算機仿真是作者的未來研究工作。
圖5.1 調整功能 圖5.2 協(xié)調操作
參考書目
[1].Yoshida K, Umctani Y. Dual-arm Coordination in Space Free-flying Robot. In Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1991, 1516-1521.
[2].Papadopoulos E. Dubowsky S. Coordinated Manipulator/Spacecraft Motion Control for Space Robotics System. In. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1696-1701.
劉宏，生于1967年7月25日，分別在東北科技大學和哈爾濱工程大學獲得理學士學位和理碩士學位，他的導師為蔡鶴皋和洪炳熔教授。他的研究方向包括機器人技術和自主控制。
計算機數(shù)控機床的安全和維護
1 計算機數(shù)控機床的安全操作注意事項
在金屬切削操作中安全性一直是特別受關注的．由于計算機數(shù)控設備自動化程度高并且速度快，所以它是一個危險源。為了防止人員傷害和對設備的損壞，必須找出存在危險的根源，且操作人員必須提高警惕。主要的 潛在危險包括：旋轉部件，如主軸、主軸內(nèi)的刀具、卡盤、卡盤內(nèi)工件、帶著刀具的轉塔刀架以及旋轉的夾具裝置；運動部件，如加工中心的工作臺、車床拖板、尾架頂尖，多工序旋轉托盤；程序錯誤，例如G00代碼的不正確使用而引起坐標值錯誤，產(chǎn)生意想不到的快速移動；設置或改變偏移值時出錯，可能導致刀具與工件或刀具與機床之間的碰撞；隨意地更改已驗證的程序，也會引起機床產(chǎn)生危險動作。為了減少或避免危險，盡量遵循以下保護措施。
(1) 使用機床制造商提供的機器原有保護罩。
(2) 帶上安全眼鏡、手套，穿上合適的衣服和鞋。
(3) 不熟悉機床操作前不要開動機床。
(4) 運動程序之前，確認零件已被正確夾緊。
(5) 驗證一個程序時，遵循下列安全步驟：
2 啟用機床鎖定功能運行程序，檢查程序中的語法錯誤 和幾何軌跡。
2 使用RAPID OVERRIDE快速倍率開關降低速度或空運行程序。
2 采用單程序段執(zhí)行來確認程序中的每一行。
2 刀具切削時，用FEED OVERRIDE進給倍率開關減慢進給速率，防止超負荷切削。
(6) 禁止用手處理切屑以及用切屑鉤子弄斷長而卷曲的切屑。編制不同的切屑狀態(tài)程序以便更好地控制切屑。如果要徹底清除切屑，應當關閉機床。
(7) 如果懷疑刀片在編程的切屑狀態(tài)下有可能折斷時，可選擇一個更厚的刀片及減少進給或切屑深度。
(8) 盡可能保持刀具懸出短些，因為它可能成為一個導致刀片折斷的振動源。
(9) 當頂尖支撐一個大零件時，確保中心孔足夠大足以支撐和夾住零件。
(10) 換刀、查找刀片或清理切屑時關閉機床。
(11) 替換已磨損或損壞的刀具和刀片。
(12) 列出現(xiàn)行刀具的偏移良清單，從機床上取下刀具，清除（設置為0）刀偏。
(13) 在未得到主管許可的情況下不得擅自更改程序。
(14) 如果你有任何與安全有關的擔憂，立即通知你的技術指 導和主管。
2 日常維護
2.1 外觀檢查
(1) 伺服電動機、探測器或數(shù)控主單元上的機床用油（切削 油，潤滑油）或者滲漏情況檢查。
(2) 可移動部件的電纜上有無損傷或電纜絞后合情況檢查。
(3) 過濾器堵塞情況檢查。
(4) 控制面板的門是否打開檢查。
(5) 外部環(huán)境震動檢查。
(6) 數(shù)控裝置單元是否放置在有灰塵的位置。
(7) 引起高頻的某物體是否位于控制單元附近。
2.2 檢查控制單元內(nèi)部
檢查以下故障是否被排除：
（1） 電纜連接器松動
（2） 裝配螺釘松動
（3） 固定放大器螺釘松動
（4） 冷卻風扇工作異常
（5） 電纜損傷
（6） 印刷電路板插入不正確
2.3 故障診斷和維修
當發(fā)生運行故障時，應找出原因以便采取適當?shù)拇胧┡懦榇?，應?zhí)行下列檢查：
2.3.1 檢查故障發(fā)生狀態(tài) 檢查下列幾個方面：
(1) 故障出現(xiàn)時間？
(2) 在何種操作過程中出現(xiàn)故障？
(3) 什么故障？
(4) 故障何時發(fā)生？
即故障發(fā)生時的具體時間。
(5) 在何種操作過程中發(fā)生故障？何種運行方式？
a) 對于某項自動操作…程序號，序列號，程序內(nèi)容？
b) 對于手動操作…模式？
c) 什么操作步驟？
d) 前一步和后一步操作？
e) 設置/顯示的單元屏幕是什么？
f) 是否發(fā)生在輸入輸出操作過程中？
g) 機床系統(tǒng)狀態(tài)如何？
h) 是否發(fā)生在換刀過程中？
i) 受控制的軸跟蹤檢測情況如何？
(6) 發(fā)生了什么故障？
(7) 設置/顯示的單元屏幕上警告監(jiān)測的報警內(nèi)容。
(8) 運用顯示警報診斷屏幕來檢查報告內(nèi)容。
(9) 驅動放大器狀態(tài)顯示什么？
(10) 根據(jù)驅動放大器狀態(tài)顯示檢查報告內(nèi)容。
(11) 加工順序報警顯示表示什么？
(12) CRT顯示屏幕是否正常？
(13) 控制軸是否在跟蹤？
(14) 故障頻率
(15) 什么時候故障發(fā)生？頻率怎樣？（另一臺機床的操作過程中故障是否出現(xiàn)？）
(16) 如果頻率很小或者在另一臺機床的操作過程中出現(xiàn)故障，那么，故障的原因可能是供電電壓的干擾。在這種情況下，檢查a.供應電源是否正常（在另一臺機床的操作過程中是否發(fā)生瞬時壓降？）b.采取措施抗干擾。
(17) 是否發(fā)生在特殊工作模式？
(18) 什么時候達到最高行程？
(19) 同一類工作的頻率是多少？
(20) 當執(zhí)行相同操作是故障是否發(fā)生？（重復性檢查）
(21) 改變狀態(tài)（進給倍率，程序內(nèi)容，加工順序等等）。
(22) 是否發(fā)生相同的故障？
原文說明
原文說明的內(nèi)容是：提出了自動機械衛(wèi)星（RS）雙機械手協(xié)調運動的規(guī)劃設計。接著介紹了雙機械手RS協(xié)調運動的四種模式。還介紹了雙機械手的運動規(guī)劃算法。最后，給出了微重力環(huán)境下，RS俘獲目標實驗模型的四種協(xié)調運動的計算機仿真結果。仿真試驗顯示本文所提出的運動模型和規(guī)劃算法是非常有效的。另一篇是介紹計算機數(shù)控機床的安全和維護。
題名：《自動機械衛(wèi)星雙機械手協(xié)調運動的規(guī)劃設計》
《計算機數(shù)控機床的安全和維護》
作者：劉宏 洪炳熔 蔡鶴皋
蔣忠理
來源：高校出版社《自動機械衛(wèi)星機械手》
機械工業(yè)出版社《機電與數(shù)控專業(yè)英語》
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