6自由度的SCARA操纵器的设计构造和控制外文文献翻译、中英文翻译

附录1：外文翻译6自由度的SCARA操纵器的设计构造和控制Claudio Urrea, Juan Corts, Jos Pascal应用研究与技术学报14（2016）396-404摘要：提出了具有6自由度（DOF）的机器人操纵器的设计和实现，它构成了可以测试和研究各种控制技术的物理平台。 机器人具有机械，电子和控制系统，为其设计和实现的直观图形界面允许用户轻松地命令该机器人并为其生成轨迹。 实现这项工作需要将电子，微控制器编程，MatLab / Simulink编程，控制系统，PC和微控制器之间的通信，机械，组装等方面的知识整合在一起。关键词：机器人系统; 工业机器人;SCARA; 设计; 控制系统1.介绍在过去的几十年中，机器人技术在过程自动化方面发挥了非常重要的作用，机器人操纵者在几个生产领域的发展中起着主导作用。 如今，工业机器人被用于各种任务的自动化，例如组装，转移材料，各种焊接，材料的精密切割，码垛，涂装，远程外科手术等许多可能的应用（Lpez，Casteln，Castro ，Pena，Osorio，2013; Siqueira，Terra，Bergerman，2011）。 通常，工业机器人被用于执行重复的作业和/或需要精确度和人难以达到的速度。 这使得有可能提高产品的质量和生产效率（Ben-Gharbia，Maciejewski，Roberts，2014; UrreaKern，2014）。 因此，工业机器人越来越多地用于现代和自动化生产过程以及危险应用中，其使用明显是合理的。另一方面，工业机器人每天可以在许多小时内执行任务，而不会因为目前高度发达和强大的设备而不会失败而变得疲劳或者失去精度或有效性。 因此，要了解，研究，改进，重编程和适应这些系统到不同的场景是必要的，所以用户可以尽可能地从中获益（Gmezet al。，2014; SicilianoKhatib，2008; UrreaKern，2014）。目前的工作源于迫切需要有实际的平台进行科学研究和相应的验证。 除了提出和验证新的控制系统之外，实现具有6自由度的机器人操纵器允许改进工业机器人的控制系统。 因此，本文介绍了具有SCARA1配置的机器人的设计和构造过程，在当今行业有很大的应用（UrreaKern，2012）。2.先进的技术2.1 工业机器人有各种类型的机器人，这取决于它们的物理配置可以分为多种联合的，移动的，zoomorphic的，android和混合的。 在许多关联类中，我们有像图1所示的工业机器人（Adept - SCARA机器人，n.d.）。工业机器人可以被认为是对应于机械手或机械臂，终端执行器，电动机元件或致动器，信息传感器和控制器的一组集成子系统SCARA操纵器具有精度和速度稳定工作所必需的功能（Yamazaki，2014）。由于这个原因，它们被广泛应用于工业装配任务（Wang，Liu，Wei，Xu，Zhang，2014）。已经为这些机器人开发了不同的应用，例如，Wang等人（2014）设计了一个带有双CPU的控制系统，其中基于C +（ROBOOP）中的Robotics Object Oriented Package实现了逆运动学和动力学分析。此外，Surapong和Mitsantisuk（2016）使用SCARA机器人来实现干扰观测器（DOB），而不是力传感器来控制位置并估计外力。另一方面，在Jo和Cheol（2001）中，模糊滑模控制器被设计用于改进快速操作中的特征以及这种类型的控制器的换向效应。该算法通过数字信号处理器（DSP）在SCARA机器人中实现。同样，使用类似特征的机器人，Rossomando和Soria（2016）实现了一种自适应神经网络滑模控制器来补偿机器人的动态变化。此外，Prajumkhaiy和Mitsantisuk（2016）提出了一种补偿SCARA操纵器中的摩擦力的方法，以减少产生的热量，从而防止在操作期间机器人损坏，从而延长工作时间。最后，Bruzzone和Bozzini（2011）进行了一项研究，旨在提高这种机器人机器人的能量效率。2.2机器人控制机器人控制的目的是向关节发送控制信号，使机器人遵循指定的轨迹。已经开发了许多具有不同特性和复杂性的控制算法。现在列举了一些在闭环方案下运行的机器人操纵器的联合控制策略：解耦接头控制，计算扭矩，自适应控制，增益调度或增益规划，自适应计算控制器参考模型，自适应计算对控制器，力控制，鲁棒控制，学习控制等。在列出的控制策略中，本文中使用的控制策略对应于解耦控制，因为我们只是旨在验证这个新设计和实现的机器人的正确功能。这种控制技术实现起来相当简单，因为它不考虑机器人关节之间产生的扰动，即每个关节通过一个PID控制器每个关节以独立的方式来控制每个关节。 PID控制器本质上尝试纠正产生错误的扰动，这必须被抵消（Siqueira等，2011; UrreaKern，2014）。