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附件1：外文資料翻譯譯文
獨(dú)立動力單臂機(jī)器人
摘要：本文介紹了獨(dú)立動力的平面單臂機(jī)器人的構(gòu)思和初步結(jié)果。機(jī)器人二個(gè)自由度由液壓油驅(qū)動，一個(gè)臂控制。它運(yùn)用的是液壓反推裝置，一種能精確的提供高壓，工作臺面寬度一般并且阻抗力很小的控力裝置。這些裝置安裝在機(jī)器人的身體部位，用電纜將能量傳送到臀部和腿的關(guān)節(jié)處。液壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動著一個(gè)排量恒定的給蓄電池增壓的泵。因?yàn)橛玫氖蔷€性譯碼器，每個(gè)反推裝置的絕對位置和彈簧的壓縮都可測量的。彈簧壓縮量轉(zhuǎn)化為輸出力，利用軟件使用循環(huán)算法把控制力與需要的力相比。輸出信號的每個(gè)力控制器驅(qū)動著高性能的伺服閥門，控制著液體流向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞。
在設(shè)計(jì)機(jī)器人過程中，我們用了以模擬為基礎(chǔ)的重復(fù)多次的設(shè)計(jì)方法。初步概算的機(jī)器人的物理參數(shù)是基于以往的經(jīng)驗(yàn)并且形體上更逼真的機(jī)器人的仿真模型。其次，控制算法模擬出它在平面上的跳躍。從模擬中的關(guān)節(jié)的能源要求和移動范圍，我們再反推出需要的滑輪的直徑，活塞的直徑，行程，液壓，伺服閥門的流量和帶寬，齒輪泵的額定流量和發(fā)動機(jī)功率。符合或超過技術(shù)要求的零件被選出來集成到機(jī)器人里去，運(yùn)用CAD軟件，我們計(jì)算出設(shè)計(jì)的機(jī)器人的物理參數(shù)，將它們代替先開始用CAD估算出來的數(shù)據(jù)，然后生產(chǎn)出新的能源要求的連接器。我們不斷重復(fù)這些工作，最終得到了設(shè)計(jì)中的提到的已校正過的原型。
一般來說，除去體外的泵產(chǎn)生的力，在慣性作用下，機(jī)器人以大約1.2m/s的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，。在試驗(yàn)臺上，最終試驗(yàn)的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載到機(jī)器人實(shí)體上去。當(dāng)除去電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的慣性力以后，機(jī)器人普遍以大約2.25m/s的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。目前進(jìn)行的工作是把電力系統(tǒng)集中到機(jī)器人本身，總結(jié)出控制的方法，研究出提高工作效率的方法。
1. 介紹
實(shí)用機(jī)械手因?yàn)閯恿ζ胶庖?，?fù)雜的設(shè)計(jì)和動力系統(tǒng)等原因正在接受挑戰(zhàn)。為了研究動力自主機(jī)械手，我們開發(fā)了一個(gè)高壓液壓系統(tǒng)驅(qū)動的雙缸發(fā)動機(jī)提供動力的動力自主機(jī)器人。這種機(jī)器人是一個(gè)平面機(jī)器人，由一個(gè)半徑12英尺的構(gòu)架限制表面范圍。它有2個(gè)自由度，一個(gè)導(dǎo)桿和曲柄。液壓執(zhí)行裝置固定在機(jī)身上，通過鏈條傳遞到導(dǎo)桿和曲柄。
單臂機(jī)器人被設(shè)計(jì)為一個(gè)適合多樣性技術(shù)的測試平臺，它包括：
·液壓彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置 液壓執(zhí)行裝置要考慮到高準(zhǔn)確性, 適度帶寬壓力控制，一些機(jī)器人利用彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置,而單臂機(jī)器人是第一臺應(yīng)用液壓型執(zhí)行裝置的機(jī)器人 。
·虛擬轉(zhuǎn)動彈簧 轉(zhuǎn)動的支架定位經(jīng)常仿造在彈簧上, 它表示轉(zhuǎn)動效率取決于肌肉組織和筋（見參考文獻(xiàn)[4]）。為了加快效率和簡化控制，大多數(shù)機(jī)器人利用的是一個(gè)物理支管彈簧（見參考文獻(xiàn)[5]。單臂機(jī)器人是一個(gè)決定在轉(zhuǎn)動機(jī)器人中是否能用虛擬彈簧替代實(shí)體彈簧的測試平臺。 當(dāng)單臂機(jī)器人完成試用，我們將模擬一個(gè)使用可控制的虛擬支撐彈簧。
·彈性串聯(lián)執(zhí)行裝置的特性 如果在實(shí)體彈簧中沒有得到效率補(bǔ)償，機(jī)器人靈活的保持控制, 彈簧彈回完全支配合成力。
·高密度，移動性，液壓動力系統(tǒng) 為了使機(jī)器手臂更實(shí)用，必須要研制高動力和高能量系統(tǒng)。燃油驅(qū)動液壓系統(tǒng)是一個(gè)使人感興趣的選擇。然而，現(xiàn)在缺少輕便的解決方法，而且專家這方面的知識比腿部機(jī)器人的知識更加集中。單臂機(jī)器人是可以成為一個(gè)能給與其他機(jī)器人提供液壓發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的發(fā)展項(xiàng)目和測試平臺 。
在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中, 我們反復(fù)利用了個(gè)仿真設(shè)計(jì)程序。我們以各種不同的速度和不同的總數(shù)塊運(yùn)行了機(jī)械手，現(xiàn)實(shí)模擬而且得到了物理參數(shù)和聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度、和運(yùn)動范圍要求。使用這些功率的聯(lián)合器,我們能夠計(jì)算出系統(tǒng)的壓力和流程需求，而且可以選出一些符合那些規(guī)格部件來。然后在SolidWorks里把這些部件連同機(jī)械手結(jié)構(gòu)一起做成模型，得到的新的機(jī)械性能被加載到模型里進(jìn)行模擬。重復(fù)這一個(gè)程序，直到原型設(shè)計(jì)成份選擇出來。
2.模擬仿真
為了確定單臂機(jī)器人的電力需求，我們用Yobotics Simulation Construction Set軟件進(jìn)行了最真實(shí)的模擬。在模擬實(shí)驗(yàn)中，我們假設(shè)彈力腿部的回彈力為0。這是一個(gè)非常保守的設(shè)定，因?yàn)橛涊d數(shù)據(jù)顯示奔跑的動物和幾乎所有移動機(jī)器人的彈力腿部的回彈力都很大。我們打算最后修改彈力腿部構(gòu)造的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，先假設(shè)回彈力為0，其一確保電力系統(tǒng)超過最終機(jī)器人所需的要求，其二因?yàn)閺椓ν炔渴潜容^難模擬的，我們要準(zhǔn)確的確定它提供哪種電力儲備系統(tǒng)。
我們總結(jié)了模擬機(jī)器人以3.5m/s速度行走時(shí)的控制法（圖1），算法類似于Raibert （見參考文獻(xiàn)[5]）的三工位計(jì)算，但是稍做了修改。工步通過控制垂直方向的上下速度進(jìn)行控制，而不是通過底部的彈簧片組的壓縮得到。因?yàn)閱伪蹤C(jī)器人的腿部彈簧是假設(shè)的，并且臀部和膝蓋的力是任意假設(shè)給定的，所以這完全有可能。相對來說，大多數(shù)可移動機(jī)器人的腿部彈簧是真的并且規(guī)定了相應(yīng)的跳躍。如果真實(shí)的速度比需要達(dá)到的速度更少，除了經(jīng)過腳安置控制向前的速度之外，需要增加一個(gè)速度控制機(jī)延遲推進(jìn)。
我們在各種不同的身體塊中做模擬以完善機(jī)械手的設(shè)計(jì)。到目前為止，當(dāng)輕量級 (94 磅) 模擬速度為3.5m/s時(shí), 重量級的模擬速度只有2.5m/s。圖1表示的是94 磅重的機(jī)器人在 速度是3.5 m/s時(shí)模擬賽跑的一個(gè)截圖。
圖1 43公斤(94磅)單臂機(jī)器人以3.5 m/s的速度模擬賽跑的圖像動畫
圖像間隔0.05秒。從右向左運(yùn)動。
在運(yùn)動中，聯(lián)合關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)力矩、速度和力量在一個(gè)完全的周期期間改變。表 1顯示了模擬奔跑時(shí)運(yùn)動的轉(zhuǎn)力矩、速度、力量和范圍的最大值。液壓系統(tǒng)的組成部分按照聯(lián)合關(guān)節(jié)處的力量數(shù)據(jù)來選擇。
表1 模擬聯(lián)合關(guān)節(jié)處以最大速度運(yùn)動時(shí)的力量要求
最大臀部轉(zhuǎn)力矩
360 Nm
266 ft-lb
最大膝轉(zhuǎn)力矩
360 Nm
263 ft-lb
最大臀部速度
24 rad/sec
224 RPM
最大膝速度
28 rad/sec
264 RPM
最大臀部力
4450 W
5.96 HP
最大膝力
4205 W
5.63 HP
最大總力
6025 W
8.07 HP
平均力
1550 W
2.08 HP
最大臀部旋轉(zhuǎn)
1.70 rad
97.3 deg
最大膝旋轉(zhuǎn)
1.12 rad
63.7 deg
3.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)前，我們對于單臂機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)做一些設(shè)想。