该控制器产生对应于三个项的和的控制信号：项P与误差成比例，项I与误差的积分成正比，项D与误差的导数成正比。以下公式描述了这种类型的控制器：e = ys p- y，其中u是控制信号，e是控制误差，ys是设定值，y是测量过程变量（实际值）。 控制器的参数是比例增益K，积分时间Ti和微分时间Td。在表1中，显示了SCARA操纵器中使用的控制器的参数值3.一般设计3.1 完整的系统与使用MatLab / Simulink软件（Mathworks，n.d.）的PC控制器进行通信的SCARA操纵器被设计和构建（Southern Plantaids Pvt.Ltd，n.d.）。 由于机器人和PC控制器必须彼此交互，所以还开发出能执行任务的电子接口，从而构成两部分之间的链接。 系统的总体图如图2所示3.2 机器人用于建造这种机器人的材料是用于固定部件（基座等）的钢和用于移动部件（棱柱形接头等）的铝。 该机器人采用SCARA物理配置。 最初，这个机器人有一个RRP2配置加一个终端执行器，其中添加了两个关节和一个夹具，由于其在当前行业中的代表性，所选择的RRPRRP配置被选择。 图3显示了机器人的设计和尺寸。对于前三个自由度（R1，R2和P3），电机的理想特点是：- 带永久磁铁的直流电机- 带集成行星齿轮的齿轮箱- 齿轮比在1/150到1/100之间- 12 VDC额定电压- 在停止的转子的输出轴上没有运动选定的电机对应于直流电机，齿轮箱包含轴旋转到90，12 VDC，转子停止时输出轴的运动有限。 这些电机主要是由于其扭矩/尺寸比，供电方式和全国市场的可用性。 在表2中，示出了这些电动机的机械和电气特征。这些电机通过来自废弃打印机的光学增量双通道编码器反馈到位。 这种传感器具有迷你电子卡，用于通过使用达尔文轮转动接头和通过用于棱柱形接头的直带来感测角度位置。 因此，实现用于控制机器人关节的各种策略成为可能。对于接下来的两个旋转自由度（R4和R5），优势在于小型重量和大扭矩HITEC数字伺服电动机。机器人（P6）的最后一个执行器是负责打开和关闭夹具的执行器。对于此动作，还使用HITEC数字伺服电机，其从连接到力传感器的电路获得外部夹紧力反馈。表3列出了这些伺服电机的特点。图4示出了机器人操纵器中使用的四个传感器：两个旋转编码器传感器（SR-1和SR-2），线性编码器传感器（SP-3）和FlexiForce力传感器（SF-4）。传感器SR-1和SR-2的工作范围通过基座和R1和R2接头的机械结构限制在270的作业角度。在线性传感器SP-3的情况下，在设计阶段，考虑到其预期用途，认为300mm的长度足以用于该机器人。另一方面，FlexiForce力传感器（尽管是模拟）被编程为设置为0至15的固定值，这些电平与夹具施加在被保持物体上的夹紧力成比例。该机器人的工作空间基本上是圆柱形的，尽管在这种特殊情况下，它非常接近心形（图5）。 机器人占据的这个气缸/心形直径约为一米，高度为30厘米。3.3 电子设计与接口3.3.1 一般说明电子接口是机器人与PC控制器之间的链接，如图6所示。它的目的是提供将PC控制器的数字数据转换为执行器的信号所需的驱动器，并转换信号 将机器人的传感器从数字传送到PC控制器。 信息通过串行端口使用RS-232协议发送。为了简化此接口的设计和实现，考虑了三种系统：通信板，传感器板和执行器板。 这三个板被包含在一个单一的盒子中，如图7所示。另外，它们是相互连接的，不由直流电机和机器人的伺服电动机的相同的电源驱动器进行电连接。 以这种方式，避免了可能导致电子接口操作不良导致的电噪声或干扰的可能问题。数字电子设备中使用的技术是CMOS3，特别是HC系列，由于其优于其他较老技术，如速度，抗噪声能力，能耗等优点。用于实现接口驱动的微控制器是PIC16F628A，因为它具有多种功能，降低了价格。 另一方面，由于需要输入/输出的数量，所以在通信系统中使用PIC18F25020控制器。总而言之，该系统具有四个传感器和六个执行器。 此外，设计并实现了具有允许通信信号调节的电子和微控制器的驱动器。 两个微控制器用于简化接口中通信的编程：一个专门用于处理传感器卡的数据总线并将数据句发送到PC控制器; 另一个专用于从PC控制器接收数据句柄并处理执行器卡的数据总线。放置在R1，R2和P3接头中的直流电机的驱动器通过集成在硬件上的PWM模块的汇编语言编程的PIC16F628A微控制器上实现。3.3.2 按界面进行初始化该界面允许对机器人进行初始化，而无需连接到PC控制器。 每次开启接口时执行此初始化是必须的。 初始化包括将机器人定位在预定位置，然后传感器的驱动器使用与该位置对应的角度和距离值。 这是必要的，因为编码器是增量的，因此它们不提供绝对位置，而是提供相对于初始值的递增或递减位置。初始化例程是一个顺序的过程，基本上由以下时间顺序列出的八个步骤组成：1.松开传感器的驱动器2.打开夹具3.将关节R5定位在04.将接点R4定位在05.将棱柱形接头P3的距离提高到0 mm6.将接头R1移动到135.附录2：外文原文