1) 假設(shè)動力元件牢牢的裝在機(jī)器人的身體部位并且用電纜和滑輪機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)處連接好。通過放置在機(jī)器人身體上的動力元件（正如直接安置在機(jī)器人腿上的反推裝置），可以將機(jī)器人腿的質(zhì)量減到最小，并可以使它達(dá)到很快的運(yùn)動速度。
2) 假設(shè)動力元件是線性的，而不是螺旋的。液壓直活塞相比螺旋液壓活塞更容易運(yùn)用，更便宜更輕。此外，用螺旋液壓活塞很難執(zhí)行連續(xù)的彈性沖擊。這是因?yàn)橄鄬τ趬嚎s彈簧，扭彈簧性能很差，并且生產(chǎn)扭彈簧的過程很復(fù)雜。
圖2 單臂機(jī)器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖
圖2表示的是單臂機(jī)器人的液壓循環(huán)圖。紅線表示的高壓供應(yīng)路線，藍(lán)線表示的低壓返回路線。恒量泵由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，給油箱外的低壓油增壓并使它們沖過各種障礙。如果流進(jìn)去，液體正常的通過一個(gè)節(jié)流閥，在這對蓄電池加壓。電腦控制著的電磁閥可以間隔的通過一個(gè)油液冷卻器阻止液體回流到油箱。當(dāng)積聚的力已經(jīng)達(dá)成被需要的最大值如一個(gè)壓力感應(yīng)器所測量的壓力的時(shí)候，運(yùn)用并聯(lián)電路。高壓力液體被儲存在油箱中，直到二個(gè)伺服閥門之中任意一個(gè)啟動。如果壓力在積聚者中變成太高,一個(gè)壓力減輕閥門將會交替地把液壓油轉(zhuǎn)移回到油庫。伺服閥門控制每個(gè)活塞的壓力和流量。 如活塞被循環(huán),回返液體經(jīng)過油冷卻器被送回到油庫,如此完成周期。
3.1液壓成分選擇
液壓的系統(tǒng)配置相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)。困難在于在沒有設(shè)計(jì)說明書的情況下挑選出符合單臂機(jī)器人力量要求的組成部件，還要留下余量。圖 3 是成份選擇程序的示意圖。
圖3 成分選擇過程示意圖
3.2.滑輪和活塞直徑
我們從模擬中為單腳架估算了運(yùn)動的聯(lián)合轉(zhuǎn)力矩、速度和范圍。力量經(jīng)過繞過滑輪的鋼電纜被傳送到關(guān)節(jié)，而且這些鋼的電纜由液壓活塞驅(qū)動。在選擇活塞和滑輪直徑方面，假定操作壓力為3000PSI,這是一個(gè)廣泛承認(rèn)的超高壓標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)壓力超過3000PSI時(shí)，設(shè)備變成非常重而且貴。
考慮滑輪直徑的同時(shí)，還必須考慮電纜壽命。非常小的皮帶輪對鋼索會產(chǎn)生顯著的彎曲應(yīng)力，從而使電纜壽命退化。按照電纜制造業(yè)情況，滑輪直徑應(yīng)該是大約包圍在它周圍的電纜的直徑的25 倍。我們初步選擇了一個(gè)直徑為0.188英寸的電纜，因?yàn)樗臄嗔褟?qiáng)度（ 2000磅）差不多達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)制造業(yè)者的 25X 因素,我們得到了一個(gè)直徑為4.68 寸的滑輪。取整數(shù),使用一個(gè)直徑為4.75英寸的滑輪。用這個(gè)帶輪直徑和3000PSI的設(shè)計(jì)壓力，計(jì)算出扭矩為266英尺-磅條件下的活塞直徑是 0.770 英寸。保守起見，選擇了活塞直徑為0.75英寸。注意驅(qū)動力（指電纜力）為0.75英寸直徑的活塞是1324磅，少于額定強(qiáng)度電纜2000磅。汽缸直徑為0.75英寸和滑輪直徑4.75英寸，模擬產(chǎn)生的最大壓力和流速如表2所示。
表2 活塞直徑為0.750英寸，帶輪直徑為4.75英尺時(shí)模擬的最大壓力值和流量
最大臀部主動器壓力
20.68 MPa
3000 PSI
最大膝主動器壓力
20.68 MPa
3000 PSI
最大值髖舵機(jī)流速
4.02e-4 m3/s
6.38 GPM (24.5 in3/s)
最大值膝動器流速
3.895e-4 m3/s
6.17 GPM (23.8 in3/s)
最大總動器流速
6.385e-4 m3/s
10.12 GPM (39.0 in3/s)
平均流速
1.98e-4 m3/s
3.14 GPM (12.1 in3/s)
在圓筒和滑輪直徑選擇方面，我們用了模擬模型為單臂機(jī)器人結(jié)束產(chǎn)生壓力和流程需求而且延長時(shí)間的時(shí)期。從這個(gè)壓力和流量的數(shù)據(jù)中抽取了平均流量、洪峰流量和壓降。這方面的資料，用來選擇主要系統(tǒng)組件，包括伺服閥、散熱器、蓄能器、齒輪泵等。
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